Основные понятия и определения - Лекционный курс по дисциплине Естествознание

Кибернетика  определяется как наука, изучающая законы управления сложными системами. В дословном переводе с древнегреческого слово кибернетика означает «управление кораблём». Кибернетика возникла в результате бурного развития техники и появления очень сложных технических устройств (авианосцев, подводных лодок, ракет и т.д.) и электроники в середине ХХ столетия. Учёные, которые начали разрабатывать системы управления этими устройствами, заметили, что задачи управления, сформулированные на математическом языке, оказались практически идентичными как в случае описания систем управления сложными техническими системами, так и систем самоуправления живых организмов.

Первым научным трудом, в котором наиболее чётко были сформулированы принципы новой науки, была вышедшая в 1948 г. на английском языке книга американского математика Норберта Винера (1894 – 1964) «Кибернетика или управление и связь в животном и машине» .

 Поскольку кибернетика тесно связана со сложными системами, многие из решаемых ею задач, оказались общими с общей теорией систем (ОТС). По мере развития обе теории настолько переплелись, что сегодня трудно указать границу между ними. Специалист в области биологической кибернетики А.Б.Коган считает, что ОТС является одним из разделов кибернетики, причём имеющим особо важное значение . В то же время специалист в области системных исследований М.И. Сетров приводит высказывание, в котором  Л. Берталанфи называет кибернетику составной частью ОТС . Скорее всего, оба эти направления сегодня представляют одно целое, в котором они удачно дополняют друг друга и решают общие задачи.

Центральным понятием кибернетики, как и в ОТС, является понятие системы, которая в данном случае называется кибернетической. Под системой понимается объект, которым необходимо управлять. Здесь можно сразу отметить принципиальную разницу между кибернетикой и ОТС. Особенность кибернетического подхода состоит в том, что кибернетика не занимается анализом происхождения и внутреннего устройства систем. А в ОТС эти вопросы являются чуть ли не первостепенными. Кибернетика, как бы учитывая выводы ОТС о непреодолимой сложности внутреннего строения больших систем, не берётся за решение этой проблемы.

Кибернетическая система считается заданной, если указаны её параметры, воздействие на которые позволяет осуществлять управление, и параметры, по которым определяется эффективность управления. Первые принято называть входами системы и обозначать х1, х2, … хn. Вторые называются выходами системы и обозначаются  у1, у2, … уm ( рис.8.1).

Выходные характеристики системы являются результатом преобразования входных воздействий внутри системы. Как это происходит, как связаны и взаимодействуют составные части  (подсистемы: S1, S2, S3), кибернетику не интересует. Задачей – определить, как должны изменяться х1, х2, х3, чтобы   у1, и  у2  находились в заданных пределах?

Заданные значения выходов называются целью управления. Пока не найдены значения входов, соответствующие достижению цели, система называется чёрным ящиком. Если же необходимые соотношения между входами и выходами найдено, система называется белым ящиком.

Можно изготовить реальную материальную систему, соответствующую абстрактному изображению на рис.8.1. Такой моделью может быть ящик с тремя выключателями в качестве входов и двумя лампочками в качестве выходов. Тогда схема управления (белый ящик) может быть найдена путём перебора всех вариантов положений выключателей с одновременным определением вариантов включённых лампочек. Результат такого поиска может иметь вид табл. 8.1.

Таблица 8.1

Пример возможного соотношения входов и выходов
кибернетической системы рис.8.1

Из этой таблицы следует, что если, например, целью управления является поддержание горящими первой и второй лампочек одновременно, то достаточно держать включенными либо только один первый, либо все три выключателя вместе.

Рассмотрим другой пример, когда имеющийся один выходной параметр представляет собой непрерывно меняющуюся количественную физическую характеристику (мощность излучения лампочки). Входом также является меняющийся физический параметр (угол поворота рукоятки). Тогда система управления может быть изображена в виде математической функции у=f(х) (рис.8.2)

В этом случае, если цель управления определена как необходимость удерживать мощность излучения в интервале 3, то из графика функции у=f(х) следует, что х должен поддерживаться либо в пределах интервала 1, либо находиться в интервале 2.

В некоторых случаях может оказаться полезным рассмотреть в качестве чёрных ящиков подсистемы S1, S2, S3. Но чаще полезна обратная процедура, когда управляемых систем много, то целесообразно рассматривать их как одну систему, поскольку основной задачей кибернетического подхода является нахождение наиболее простых способов описания систем и их поведения.

Если все входы находятся под контролем управляющей системы, то проблем с управлением не возникает за исключением начального этапа, пока не найден белый ящик. Этот этап тоже может создать проблему в случае большого количества входов, поскольку возникает уже обсуждённый в гл. 6 вопрос о числе вариантов комбинаций. Тем не менее, системы с полностью контролируемыми входами не считаются предметами особого внимания в кибернетике.

Для истинно кибернетических систем характерно то, что не все их входы являются контролируемыми, т.е. выходы меняются и под действием не контролируемых входов. В этом случае невозможно пользоваться заранее определённым планом управления. Решения по воздействию на контролируемые входы приходится принимать непосредственно в процессе работы системы. Это можно делать, только получая непрерывную информацию о состоянии выходов. Такое управление, когда изменение входов зависит от изменения выходов, получило название «управление с обратной связью».

В системах с обратной связью, как правило, выделяется часть (управляющая подсистема), задачей которой является приём сигналов о состоянии выходов, сравнение этих состояний с целью управления и посылка сигналов, которые корректируют входные воздействия (рис. 8.3).

Обратные связи бывают положительные и отрицательные. Положительная обратная связь так действует на вход, что начавшееся изменение выходных характеристик начинает происходить ещё быстрее в том же направлении. Отрицательная обратная связь, наоборот, при отклонении выходных характеристик от заданных значений так воздействует на вход, что начавшееся изменение выхода затормаживается и меняется на противоположное. Система возвращается в исходное состояние.

Основная стратегия поведения сложных технических и самоорганизующихся (биологических) систем заключается в сохранении своих характеристик в заданных пределах. Поэтому в этих системах чаще используются отрицательные обратные связи. Например, холодильник или термостат должен поддерживать строго определённую температуру и в случае отклонения её в сторону увеличения или уменьшения возвращать в прежнее состояние. Другим примером является самолёт, летящий на автопилоте. Направление его движения может измениться под действием ветра, дождя, облаков. Это отклонение будет зафиксировано управляющей системой, которая посылкой сигналов к регулировочным механизмам вернёт самолёт на прежний курс.

Системы, которые при возмущающих воздействиях среды эффективно поддерживают постоянными свои параметры, получили название гомеостатических.  Устойчивое состояние таких систем называется гомеостазом.

Системы с положительной обратной связью используются реже, обычно в тех случаях, когда согласно задаче управления требуется ускорить начавшееся изменение и быстро его закончить. Примером такого процесса являются автокаталитические химические реакции. Автокатализ означает, что в результате преобразования данного вещества, образуется продукт, ускоряющий это преобразование. И чем быстрее идёт реакция, тем больше образуется катализатора, процесс ускоряется ещё сильнее. Такие процессы носят взрывной характер и часто приводят к катастрофическим явлениям. Системы резко переходят из одного состояния в другое. К таким явлениям можно отнести снежные лавины, когда случайно появившиеся небольшие комки увеличиваются в размерах и усиливают срывающее воздействие на остальную массу снега. Появляется ещё больше комьев, причём более крупных. При атомном взрыве первоначально появившееся небольшое количество нейтронов разбивает атомы урана с высвобождением ещё большего количества нейтронов и т.д.

На основании сказанного можно заключить, что кибернетика, имея много общего с ОТС, решает несколько более узкую задачу изучения систем управления, не рассматривая физические принципы их организации. Это подтверждают и слова У.Р. Эшби, который в своей книге «Введение в кибернетику» пишет: «Во всей нашей книге принимается, что внешние соображения уже определили цель, т.е. допустимые состояния … нас занимает лишь проблема того, как достичь этой цели, несмотря на помехи и трудности» . Может возникнуть вопрос: «Что означают слова «внешние соображения»? Для человека, незнакомого с принципами кибернетики, ответ может быть обескураживающим. Эти слова могут означать что угодно, что Вас больше устраивает, кибернетику это не интересует. Это означает, что тот, кто занимается управлением, может не знать, откуда и как появилась управляемая система и кто задал цель её управления. В биологии, в естествознании или в ОТС эти слова могут означать «природа».