Кибернетическая модель системы управления

Характерной чертой кибернетики является совместное изучение процессов управления в технических устройствах и в живых организмах. Что же дает основание сравнивать процессы управления в столь отличающихся качественно друг от друга системах? Их организация.

Чтобы установить наличие организационных аналогий, рассмотрим несколько общих блок-схем управления, относящихся к различным системам.

На рисунке 6.2 представлена схема управления каким-либо объектом (станком, цехом, заводом), осуществляемого человеком. На рисунке 6.3 представлена схема автоматического управления объектом. Схема, как видно, внешне

не отличается от предшествующей, однако процесс управления осуществляется без участия человека. Блок-схема рефлекторной дуги в живом организме представлена на рис. 6.4.

Сравнивая рассмотренные блок-схемы управления, относящиеся к неавтоматическому управлению, автоматическому управлению в технических устройствах и управлению в живых организмах, можно прийти к выводу о существенном структурном сходстве этих схем и о соответствии отношений между аналогичными элементами в различных схемах.

В системе управления всегда можно выделить, как минимум, две подсистемы: управляющую и управляемую (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Кибернетическая модель системы управления

Управляемая система испытывает воздействие со стороны внешней среды – полезный сигнал на входе, на который накладываются помехи (возмущения). Через выход объект воздействует на внешнюю среду, причем выходные данные характеризуют поведение, режим функционирования управляемой системы. Кроме того, в кибернетической системе управления выделяются следующие информационные потоки, относящиеся непосредственно к управлению объектом: информация о внешнем воздействии на управляемый объект, в том числе о помехах, возмущениях; информация о состоянии выхода, о текущем поведении системы; управленческое воздействие на управляемый объект; задающее воздействие (задание), определяющее требуемый режим функционирования системы. Блок контроля сравнивает заданные параметры управления с фактическими.

Не во всех системах управления явно представлен полный комплекс связей. В зависимости от наличия тех или иных связей различаются два типа систем управления – разомкнутые и замкнутые. В разомкнутых системах управления та или иная связь отсутствует.

В замкнутых системах управления наряду с задающим воздействием управляющая система получает информацию о состоянии выхода, которая называется обратной связью. Выход управляемой системы, обратная связь и управленческое воздействие образуют при движении по направлению стрелок замкнутый контур, отсюда и название этого типа систем управления. При этом различают положительную и отрицательную обратную связь. При Отрицательной обратной связи часть выходного сигнала подается на вход системы так, что отношение полученного выходного сигнала к входному сигналу составляет величину, меньшую единицы. Естественные механизмы отрицательной обратной связи чрезвычайно эффективно действуют в живых организмах, обеспечивая постоянство температуры тела, состава крови, частоты дыхания и сердцебиения и другие важнейшие биологические константы. Таким образом, отрицательная обратная связь является механизмом автокоррекции системы.

При положительной обратной связи отношение выходного сигнала к входному есть величина, большая единицы. Положительная обратная связь используется в технических устройствах для увеличения их коэффициента передачи, однако в ряде случаев она может явиться и причиной неустойчивости системы. Положительная обратная связь может эффективно применяться в производственных процессах, например, для обеспечения саморазвития системы.

Замкнутые системы управления имеют важные преимущества перед разомкнутыми. Во-первых, в системах с обратной связью может компенсироваться влияние любых помех, в том числе и ранее неизвестных. Во-вторых, замкнутая система учитывает те изменения (часто тоже неожиданные), которые со временем происходят во внутренних характеристиках самого объекта управления. В сложных и сверхсложных вероятностных системах с присущим им многообразием внешних и внутренних возмущений нельзя обеспечить эффективное управление при отсутствии в контурах управления обратных связей. Только замкнутые системы способны достигать сколь угодно высокой точности управления.

В целом можно определить, что организация управления – это создание, образование системы управления или внесение прогрессивных изменений в построение и порядок функционирования ранее образованной действующей системы управления. При этом организация выступает и как исходная предпосылка, и как результат управления. С одной стороны, управляющее воздействие в сложных иерархически построенных системах может иметь организованный характер, в случае если оно направлено на создание какой-либо новой подсистемы, на изменение строения или функционирования нижестоящих управляющих звеньев. С другой стороны, процесс управления, возникающий уже на этом уровне, протекает в рамках определенной организации. Поэтому ни одна из категорий – «организация» или «управление» – не является первичной по отношению к другой, а обе они взаимодополняют друг друга.