Стержень системы: обратная связь

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

на тему: «Стержень системы: обратная связь»

1. Существуют два основных вида обратной связи

1. Усиливающая обратная связь, - когда изменения в системе в целом приводят к усилению первоначального изменения. Другими словами, изменение проходит через систему, производя еще большее изменение в том же самом направлении.

2. Уравновешивающая обратная связь, - когда изменения в системе в целом приводят к ослаблению первоначального изменения.

Все системы, какими бы сложными они ни были, построены на замкнутых циклах обратной связи только этих двух видов.

Рассмотрим сначала усиливающую обратную связь. Ее часто не совсем точно называют "положительной", но это название не соответствует сущности такого типа связи, потому что, во-первых, его можно спутать с чем-то вроде похвалы, а во-вторых, оно создает впечатление, что связь такого рода хороша сама по себе, тогда как в действительности она может быть в самом деле полезной, а может оказаться сущим злом, если благодаря ей вся система неизбежно выходит из-под контроля: все зависит от того, что именно усиливается. Поэтому, чтобы избежать путаницы, мы и будем называть связь такого рода "усиливающей".

Усиливающая обратная связь подталкивает систему в том самом направлении, в котором она уже движется. В зависимости от начальных условий она может привести как к росту активности системы, так и к ее падению. В данном случае частью цикла усиливающей обратной связи является то или иное "вознаграждение", если эффект направлен на усиление того же самого поведения. Вознаграждением могут служить продвижение по службе, материальная выгода, моральное поощрение, подчеркнутое внимание или просто улыбка. Ваши действия, полученное за них вознаграждение и возобновленные действия составляют замкнутый цикл усиливающей обратной связи. Само же по себе вознаграждение не является усиливающей обратной связью, если только оно не ведет к усилению того же самого первоначального поведения.

Представьте себе снежный ком, скатывающийся с горы. По пути он собирает прилипающий к нему снег, и чем больше он становится, тем больше снега к нему прилипает, пока это движение не превращается в снежную лавину.

Вам никогда не приходило в голову, что и ваш банковский счет -- не что иное, как система? В нем проявляется усиливающая обратная связь. Представьте себе, что у вас на счету хранится 1000 $ под 10% годовых. За первый год такой капитал даст 100 $ прибыли и в целом составит 1100 $. За второй год эта сумма принесет 10% -- 110$, -- которые в сумме с предыдущим капиталом составят уже 1210 $. В следующем году прибыль еще возрастет. И чем больше будет возрастать сумма, тем большую прибыль она будет приносить, сама в свою очередь становясь все больше. Продолжая такие расчеты, легко обнаружить, что уже через семь лет вы удвоите свои сбережения и на вашем счету будет лежать сумма в 2000 $. И каждые следующие семь лет она будет удваиваться. Капитал в 1000 $, положенный на ваш счет в момент вашего рождения, к тому времени, когда вам исполнится двадцать один год, будет равняться 8000 $. Предоставленная самой себе усиливающая обратная связь ведет к так называемому экспоненциальному росту, суть которого в том, что скорость роста пропорциональна уже полученной величине, а период удвоения остается величиной постоянной. Такой процесс может начинаться сколь угодно медленно и незаметно, но, предоставленный самому себе, он неуклонно становится все сильнее, и его эффективность движется к обретению разрушительной силы.

Чтобы продемонстрировать усиливающую обратную связь, для наглядности будем пользоваться образом снежного кома:

Размер

Время

Усиливающая обратная связь -- экспоненциальный рост

Курьезы экспоненциального роста

1. Если сложить страницу пополам, ее толщина удвоится. Чему будет равняться толщина страницы, если проделать эту операцию сорок раз?

2. Предположим, у вас есть пруд. У берега выросла кувшинка. Через некоторое время вы замечаете, что каждый день количество кувшинок удваивается. Начав с одного-единственного цветка, через месяц половина поверхности пруда оказывается сплошь покрытой кувшинками. Надо бы взяться за его расчистку, но в настоящий момент вы слишком заняты и предпочли бы к ней приступить в последний момент. Когда он наступит?

3. По преданию, игра в шахматы была придумана на Востоке тысячи лет назад как забава для царя. Взамен ее изобретатель попросил награду: одно зернышко риса на первое поле доски, два -- на второе, четыре -- на третье и так далее, каждый раз удваивая количество зерен. На шахматной доске 64 поля. Царь знал, что в его распоряжении сотни амбаров по всей стране, доверху полных риса, и недолго думая согласился. Было ли мудрым это решение?

Курьезы экспоненциального роста (ответы)

1. Если сорок раз пополам сложить страницу, ее толщина будет равна расстоянию от Земли до Луны.

2. Лучше уж приступить к очистке пруда немедленно, не то за ночь кувшинки покроют всю его поверхность.

3. Дав согласие, царь поступил, по меньшей мере, опрометчиво. На двадцать первом поле будет лежать миллион зерен, а чтобы выдать ту партию риса, которую откроет шестьдесят четвертое поле, не хватит всего риса на планете.

Численность населения и экспоненциальный рост

При условии постоянства окружающих условий численность населения растет экспоненциально. В середине XVII в. население земного шара составляло примерно 0,5 млрд. человек. Оно продолжало расти и, если бы скорость роста оставалась постоянной, через 150 лет увеличилось бы вдвое.

Спустя 250 лет, в начале XX в., численность населения планеты превышала 1,5 млрд. человек, с периодом удвоения 140 лет. Скорость роста увеличивалась, потому что убывала смертность. В 1991 г. численность населения достигла 5,5 млрд. человек, рождаемость убывала немного быстрее, чем убывала смертность в предыдущие 20 лет, а прирост населения составлял 1,7%. Однако даже столь скромный, казалось бы, коэффициент дает в целом огромное увеличение численности благодаря значительности той цифры, которой население планеты достигло к настоящему времени: 2,4 млн. ежедневно, или 92 млн. в год (то есть с учетом показателей смертности).

Как только засасывающая трясина и чем дальше, тем страшнее

Но не следует забывать: ничто не длится вечно.

Усиливающая обратная связь не всегда приводит к взрывному экспоненциальному росту, но она всегда усиливает изменение в том же самом направлении. Возьмем процесс общения: порой оно вполне вписывается в цикл усиливающей обратной связи. Если вы начинаете с дружеских отношений, это примерно то же самое, что иметь некоторую сумму денег на счете в банке. Положительные чувства к партнеру будут доминировать, и вы оба будете получать удовольствие от встреч. Взаимное доверие ведет к еще большему доверию. Нейтральная в плане расположенности встреча подобна нулевому банковскому счету, она имеет тенденцию оставаться нейтральной, но если вы встали не с той ноги, то при встрече с предполагаемым партнером ситуация может резко ухудшиться. Теперь как цикл усиливающей обратной связи будет работать взаимная настороженность, от которой один шаг до подозрительности. Подозрительность, в свою очередь, перерастает в предубежденность, когда начинают неверно интерпретировать слова и действия партнера. При этом, как правило, чувствуют удовлетворение от того, что могут ответить тем же. Если цикл обратной связи предоставлен самому себе при указанных условиях, он может привести к обострению конфликта и вражде между людьми или даже к войне между нациями.

Другим примером усиливающей обратной связи, порождающей полезный цикл изменений, является накопление знаний и обучение. Знания -- объект нематериальный, но и их накопление с последующим применением управляется циклом усиливающей обратной связи. Чем больше мы знаем, тем больше мы способны узнавать, устанавливая связи с тем, что уже знаем. Мы способны как расширять, так и углублять свои знания.

Теперь об отрицательных, или разрушительных циклах. Предположим, утомленный в результате перегрузки менеджер не может полностью сосредоточиться на проекте. Это приводит к возникновению таких проблем, когда работу необходимо переделывать заново, что, в свою очередь, увеличивает перегрузку...

Недостаток времени здесь выступает в качестве цикла усиливающей обратной связи.

Примеры усиливающей обратной связи коллективная солидарность, раковое заболевание, паранойя, звукоусилитель, рост живых клеток, рост населения, банковский счет под годовые проценты, накопление знаний, распространение слухов, уверенность в себе, эпидемия, ядерная реакция, паника, рост коралловых рифов, продвижение по службе.

2. Управление

Понятие об управлении. Основные принципы управления

В окружающем нас мире повсюду протекают различные процессы управления. В частности, человек в своей практической деятельности постоянно использует различные физические явления, законы природы для достижения определенных целей. При этом он в известной мере управляет силами природы, заставляя их работать в необходимом направлении. Особенно ярко это выражается с появлением техники. Человек управляет различными средствами транспорта, машинами в различных отраслях промышленности, химическими реакциями и различными другими процессами. Процессы управления протекают также в других областях деятельности человека. Так, полководец во время войны управляет боевыми действиями состоящих в его распоряжении войск и боевой техники. Процессы управления непрерывно протекают и в живой природе. В результате этих процессов в живом организме поддерживается практически постоянным ритм сердца и дыхания, температура тела и вообще обеспечивается функционирование всех органов и жизнедеятельность всего организма.

Управление представляет собой такую организацию того или иного процесса, которая обеспечивает достижение определенных целей.

Бурное развитие автоматики, электроники и вычислительной техники в послевоенный период привело к внедрению автоматики буквально во все области деятельности человека. Автоматика и автоматизация становятся главным направлением развития всей техники. Совершается переход от автоматизации отдельных простейших производственных операций к комплексной автоматизации средств производства и производственных процессов. Появляются различные автоматические производственные линии и даже целые автоматические заводы. Решающую роль в развитии автоматики сыграло появление математических машин. Если в прошлом машины предназначались для освобождения человека от тяжелого физического труда, то сейчас наступила эпоха создания машин принципиально нового типа, выполняющих некоторые функции человеческого мозга, в частности осуществляющих управление различными сложными процессами. Роль человека при этом сводится к организации работы автоматических систем и средств вычислительной техники, такому их проектированию, соединению и использованию, которое обеспечивает получение необходимых результатов с наименьшими затратами. Для этого необходима наука о процессах управления и их общих закономерностях, т. е. теория управления.

Чтобы понять основные принципы управления, рассмотрим, например, процесс управления автомобилем. Сидя за рулем, водитель видит перед собой дорогу и находящиеся на ней предметы, наблюдает, куда идет машина, и на основании этого принимает решение, надо ли изменить направление движения машины и если надо, то куда и насколько следует повернуть руль. Анализируя этот процесс, мы видим в нем следующие основные элементы. Во-первых, получение информации о направлении, в котором должна идти машина, т. е. информации о задаче управления. Эту информацию водитель получает при помощи зрения. Во-вторых, получение информации о результатах управления. Водителю недостаточно видеть перед собой дорогу, он должен видеть, куда идет машина. Эту информацию он также получает с помощью зрения. В-третьих, анализ полученной информации и принятие на основе этого анализа решения о необходимых управляющих действиях. Наконец, в-четвертых, исполнение принятого решения. Эти четыре элемента составляют основу всякого управления. Если исключить хотя бы один из них, то управление автомобилем станет невозможным. Например, если завязать водителю глаза или вывести из строя его мозг или руки, то управление станет невозможным.

Рассмотренный пример показывает, что в общем случае процесс управления состоит из следующих четырех элементов: получение информации о задачах управления, получение информации о результатах управления, т. е. о поведении объекта управления, анализ полученной информации и выработка решения и исполнение решения, т. е. осуществление управляющих действий. В соответствии с этим для организации процесса управления необходимо иметь источники информации о задачах управления и результатах управления, устройства для анализа получаемой информации и выработки решения и исполнительные устройства, осуществляющие, управление объектом.

Из приведенного анализа процесса управления следует, что в организации процесса управления большую, а во многих случаях и решающую роль играет получение информации о результатах управления. При наличии этой информации решение об управляющих действиях существенно зависит от результатов управления. Иными словами, первичный элемент -- управляющее действие -- зависит от вторичного элемента -- вызываемого управляющим действием поведения объекта управления. Получается как бы замкнутый круг: причина, вызывающая изменение состояния объекта управления, ставится в зависимость от того, какой результат она вызывает. Такая связь причины и следствия называется обратной связью. Принцип управления с использованием информации о результатах управления называется принципом обратной связи.

Т. о., кардинальным в процессах управления является принцип обратной связи. Сущность его заключается в том, что для достижения цели управления, поставленной перед процессом, объектом или системой, необходимо не только формирование управляющих воздействий, но и получение достоверной информации о протекании процесса на выходе САУ.

Принцип обратной связи лежит в основе подавляющего большинства процессов управления. В частности, принцип обратной связи лежит в основе почти всей деятельности человека. Так, например, если человек протягивает руку, чтобы взять какой-либо предмет, то он смотрит на предмет и подсознательно непрерывно управляет движением руки, исправляя ошибки направления движения руки к предмету. Чтобы убедиться в этом, достаточно исключить получение информации о результатах управления, завязав человеку глаза, и наблюдать движение его руки при попытке взять предмет.

Однако в некоторых отдельных случаях принцип обратной связи использовать не удается из-за практической невозможности получить информацию о результатах управления. В таких случаях управление сложными процессами становится невозможным. Например, управление автомобилем при отсутствии - информации о том, куда он движется, совершенно невозможно. Однако в некоторых случаях закон изменения состояния объекта управления во времени заранее известен и практически не зависит от результатов управления, а зависит только от управляющих действий. Так, например, при автоматическом управлении токарным станком, изготовляющим детали одного определенного образца, чрезвычайно трудно организовать измерение деталей в процессе обточки, т. е. получение информации о результатах управления. Вследствие этого практически невозможно управлять движением резца с учетом результатов этого управления, т. е. с использованием принципа обратной связи. Однако закон изменения положения резца во времени в процессе обработки различных деталей весьма мало зависит от разброса параметров отдельных заготовок и является практически одним и тем же для всех деталей. Поэтому в данном случае можно задать положение резца как определенную функцию времени и осуществить автоматическое перемещение его по этому закону.

Управление, обеспечивающее заданный закон изменения состояния объекта управления во времени, независимо от результатов управления, называется программным управлением или управлением по разомкнутому циклу. Закон изменения состояния объекта управления во времени при этом называется программой управления. В отличие от управления по разомкнутому циклу, управление с использованием принципа обратной связи называется часто управлением по замкнутому циклу. Область применения программного управления в чистом виде ограничена в основном промышленными автоматами (автоматическими станками). Значительно более широкое распространение нашло такое программное управление, при котором сама программа изменения состояния объекта управления осуществляется с помощью обратной связи. В таких случаях программа управления служит информацией о задачах управления, а состояние объекта управления определяется с помощью измерителей, которые дают информацию о результатах управления и тем самым осуществляют обратную связь. В подобных случаях управление по существу не является программным, а представляет собой управление с обратной связью. Так, например, при управлении ракетой сразу после пуска часто задается определенная программа изменения угла наклона ее продольной оси к горизонту с течением времени. Истинный угол наклона оси ракеты к горизонту измеряется и сравнивается с программным, и на основе этого сравнения вырабатывается сигнал управления. Таким образом, принцип обратной связи является основным принципом управления.

Совокупность всех устройств, обеспечивающих управление каким-либо объектом, называется системой управления. Изложенное показывает, что всякая система управления должна содержать источники информации о задачах управления и результатах управления, устройства, анализирующие информацию и вырабатывающие решение об управляющих действиях, и исполнительные устройства. Некоторыми из этих элементов или всеми сразу, может, в частности, служить человек. Например, водитель автомобиля выполняет сразу функции всех перечисленных элементов. В таких случаях система управления включает человека и не является автоматической.

Если функции всех элементов системы управления выполняются различными устройствами без непосредственного участия человека, то система управления называется автоматической. Примерами автоматических систем управления могут служить автопилот, управляющий полетом самолета, система самонаведения ракеты, следящая система, обеспечивающая автоматическое сопровождение самолета лучом радиолокатора, устройства управления процессом вычислений в электронной цифровой машине и т. д.

В некоторых случаях сложный процесс управления осуществляется человеком или даже группой людей с помощью различных автоматических устройств, выполняющих отдельные операции, необходимые для управления. Такая система управления называется автоматизированной. Примером автоматизированной системы управления может служить система управления войсками, содержащая устройства и вычислительные машины, осуществляющие автоматический сбор и обработку информации, и вырабатывающие различные варианты решений и их сравнительные характеристики. система мышления суждение обратная связь

При изучении процесса управления приходится рассматривать совместную работу объекта управления и системы управления и их взаимодействие. Только при этом условии можно изучить процессы управления, основанные на принципе обратной связи. Объект управления вместе с системой управления представляет собой сложную динамическую систему, которую мы будем называть в дальнейшем для краткости автоматической системой.

В некоторых случаях задачей управления является обеспечение постоянства некоторой физической величины. Такой частный вид управления обычно называется регулированием. Автоматическая система управления, обеспечивающая регулирование значения какой-либо физической величины, называется регулятором. Автоматическая система, состоящая из регулируемого объекта и регулятора, называется системой автоматического регулирования. Процессы автоматического регулирования широко распространены в живой природе. Примерами могут служить регулирование ритма сердца, регулирование ритма дыхания, регулирование температуры тела и т.д.

Простейшие автоматические системы управления, а именно системы автоматического регулирования, появились очень давно, по существу вместе с первыми машинами. Первые же попытки создания машин показали, что никакая машина не может нормально функционировать без соответствующих регуляторов. Так, например, для нормального функционирования паровой машины оказалось необходимым поддерживать постоянное давление пара в паровом котле и постоянную скорость вращения махового колеса.

В качестве примера простейшего регулятора на рисунке приведен схематический чертеж центробежного регулятора скорости вращения махового колеса паровой машины, который был изобретен в 1784 г. Джемсом Уаттом. Этот регулятор состоит из двух грузов 2, подвешенных на шарнирах вдоль оси вертикального вала 1. Рычаги грузов связаны с муфтой 3, которая может перемещаться вдоль вала 1. Муфта 3 в свою очередь связана рычагом с заслонкой (дросселем) 4, положение которой определяет сечение отверстия, через которое пар поступает из котла в цилиндр паровой машины. При определенной угловой скорости вала 1 грузы 2, муфта 3 и заслонка 4 находятся в определенном положении. Конструкция рычагов и заслонки выбирается таким образом, чтобы при нужной угловой скорости сечение отверстия для прохода пара было таким, чтобы машина вращала вал именно с этой скоростью. Тогда, если скорость вращения вала 1 превысит заданную величину, то центробежная сила грузов увеличится, вследствие чего грузы поднимутся и переместят муфту 3 заслонку 4. При этом подача пара в машину уменьшится, что вызовет уменьшение угловой скорости вала 1, т. е. приближение ее к заданному значению. Если угловая скорость вала станет меньше заданного значения, то грузы опустятся и переместят заслонку вверх, вследствие чего подача пара в машину увеличится. В этом простейшем регуляторе грузы являются и измерителем отклонения угловой скорости от заданного значения, и исполнительными устройствами, осуществляющими управление заслонкой, а устройства для анализа информации полностью отсутствуют.

Простейшие регуляторы обеспечивают функционирование машин, управляемых человеком, и на протяжении многих десятилетий были достаточны. И лишь с развитием физики и особенно электроники, с развертыванием производства электронных приборов, с появлением быстродействующих математических машин, могущих в течение коротких интервалов времени выполнять сложные математические и логические операции, стало возможным создание сложных систем управления, осуществляющих управление сложными процессами и одновременное управление большим числом объектов.

Соответственно развитию техники и ее возможностей развивалась и теория автоматического управления. Вначале, когда существовали лишь простейшие регуляторы, теория автоматического регулирования была по существу лишь собранием примеров применения методов теории дифференциальных уравнений. Затем стали создаваться специальные методы исследования систем автоматического регулирования, поведение которых описывается дифференциальными уравнениями, и теория автоматического регулирования стала специальной отраслью прикладной теории дифференциальных уравнений. В послевоенный период теория автоматического управления стала бурно развиваться. Новые технические средства, новые задачи управления потребовали новых научных методов, привлечения различных существующих математических методов и разработки новых. В результате сейчас теория автоматического управления развилась в самостоятельную прикладную техническую науку, располагающую своими специфическими эффективными методами исследования автоматических систем, их расчета и проектирования.

Однако как техника, так и теория автоматического управления находится в настоящее время в состоянии интенсивного развития. Поэтому мы сейчас умеем решать пока еще далеко не все задачи теории автоматического управления, которые выдвигает практика и решение которых необходимо для дальнейшего развития автоматики, для создания новых, все более и более сложных автоматических систем управления. В частности, в настоящее время пока еще не разработаны методы исследования процессов управления одновременно большим числом объектов, обладающих известной самостоятельностью действий и свободой поведения. Поэтому мы можем изложить здесь лишь общие методы расчета и исследования автоматических систем и их составных частей и общие принципы решения задач управления.

Размещено на Allbest.ru