Учимся у природы правильной организации управления

 

В предисловии к этой главе мы определили управление как целенаправленное воздействие на те или иные факторы объекта или процесса. Поэтому название параграфа на первый взгляд выглядит странно: природа в своем существовании не преследует какие-либо цели, поэтому и управлять природа ничем и никем не может. Как же тогда учиться управлению у природы?

Наблюдая природные явления, мы можем «подсмотреть» у нее те механизмы, которые позволяют природе в течение тысячелетий существовать и развиваться. Ведь и человек обычно стремится к тому, чтобы его деятельность тоже могла обеспечить устойчивое существование и развитие. Это не всегда ему удается. Попробуем разобраться почему.

Явление саморегулирования: природа стремится восстановить то стабильное состояние, из которого ее вывели тем или иным способом. Это возможно только в том случае, когда само состояние, в котором находится объект, является воздействующим на него фактором.

Если представлять себе управляемый объект как систему со входами и выходами (рис. 5.2), то в этом случае некоторые его выходы одновременно являются его входами. Именно так обстоит дело в модели ограниченного или неограниченного роста: выходной параметр М(п + 1) характеризует очередное состояние системы, т. е. одновременно является входом. Вход и выход различают только моменты времени, в которых рассматриваются значения этого параметра.

Следовательно, изображая управляемый объект с элементами саморегуляции, мы должны такие выходы замкнуть на соответ­ствующие входы (рис. 5.5).

В модели управления добычей возобновляемых ресурсов эта схема выглядит так, как показано на рисунке 5.6.

Воздействие выходных параметров динамической системы на ее же входные параметры называют обратной связью.

 

В живой природе любая система обязательно обладает механиз­мом обратной связи. Простейший пример — увеличение теплоотдачи живым организмом при увеличении выделения энергии (например, при интенсивной работе). Этот механизм настолько эффективен, что при здоровом состоянии организма он способен поддерживать постоянную температуру тела при воздействии самых разнообразных внешних и внутренних факторов. Здесь мы имеем дело с так называемой отрицательной обратной связью. Эпитет «отрицательная» означает, что она обеспечивает выработку управляющего воздействия, направленного на уменьшение рассогласования между заданным и действительным значениями параметра системы. Возникающий при этом эффект устойчивости системы к внешним воздействиям называют гомеостазом системы.

Нередко в динамических системах встречается и положительная обратная связь, усиливающая возникшее рассогласование. В природе примером положительной обратной связи является реакция пищеварительной системы на слабое раздражение пищей, вызывающее выделение пищеварительных энзимов и тем самым усиление раздражения с еще большим выделением энзимов и т. д. Это явление описывается народной приметой «Аппетит приходит во время еды». В школьных курсах физики и химии изуча­ется другой тип явлений с положительной обратной связью — цепные реакции. К ним относится атомный взрыв, взрыв гремучего газа и т. д.

Понятие обратной связи возникло в ходе построения различ­ных автоматических регуляторов. Одним из первых таких регуляторов был регулятор Уатта (рис. 5.7), управлявший подачей пара в цилиндры паровой машины (о нем вам, скорее всего, рассказывали на уроках физики). Позже понятие обратной связи было выделено как самостоятельное, описывающее саморегулирующиеся системы.

Объект с саморегуляцией может быть достаточно четко струк­турирован; в частности, в нем могут быть выделены управляющий и управляемый подобъекты. Эти под объекты связаны информационными каналами: по одним каналам передается управляю­щая информация от управляющего объекта к управляемому, по другим — информация о результатах управления. Для паровой машины с регулятором Уатта управляющий объект — сам регулятор, управляемый — паровой котел.

 

Главным в понятии обратной связи является то, что изменение состояния объекта непосредственно связано с этим со­стоянием.

 

В паровой машине, как только скорость маховика начинает превышать установленные пределы, объем подачи пара уменьшается пропорционально этой скорости и, наоборот, когда скорость падает ниже установленных пределов, увеличивается объем подачи пара. Отметим, что в этой системе регулятор не «выясняет» причин увеличения или уменьшения скорости (разнообразие этих при­чин не поддается описанию), он просто поддерживает заданный режим работы паровой машины.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. При каких условиях возможно явление саморегулирования? Приведите примеры саморегулирующихся динамических систем.
2. Что такое обратная связь?
3. Какую обратную связь называют отрицательной, положительной? Приведите примеры систем с отрицательной и положительной обратной связью.
4. Что такое гомеостаз системы?
5. Среди приведенных ниже примеров взаимодействия укажите те, которые относятся к понятию обратной связи. Для каждого приведенного вами случая укажите тип обратной связи, т. е. положительна она или отрицательна:

а) изменение диаметра кровеносных сосудов организма и теплоотдачи организма;

б) раскрытие (или закрытие) зонтика и начало (или прекращение) дождя;

в) изменение доходности производства и объема выпускаемой продукции;

г) изменение покупательского спроса и цены на товар;

д) изменение яркости горения лампочки и подаваемого напряжения;

е) изменение скорости бега и сопротивления воздуха;

ж) изменение скорости бега и частоты пульса;

з) восход (заход) солнца и выключение (включение) осветительных приборов;
и) звонок будильника и пробуждение человека.

6. Выполняя тестовые задания к главам нашего учебника, вы получали информацию о том, насколько хорошо усвоен изучаемый материал. Мы надеемся, что вы использовали эту информацию для построения управления своим процессом обучения. Какой тип обратной связи при этом реализуется