книги из ГПНТБ / Теплов Л. Очерки о кибернетике

обходимо выполнить пять операций: открыть доступ воды в сосуд, уве­ личить его емкость, закрыть сообщение воды с сосудом, открыть выход­ ное отверстие, уменьшить емкость сосуда. Ктезибий так расположил кла­ паны, что они сами открывались и закрывались в нужный мрмент; дей­ ствия человека сводились к сообщению возвратно-поступательных дви­ жений рукоятке, т. е. человек выполнял лишь функции двигателя и при­ вода, но не управляющей системы.

В насосе управляющая система не выделена, выполнение про­ граммы обеспечивается всем его устройством, всей конструкцией.

ские язычки. Открывая крышку, мы заводим пружину и тем самым при­ водим барабан в движение; звуки извлекаются в последовательности, определяемой расположением выступов. Одновременно та же пружина через специальный механизм может заставлять кукол танцевать в такт музыке.

ной детали, программа может быть заменена другой, для чего нужносменить лишь эту деталь. Если силовое действие команд сведено к ми­ нимуму, а программа выполнена удобно для быстрой смены, можно го­ ворить уже о «памяти» машины, конечно, памяти пассивной (в приве­ денных примерах— механической), заполняемой программами извне.

Возможность создавать механические автоматы со сложной про­ граммой, воспроизводящие поведение животных и людей, увлекала механиков древности и их богатых заказчиков. Когда испанские завое­ ватели — конквистадоры в начале XVI века накинулись на древнее го­ сударство ацтеков в Америке, они обнаружили в дворцах властителей золотых попугаев и обезьян с программными устройствами. Попуга» двигали головой и крыльями, обезьяны пряли, ловко орудуя веретеном,

иели яблоки.

Вантичную эпоху существовали театры механических кукол, кото­

рые позже стали традиционной частью великолепных часовых механиз­ мов. В XVIII веке увлечение самодвижущимися куклами дало первыепрактические результаты.

Французские механики-автоматчики Вокансон и Жаккар исполь­

батывать только один, свойственный данной конструкции узор тканиг этот узор быстро надоедает. Смена листов картона равносильна заменеодного жестко программированного станка другим, новой конструк­ ции.

Таким образом, машина уже перестает быть простым усилителем или преобразователем движения: в ней заключается как бы целаяколлекция довольно разнообразных преобразователей, и машина лег­ ко меняет свои свойства, повинуясь смене программ. Ее конструкция уже не определяет точно характера работы.

Можно ли сказать, что конструктор жаккардова станка, проекти­ руя его, предусмотрел все варианты рисунков ткани, которые появятся

50

Конквистадоры были потрясены, увидев в дворцах Теночтитлана механи­ ческих обезьян и попугаев.

впоследствии и будут вырабатываться на этом станке? Конечно, нет. Конструкция накладывает лишь некоторые ограничения на характер рисунков, но не может определить их все.

Все патефоны устроены одинаково, а поют разные песни. Машина, изготовляющая ложки, вообще говоря, может делать и вилки, если сменить две половинки штампа, которыми она орудует.

v Недавно на выставке в Москве был показан копировально-фрезер­ ный станок. На маленький столик, вделанный в него, положили неж­ ную, пышную розу, только что срезанную с куста. Нажали кнопку. Взвыли фрезы, вгрызаясь в стальной слиток — и через час точно та­ кая же по форме роза была вырезана из металла. Стоящий у станка человек нажал другую кнопку— машина остановилась. Двумя нажи­

мами кнопки ограничилось участие человека в этой изумительной работе.

Живая роза, положенная на стол станка, служила как бы про­ граммой для системы усилителей, на вход которой подавались элект­

усилительные связи были механические. Живую розу такие станки скопировать не могли: для них делали деревянные модели, по твердой поверхности которых скользил щуп.

Между моделью для копирования и программой имеется некото­ рое различие. Программа представляет собой математическую модель

ного инженера не представляет ничего особенного, сейчас это сравни­ тельно простое, понятное и осуществимое дело. Но если встать на по­ зицию стороннего наблюдателя, описателя явления, оно способно при­ вести в отчаяние бессилия самый острый ум. Представим себе, что наблюдатель исследует станки со всем их устройством и их продук­ цией. Ясно, что одна и та же причинная связь не может дать столь различные результаты — гайку и болт. Случай тут ничего не объясняет, ибо с одного станка непрерывно и многократно сходят гайки, а с дру­

устройство передач и усилителей, на строение и свойства двигателя, но и на систему, в которой можно предполагать источник разнообразия, — программный узел. И в том и в другом станке между катушками дви­ жется коричневая гибкая ленточка, и даже если нам вздумается ис­ следовать ее магнитные свойства, то и в них мы не заметим суще­ ственного различия: местами лента намагничена сильней, а местами слабей. Кто поверит, что эти ничтожные, еле различимые степени на­ магниченности, какие, безусловно, можно обнаружить и в любом дру­ гом месте станка, становятся решающими для характера изделия?

Можно себе представить, сколько темных рассуждений вызвали бы такие станки у людей, которые не сами их сделали, а получили при раскопках какой-нибудь вымершей цивилизации и смогли включить! Некоторые, возможно, стали бы утверждать, что в тайниках станков уже заложены все гайки и все болты, которые должны появиться, ос­ новав теорию «преформации» гаек и болтов. Другие с позиций «эпи­ генезиса» возражали бы, доказывая, что в станках нет структурных об­ разований, определяющих их продукцию, и вконец запутали бы дело.

Универсальность и неожиданность результатов программирования машин привели к тому, что в эпоху, когда увлечение программными куклами переживало наибольший расцвет, философ и математик Готфрид-Вильгельм Лейбниц (1646—1716) создал целую систему мира, построенную на принципе программного управления. В то время чрез­ вычайно популярны были размышления о связи души с телом, и гол­ ландец Гейлинкс заметил, что они могли бы действовать вполне раз­ дельно и тем не менее согласованно, как два часовых механизма, рабо­ тающих по одной программе. Развивая эту мысль, Лейбниц предполо-

53

жил, что весь мир построен из про­ граммированных элементов — «мо­ над», которые «не имеют окон» и все же образуют гармоничное целое вследствие согласованности про­ грамм.

Программистом всех «монад» Лейбниц считал бога. Даже в мо­ мент появления «монадологии» Лей­ бница мало кто ее понимал, а по­ том наука и вовсе отбросила эту тео­ рию со своей дороги. Однако в наше время среди изобретателей и инже­ неров, а особенно математиков, встречаются своего рода «монадологи», переоценивающие возможно­ сти программного управления, кото­ рое не является ни всеобщим, ни сколько-нибудь полным принципом автоматического управления.

Математики и физики-теорети­ ки при всей их изощренности в сим­ волических операциях час.о бы­ вают безнадежно плохими инжене­ рами. Подобно Дон-Кихотам, они живут не в нашем, живом и доволь­ но сумбурном мире, а в стране ус­ ловностей и идеалов. Один такой теоретик года три назад носился с планом замены людей на производ­ стве автоматическими куклами. Программами для кукол должны были стать записи поведения рабо­ чих соответствующей специально­ сти.

— Представьте себе,— взвол­ нованно говорил он, — что утром, встав с постели, вы надеваете на себя рюкзак с магнитофоном, запи­ сывающим все ваши движения: как

Полностью программи­ рованная машина не способна долго дейст­ вовать целесообразно в нашем изменчивом мире.

54

ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ

основа автоматизма в природе и технике

Всеобщее свойство — «отражение»! & Цепные реакции — взрыв и затуха­ ние. $ Система с регулированием — пламя, регулирование с запаздыва­ нием — река. * Человек как звено регулятора. * Тот же регулятор, но без человека. * Накопление обратных связей. $ Откуда берется программа! * Критерий не спасает от очковтирательства! $ Шум — художник, поэт и му­ зыкант. Взрыв смысла. Н* Появляется высшая математика. * Регулирование

по критерию-экстремуму. # Каким должен быть отбор!

Среди множества воздействий, испытываемых каким-либо телом или процессом со стороны окружающей его среды, одно имеет принципиаль­ ный интерес для науки о самоуправлении — кибернетики. Это отражен­ ное влияние на тело или процесс его собственного действия.

Обычно источник действия не изолирован от окружающей его среды, он не только возмущает ее, но и сам испытывает ее влияние. Изменение же состояния среды, зависящее от действий источника, естественно, при­ водит к изменению самого влияния среды на источник.

Такое воздействие предмета или процесса на самого себя мы назы­

Все процессы и явления природы так или иначе подвержены отра­ женным воздействиям. Но в большинстве случаев, когда отсутствует уси­

56

ление, роль этих воздействий в картине явления бывает столь незначи­ тельной, что их можно не замечать. Так, во всех науках и областях тех­ ники, у всевозможных рассуждений и математических выкладок прихо­ дится отрывать и отбрасывать бесконечно сложные «хвосты» описаний, которые отражают наличие побочных и обратных воздействий, но не определяют общего направления процесса.

Но если имеет место «неистинное усиление», обратные воздействия начинают играть решающую роль. Не учитывая их, нельзя понять суще­ ства процесса.

В замкнутых физических системах обратное воздействие может про­ текать в двух противоположных направлениях.

Как известно, порох — вещество, при горении которого выделяется необходимый для этого кислород. Для всякого горючего вещества спра­ ведливо условие: чем больше кислорода, тем интенсивнее протекает про­ цесс горения. Это прямое воздействие среды на процесс. Но чем интен­ сивнее горит порох, тем больше он выделяет кислорода. Стало быть, на­ растание интенсивности обеспечивается самим процессом горения поро­ ха, и мы наблюдаем обратное положительное воздействие процесса на самого себя, цепную реакцию, взрыв.

Справедливо и другое условие: чем меньше кислорода вокруг, тем слабее процесс горения. Обычное горючее вещество, например уголь, если оно сгорает в закрытом помещении, расходует имеющийся там кис­ лород; из-за этого горение постепенно переходит в тление, и, наконец, процесс прекращается. Что повлияло на изменение интенсивности про­ цесса? Конечно, само течение этого процесса, сопровождающееся обрат­ ным отрицательным воздействием горения на свою интенсивность.

Связь, в которой протекает нарастающий процесс обратного воздей­ ствия, называют положительной, а связь, где процесс затухает, — отри­ цательной обратной связью.

Очевидно, действие положительной обратной связи не может про­ должаться бесконечно: оно приводит к взрыву, разрушению системы. На систему, находящуюся в неустойчивом состоянии, действие отрицатель­ ной связи через некоторое время прекращается, так как система прихо­ дит в устойчивое состояние. Системы, судьба которых зависит от одного из двух основных типов обратного воздействия, являются спусковыми, а следовательно, управляемыми. Обнаружив взрывающийся заряд пороха или затухающий огонь в печке, мы вправе высказать уверенность, что существовал какой-то сигнал, который пришел извне и заставил эти си­ стемы перейти от маловероятного, хотя сравнительно устойчивого со­ стояния, в котором они находились, в другое — более вероятное, более устойчивое. При этом энтропия систем увеличивается. Эти системы замкнуты для вещества и энергии, но еще открыты для управления. Вся­ кая система в каком-то отношении должна быть замкнута, иначе нет оснований рассматривать ее как одну систему.

Иногда обратные воздействия двух противоположных направлений могут действовать совместно или поочередно влиять друг на . друга,

57

^ложительная зависимость, мы вправе ожидать, что температура будет расти по мере того, как начнет окисляться все больше молекул, а их будет окисляться, конечно, больше, так как температура бу­ дет расти. Почему же свечка не взры­ вается? Потому что с увеличением раз­

меров пламени увеличивается потеря теп­ ла. Через некоторое время после того, как свечку зажгут, пламя достигает уров­ ня устойчивости и остается на нем. Если пламя увеличится, отдача тепла возра­ стет так, что температура его середины

упадет ниже уровня, при котором возможно окисление паров стеарина, и пламя будет вынуждено сжаться, уменьшиться: обратное воздействие станет отрицательным. Если оно сожмется, например, от внезапной струи воздуха, отдача тепла резко сократится: создадутся «взрывные» условия, и пламя станет стремиться к разрастанию.

Пламя удивительно похоже на живой организм, потому что оно — явление автоматическое *, и в нем проявляются черты, свойственные всем автоматам. Оно может существовать только при условии обмена веществ и энергии. Оно питается парами стеарина, дышит кислородом и выбра-1

1 М. Нейман. Автоматические процессы и явления. Изд. «Советское радио». 1958.

стр. 135.

58