Обратная связь и ее функции

Обратная связь – одно из фундаментальных понятий теории систем. Первоначально это понятие было исследовано в теории автоматического управления (Воронов, 1980).

Обратную связь обычно иллюстрируют схемами, подобными приведённой на рис. 10.5, где х (t) – закон или алгоритм (программа) управления, х_треб – требуемое значение регулируемого параметра («уставка»), х_i – фактическое значение регулируемого параметра, Δх – рассогласование между х_треб и х_i.

Это понятие хорошо объясняется на примерах технических и электронных устройств, но не всегда легко интерпретируется в системах организационного управления. При использовании этого понятия часто ограничиваются только фиксацией рассогласования Δх между требуемым х_треб и фактическим х_i значением регулируемого параметра, а необходимо учитывать и реализовывать все элементы, не забывая замкнуть контур обратной связи, выработав в блоке обратной связи соответствующие управляющие воздействия, которые скорректируют закон управления x(t).

Обратная связь может быть:

– отрицательной – противодействующей тенденциям изменения выходного параметра, т.е. направленной на сохранение, стабилизацию требуемого значения параметра (например, стабилизацию количества выпускаемой продукции и т.п.);

Рисунок 10.5. Система с обратной связью

– положительной – сохраняющей тенденции происходящих в системе изменений того или иного выходного параметра (что используется при моделировании развивающихся систем).

Обратная связь является основой саморегулирования, развития систем, приспособления их к изменяющимся условиям существования.

При разработке моделей функционирования сложных саморегулирующихся, самоорганизующихся систем в них, как правило, одновременно присутствуют и отрицательные, и положительные обратные связи. На использовании этих понятий базируется, в частности, имитационное динамическое моделирование.

Единственное назначение подсистем обратной связи – изменение идущего процесса.

Обратная связь может быть:

1) объектом отдельного процесса подсистемы;

2) объектом интегрированного процесса подсистемы;

3) распределённым по времени объектом, возвращающим выход подсистемы с высшим приоритетом (более поздний по времени) для сравнения с критерием подсистемы низшего приоритета (более раннего по времени).

Схема на рис. 10.6 иллюстрирует перечисленные виды процессов подсистемы обратной связи.

Интегрированным процессом называется такой, в котором объекты подсистемы теряют свой независимый характер. В интегрированных системах объекты могут быть определены только в контексте подсистемы или системы, к которой они принадлежат.

Подсистема АА на рис. 5.6 предшествует двум подсистемам АВ и АС. Но она играет по отношению к ним разные роли: обратная связь АВ даёт вход в подсистему АА (выступает как обратная связь объекта отдельного процесса подсистемы), но, кроме того, выход используется как вход в подсистему АС.

Выход подсистемы АС поступает на входную сторону подсистемы АЕ. Подсистемы АА, АС и АЕ видоизменяются соб­ственными функциями подсистем обратной связи (обратная связь выступает как объект интегрированного процесса подсис­тем). Кроме того, подсистемы

Рисунок 10.6. – Схема сложной системы с обратными связями

АА, АС, АЕ также изменяются под воздействием результатов последующих действий, напри­мер, подсистема АЕ изменяет подсистему АА с помощью обратной связи АF.

Структура системы

Система может быть представлена простым перечислением элементов, или «чёрным ящиком» (моделью «вход - выход»). Однако чаще всего при исследовании объекта такое представление недостаточно, так как требуется выяснить, что собой представляет объект, что в нём обеспечивает выполнение поставленной цели, получение требуемых результатов. В этих случаях систему отображают путём расчленения на подсистемы, компоненты, элементы с взаимосвязями, которые могут носить различный характер, и вводят понятие структуры.

Одна и та же система может быть представлена разными структурами в зависимости от стадии познания объектов или процессов, от аспекта их рассмотрения, цели создания. При этом по мере развития исследований или в ходе проектирования структура системы может изменяться.

Структуры могут быть представлены в матричной форме, в форме теоретико-множественных описаний, с помощью языка топологии, алгебры и других средств моделирования систем.

Структуры, особенно иерархические, могут помочь в раскрытии неопределённости сложных систем. Иными словами, структурные представления систем могут являться средством их исследования. В связи с этим полезно выделить и исследовать определённые виды (классы) структур.

Виды структур

Сетевая структура ( или сеть), представляет собой декомпозицию системы во времени (рис. 10.7, а). Такие структуры могут отображать порядок действия природных (склоновых, ледниковых, экзогенных и т.п.), технических систем (электрическая сеть и т.п.), этапы деятельности человека (при производстве продукции - сетевой график, при проектировании - сетевая модель, при планировании - сетевой план и т.д.). В виде сетевых моделей представляются, например, ряд подвижности химических компонентов во флюидно- магматической системе, ряды радиоактивных элементов, ряды петрометаллогенетические или ряды магматических формаций.

Иерархические структуры представляют собой декомпозицию системы в пространстве (рис. 10.7, б- д). Все компоненты {вершины, узлы) и связи {дуги, соединения узлов) существуют в этих структурах одновременно (не разнесены во времени). Такие структуры могут иметь не два (как для простоты показано на рис. 10.7, б, в), а большее число уровней декомпозиции (структуризации). В качестве примеров отметим ряды кристаллизации Боуэна (фемический ряд и салический); ряд континентальных отложений (кора выветривания-склоновые или гравитационные осыпи- аллювий- пролювий- сапропелиты; ледниковые отложения- моренные; эоловые (эоловые пески- лессы; ряды геоморфологические, ряды изоморфных элементов)

Структуры типа рис. 10.7, б, в которых каждый элемент нижележащего уровня подчинён одному узлу (одной вершине) вышестоящего (и это справедливо для всех уровней иерархии), называют древовидными структурами, структурами типа «дерево проблемы, целей и функций, дерево направлений развития или прогнозный граф», на которых выполняется отношение древесного порядка, иерархическими структурами с «сильными» связями.

Структуры типа рис. 10.7, в, в которых элемент нижележащего уровня может быть подчинён двум и более узлам (вершинам) вышестоящего, называют иерархическими структурами со «слабыми» связями.

Матричные структуры. Иерархическим структурам, приведённым на рис. 10.7, б, в, соответствуют матричные структуры рис. 10.7, е, ж. Отношения, имеющие вид «слабых» связей между двумя уровнями на рис. 10.7, в, подобны отношениям в матрице, образованной из составляющих этих двух уровней на рис. 10.7, ж.

Рисунок 5.7. – Структуры систем

Многоуровневые иерархические структуры. В теории систем (М. Месарович) предложены особые классы иерар­хических структур, отличающиеся различными принципами взаимоотношений элементов в пределах уровня и различным правом вмешательства вышестоящего уровня в организацию взаимоотношений между элементами нижележащего, для на­звания которых он предложил следующие термины: «страты», «слои», «эшелоны» (рис. 10.7, д). Смешанные иерархические структуры бывают с вертикальными и горизонтальными связями (рис. 10.7, г).

Структуры с произвольными связями могут иметь любую форму, объединять принципы разных видов структур и нарушать их.