Пример: кибернетический подход

Кибернетика (от древнегре­ческого слова «кибернес», что означает «искусство уп­равления» или «рулевой») и выступает как наука об общих законах преобразования информации и управля­ющих системах. Область применения кибернетики определил Н. Ви­нер — это машины, живые организмы и их объединения.

Исходя из вышесказанного, кибернетика — это наука об управлении в машинах, живых организмах и их объе­динениях на основе получения, хранения, переработки и использования информации.Если паровые и электрические машины успешно за­меняют человека в областифизического труда,то ки­бернетические машины способны в немалой степени заменять его в сфереумственного труда. Основателем кибернетики принято считать американ­ского математикаНорберта Винера(1894-1964).

1. Понятие сложной системы.Кибернетика — это наука об управлении в сложных динамических системах любой природы (технические, биологические, экономи­ческие, социальные, административные) с обратной свя­зью. Сложными динамическими системами называются та­кие системы, которые содержат в себе множество более простых, взаимодействующих друг с другом систем и эле­ментов, которые меняются, т.е. под воздействием опре­деленных процессов переходят из одного устойчивого состояния в другое. Теория относительности, изучающая универсальные физические закономерности, относящиеся ко всей Вселенной, и квантовая меха­ника, изучающая законы микромира, нелегки для понимания, и тем не менее они имеют дело с системами, которые с точки зрения совре­менного естествознания считаются простыми. Простыми в том смыс­ле, что в них входит небольшое число переменных, и поэтому взаи­моотношение между ними поддается математической обработке и выведению универсальных законов.

Однако, помимо простых, существуют сложные системы, ко­торые состоят из большого числа переменных и стало быть большого количества связей между ними. Чем оно больше, тем труднее подда­ется предмет исследования достижению конечного результата — выведению закономерностей функционирования данного объекта. Трудности изучения данных систем связаны и с тем обстоятельст­вом, что чем сложнее система, тем больше у нее так называемых эмерджентных свойств, т. е. свойств, которых нет у ее частей и кото­рые являются следствием эффекта целостности системы.

Такие сложные системы изучает, например, метеорология — наука о климатических процессах. Именно потому, что метеороло­гия изучает сложные системы, процессы образования погоды го­раздо менее известны, чем гравитационные процессы, что, на пер­вый взгляд, кажется парадоксом. Действительно, почему мы точно можем определить, в какой точке будет находиться Земля или ка­кое-либо другое небесное тело через миллионы лет, но не можем точно предсказать погоду на завтра? Потому, что климатические процессы представляют гораздо более сложные системы, состоя­щие из огромного количества переменных и взаимодействий меж­ду ними. Разделение систем на простые и сложные является фунда­ментальным в естествознании. Среди всех сложных систем наи­больший интерес представляют системы с так называемой «обрат­ной связью». Это еще одно важное понятие современного естество­знания.

2. Понятие обратной связи: если мы ударим по бильярдному шару, то он полетит в том направле­нии, в котором мы его направили, и с той скоростью, с которой мы хо­тели. Полет брошенного камня тоже соответствует нашему жела­нию, если ничего не препятствует этому. Сам камень совершенно ин­дифферентен по отношению к нам. Он не сопротивляется, если только не иметь в виду закона инерции. Совсем иным будет поведение кошки, которая активно реаги­рует на наше воздействие. Так вот, если поведение объекта (поведе­нием будем называть любое изменение объекта по отношению к ок­ружающей среде) зависит от воздействия на него, мы говорим, что в такой системе имеется обратная связь — между воздействием и ее реакцией. Механизм обратной связи — это реакция системы на внешнее воздействие. С учетом принципа обратной связи орга­низуется управление (руководство) предприятия со сто­роны министерства, промышленными предприятиями — со стороны дирекции («летучки»), по той же схеме рек­тор осуществляет руководство преподавателем и группой, студенческими коллективами, а преподаватель — студен­тами и т.д. (дети — родители).

Примеры действия систем с обратной связью.

Пример 1. Термостат — прибор для поддержания постоян­ной температуры.В простом случае это можно представить себе в видедуховки с электрическим терморегулятором, на­пример, в виде термопары. Если в духовке температура под­нимается выше заданной, то терморегулятор генерирует сиг­нал, который по цепи обратной связи поступает на реостат и увеличивает его электрическое сопро­тивление так, чтобы уменьшилась сила тока в электрической цепи нагревателя. Вместе с величиной силы тока падает наг­рев электропечи, уменьшается выделение тепла, и температу­ра в духовке возвращается к заданному значению.

Пример 2. В живыхорганизмах имеется множество различ­ных механизмов и цепей саморегуляции. Например, механизм, который удерживает в нужных для организма пределах кон­центрацию глюкозы в крови. Ее концентрация не должна падать ниже 0,06 %, иначе ткани будут испытывать недостаток в основном источнике энергии. Но ее концентрация не должна и подниматься выше 0,18 %, иначе наступят другие неже­лательные последствия. Если уровень концентрации глюкозы в крови падает ниже 0,07 %, те надпочечники начинают выде­лять адреналин, который заставляет печень превращать свои запасы гликогена в глюкозу, поступающую в кровь. С другой стороны, при избытке глюкозы в крови повышается секреция инсулина поджелудочной железой, что заставляет печень уда­лять глюкозу из крови.

Важно: в приведенных примерах необходимо выделить следующие элементы:

1. Управляющее устройствос чувствительным элементом, с помощью которого оновоспринимает сведенияо состоянии исполнительного устройства:терморегулятор ирецепторыв наших примерах.

2. Механизм преобразования информации, полученной от чувствительного элемента: в наших примерах: сигнал, генерируемый терморегулятором, преобразование гликогена в глюкозу.

3. Механизм передачипреобразованной информации от управляющего устройства к исполнительному: провода, нервные окончания и т.д.

Механизм осуществления обратной связи: сигнал с выхода исполнительного устройст­ва, несущий сообщение о поведении объекта управления, подается обратно на вход управляющего устройства.

Обратную связь подразделяют на два вида - положительную и отрицательную.

1. При положительной обратной связисигнал сообщает, что поведение объекта управления соответствует командам, но цель еще не достигнута. Поэтому УУ (управляющего устройства) усиливает ту же команду, чтобы ИУ быстрее достигло постав­ленной цели. Это значит, что при положительной ОС командный сигнал и сигнал обратной связи имеют одинаковую информационную структуру, поэтому они просто складываются и суммарный сигнал снова подается на вход ИУ. Из-за простого сложения сигналов прямой и обратной связи дан­ный вид обратной связи и называют положитель­ной.

2. Отрицательная обратная связь.В про­цессе управления объектом в его поведении мо­гут произойти значительные отклонения и он не достигнет поставленной цели. Для подобных слу­чаев между УУ и ИУ устанавливается отрица­тельная ОС. Сигнал, пришедший в УУпо отри­цательной ОС,показывает фактическое состояние объекта управления. Поэтому УУ должно оце­нить, насколько объект отклонился от цели, и сформировать новую, скорректированную ко­манду с последующей передачей ее на вход ИУ. Например, зенитную ракету направили сбить летящий са­молет, который, однако, успел изменить свой курс, и тогда УУ должно скорректировать траекторию ракеты.

Вывод: процесс управленияосуществляется в соответствии с целью управления. Управляющая система вырабатывает и передает по каналу обратной связи сиг­налы, несущие команды, которые поступают в управля­емую систему и приводят ее к изменению. От управляе­мой системы по каналу обратной связи передаются сиг­налы, несущие информацию о том, как выполнены команды. В соответствии с этой информацией система вырабатывает новые, корректирующие команды. Это происходит до тех пор, пока цель управления не оказы­вается достигнутой.

Итак, все системы можно разделить на системы с обратной связью и без таковой. Наличие механизма обратной связи позволяет заключить о том, что система преследует какие-то цели, т. е. что ее поведение целесообразно.

4. Понятие целесообразности. Активное поведение системы может бытьслучайным(стрельба из ружья – беспорядочная и в разные стороны может быть – ружью все равно куда стрелять) илицелесооб­разным(зенитный снаряд с термодатчиком – стреляй в любую сторону – идет на теплоту или излучение – на солнце или специально отстреливаемые снаряды), если «действие или поведение допускает истолкование как направленное на достижение некоторой цели, т. е. некоторого конеч­ного состояния, при котором объект вступает в определенную связь в пространстве или во времени с некоторым другим объектом или со­бытием. Нецеленаправленным поведением является такое, которое нельзя истолковать подобным образом». Для обозначения машин с внутренне целенаправленным пове­дением был специально выкован термин «сервомеханизмы». Напри­мер, торпеда, снабженная механизмом поиска цели.Всякое целена­правленное поведение требует отрицательной обратной связи.