Если регулирующие воздействия вырабатываются специально выделенным отдельным элементом, то управление называется внешним. Если же такого элемента выделить нельзя, а полезный результат порождается взаимодействием элементов системы, то управление называется внутренним.

В технических или биологических системах управления для каждого из этапов управления имеются специализированные органы: датчики (рецепторы), воспринимающие состояние самой системы и факторы окружающей среды; решающая часть (центральная нервная система), которая на основании полученной и имевшейся информации оценивает ситуацию и принимает решение о способе поведения и необходимых для этого управляющих воздействиях; исполнительные органы (эффекторы, например, мышцы), которые формируют управляющие сигналы и не посредственно воздействуют на управляемый объект.

Управление основано на передаче внутри системы различного рода информационных сигналов. Любая цепочка элементов, вдоль которой происходит передача сигналов может рассматриваться как канал передачи информации. Эти каналы образуют в системе прямые и обратные связи. Прямая связь имеет место тогда, когда сигналы передаются по прямому направлению - от входов системы к ее выходу, т.е. от начала цепочки к ее концу. Примером такой цепочки прямой связи может служит цепочка передачи сигналов при отдергивании руки от горячей поверхности.

Исключительно важное значение в кибернетике имеет принцип обратной связи. Наряду с принципом иерархичности, он является основой построения систем управления в кибернетике. Совместно оба этих принципа обеспечивают не только устойчивость, но и приспособляемость систем управления к изменяющимся условиям и являются основой, в частности, эволюции биологических видов.

Общая схема процесса управления с обратной связью присуща системам разной физической природы, включая органический мир, от начальных этапов биологической эволюции до запуска человеком космических кораблей. На основе обратных связей поведение сложных систем приобретает целостность, упорядоченность и целесообразность. Н.Винер характеризовал обратную связь как “свойство, позволяющее регулировать будущее поведение прошлым выполнением приказов”. Учет различий между действием и его результатом - это, в конечном счете, главная сущность механизмов обратной связи, которые совершенно необходимы, если речь идет об уравновешивании сложной вероятностной системы с динамическими условиями среды.

Принципиально важным является то, что любая система с обратной связью является автоматически целенаправленной и что различие между автоматически направляемой системой и системой, преследующей цель в результате усилия воли, является чисто "внутренним": его нельзя установить с достоверностью с помощью какого-либо внешнего критерия.

Обратные связи бывают положительными и отрицательными. Отрицательная обратная связь обеспечивает выдачу управляемому объекту со стороны управляющего устройства команд, направленных на ликвидацию рассогласования действий системы с заданной программой. Например, в живом организме повышение температуры тела ведет к расширению кожных капилляров, что способствует повышению теплоотдачи; повышение температуры в термостате ведет к уменьшению нагрева, к снижению теплопродукции. В обоих этих случаях, несмотря на принципиальное различие механизмов и способов регулирования, результат действия обратной связи одинаков.

Положительная обратная связь, как правило, ведет не к устранению, а к усилению рассогласования. Примером возникновения положительной обратной связи в организме человека может служить эпилептический припадок, когда небольшое возбуждение одного из участков коры головного мозга ведет к резкому увеличению возбудимости других участков, что приводит к возбуждению сенсорной и моторной сферы.

Понятие обратной связи стало достаточно привычным в широком обиходе, рассуждения о положительных и отрицательных обратных связях стали почти общим местом, когда речь идет о сложных системах любой природы, так что имеет смысл обратить внимание на недостатки этих двух видов связи. Сами по себе эти понятия были введены для относительно простых одноконтурных систем управления (т.е. систем, имеющих по одному каналу прямой и обратной связи).

Часто можно прочитать, что отрицательная обратная связь всегда стабилизирует систему, а наличие положительной обратной связи лишает систему устойчивости. Оба эти стереотипа неверны. На самом деле отрицательная обратная связь при большом времени прохождения по ней сигнала может нарушать устойчивость системы. А положительная обратная связь в некоторых случаях может повысить чувствительность системы к изменениям входного сигнала, не нарушая при этом устойчивости системы.

Очень важно, что любая система с обратной связью является автоматически целенаправленной и что различие между автоматически направляемой системой и системой, преследующей цель в результате усилия воли, является чисто "внутренним": его нельзя установить с достоверностью с помощью какого-либо внешнего критерия.

Одна из основных особенностей кибернетики состоит в том, что она рассматривает управляемые системы не в статическом состоянии, а в их движении и развитии. Это связано с тем, что такое, например, функциональное свойство систем, как их устойчивость, имеющее решающее значение для оценки работоспособности и возможности длительного существования, невозможно без рассмотрения динамики происходящих в таких системах процессов.

В кибернетике особая роль принадлежит исследованиям биологических систем, так как они демонстрируют свою исключительную эффективность, превосходящую эффективность любых неживых систем, в том числе и созданных человеком. Связано это с быстротой реакций, суммированием информации, способности строить достаточно надежные выводы, базируясь на очень ограниченном объеме информации.

Замечательной особенностью естественных биологических механизмов управления является то, что в них реализуется принцип гомеостазиса Гомеостазис отличается от обычного регулирования, принятого в технике тем, что в нем реализован принцип саморегуляции.

Термин “гомеостазис” для целей развития идей постоянства внутренней среды организмов был введен Уолтером Кенноном в 1928 г. В современной трактовке гомеостазис - процесс динамического уравновешивания системы со средой. Это понятие является одним из ключевых понятий кибернетики, когда речь идет о принципиальных особенностях управления в кибернетических системах.

Гомеостаз - относительное постоянство переменных внутренней среды при внешних и внутренних возмущениях - является важным фактором удовлетворения жизненных нужд организма. Как и для любого механизма управления, для поддержания гомеостаза требуется определенный расход энергии. Поэтому область жизненных процессов, охваченная гомеостазом, ограничена. Постоянство внутренней среды поддерживается прежде всего там, где дополнительные энерготраты или абсолютно необходимы для жизнедеятельности (поддержание температуры в заданных пределах), или окупаются расширением жизненных возможностей (регулирование кровяного давления)

Гомеостаз организма способствует поддержанию жизни организма как целого, но потеря гомеостатических свойств отдельными системами еще не смертельна для организма, хотя жизнь в экстремальных условиях и приводит к пагубным последствиям. Для сохранения организма как целого гомеостатические системы могут лишить некоторые части тела возможности удовлетворять свои потребности.

Биологические гомеостаты - это устройства управления, предназначенные для поддержания любой переменной в заданных пределах (поддержание температуры крови, регулирование численностей популяций насекомых и т.д.).

В гомеостате управляемая переменная поддерживается на требуемом уровне за счет механизма саморегулирования. Из этого не следует, что этот уровень строго постоянен. В природе вообще, кроме нескольких мировых констант, все встречающиеся величины характеризуются определенной изменчивостью. Но главным для биологических систем регулирования является то, что эти изменения поддерживаются в диапазоне допустимых пределов, задаваемых эволюционно. Это означает, что в системе имеется механизм, возвращающий регулируемую величину к некоторому допустимому среднему значению.

Существует множество аналогий между представлениями в специальных разделах наук о жизни и понятиями, лежащими в основе кибернетики. Так, например, антропологи признают, что общественный гомеостазис зависит от символически выраженных программ регулирования, проявляющихся в виде ритуалов, обычаев и традиций. В этологии основной задачей является изучение поведения как средства управления и связи, следовательно и в этой науке кибернетические понятия играют существенную роль. Эти же понятия - гомеостазис, управление, связь - проникли и показали свою эффективность при рассмотрении целого ряда проблем в эмбриологии, популяционной генетике, в процессах развития и роста. Правда, при этом необходимо учитывать мнение К.Шеннона, высказанное им по поводу не всегда корректного использования понятий и методов теории информации в других дисциплинах. «Я лично полагаю, что многие положения теории информации могут оказаться очень полезными в этих науках (психология, экономика и другие социальные науки); действительно в ней уже достигнуты некоторые весьма значительные результаты. Однако поиск путей применения теории информации в других областях не сводится к тривиальному переносу терминов из одной области науки в другую. Этот поиск осуществляется в длительном процессе выдвижения новых гипотез и их экспериментальной проверки».

Первой моделью технического устройства, имитирующего адаптационные свойства живых организмов, был гомеостат Р.Эшби. Для осуществления целенаправленного поиска гомеостат должен получать информацию об эффективности своего поведения, т.е. об устойчивости. Он как бы ставит серию экспериментов и извлекает из этих экспериментов данные, необходимы для улучшения своего поведения, т.е. действует также, как сознательное существо, изучающее себя и окружающий мир и извлекающее из этого уроки, которые определяют его поведение.

Гомеостат представляет собой устройство, в котором сочетание принципов обратной связи и иерархичности приводит к появлению свойства "ультраустойчивости". Система управления называется ультраустойчивой, если она обладает способностью автоматически находить оптимальное положение при любых непредвидимых изменениях внешней обстановки, а также при изменении ее внутренней структуры и изменениях параметров. Гомеостат является также примером устройства, в котором реализован принцип необходимого разнообразия, когда число степеней свободы регулятора, по крайней мере, не меньше числа степеней свободы регулируемого объекта. Он демонстрирует, что простые системы не обладают достаточным разнообразием, чтобы справиться с разнообразием окружающей среды. Успешно справиться с разнообразием в управляемой системе может только такое управляющее устройство, которое само обладает достаточным разнообразием.

Другой пример, использования в управлении некоторых общих принципов, выявленных в кибернетических исследованиях, это использование концепция «черного ящика».

Эта концепция открывает путь практического овладения перспективным методом управления огромным разнообразием сложных систем. Речь идет о том, что наиболее эффективным способом поиска нужного элемента при выборе из огромного числа возможных выборов является тот, который дает максимальную энтропию при каждом выборе. Такой метод - это метод дихотомий - последовательного деления на две части. Таким образом удается установить множества преобразований входа, относительно которых состояния выхода являются инвариантными.

При этом задача управления сводится к обеспечению соответствующего выбора управляющего “ящика” с энтропией выбора управляемой системы. Наличие такого изоморфизма является одним из требований, предъявляемых к управлению.

Организация, информация и управление составляют неразрывное единство в кибернетических системах, так что каждое из этих понятий в той или иной мере используется при обсуждении двух других. Так, степень сложности системы измеряется ее разнообразием, которое, в свою очередь, оценивается числом различимых элементов в системе. Кибернетические системы - это машины для переработки информации. Как только машина начинает работать в ней появляется упорядоченность, которая начинает уничтожать имеющуюся на начальном этапе неопределенность. Появление упорядоченности, что эквивалентно появлению информации, и является тем главным, что позволяет управлять кибернетическими системами. Информация уничтожает разнообразие, а уменьшение разнообразия является одним из основных методов регулирования. Это происходит не потому, что упрощается регулируемая система, а за счет того, что поведение системы становится более предсказуемым.

С другой стороны, природа и объем управления, свойственный данной системе, обнаруживается в поведении связей, которые в ней существуют. Состояние же связей в каждый момент времени отражает количество информации, содержащейся в системе. Структура связей и характер информации, проходящей по ним к одному из элементов системы, определяют в любой момент времени, находится ли данный элемент в заданном состоянии или нет.

Подводя итог рассмотрению основных понятий кибернетики и тех возможностей, которые они предоставляют для исследования сложных систем, следует отметить, что кибернетика ввела в современное научное мировоззрение большой круг совершенно новых идей и представлений. Она стала неотъемлемым элементом нашей жизни, и этот окружающий нас кибернетизированный мир и его последствия продолжают создавать ситуацию столь же новую, как и та, что была в 1948 г., когда одновременно в Нью-Йорке и Париже увидела свет книга Норберта Винера "Кибернетика или управление и связь в животном и машине".

Можно быть уверенными в том, что в предстоящие годы будет расти понимание и использование кибернетики при планировании и решении задач будущего человеческого общества. Тем не менее, на сегодняшний день положение кибернетики аналогично положению с анализом бесконечно малых в первые 80-100 лет с момента их появления в математике: упреки в мистике и призыв Даламбера «allez en avant» - смело вперед!

Литература

Wiener N. Cybernetics or control and communication in the animal and the machine, 2^nd Edition, New-York-London,2011.

Ashby R.W. Design for a brain The origin of adaptive behaviour, 2^nd Edition, London,2006

Shannon C.E., Weaver W. A Mathematical Theory of Communication, Urbana, Univ. of Illinois Press, 2009

George F.H. The foundations of cybernetics, London-New-York,2007

Глушков В.М. Кибернетика. БСЭ, т.12, с.75-79, Москва, 2003

Ляпунов А.А. Проблемы теоретической и прикладной кибернетики. Москва, 336 с.,2010

Размещено на Allbest.ru