книги из ГПНТБ / Теплов Л. Очерки о кибернетике

ценную химическую энергию в тепло, уже неспособное к дальнейшим^ превращениям. Пламя увеличивает энтропию системы «воздух — стеа­ рин», но его собственная энтропия не увеличивается и не уменьшается: при случайном уменьшении или увеличении энтропия возвращается к прежнему значению. Пламя само собой управляет. И все это происхо­ дит потому, что в течение процесса властно вмешиваются обратные за­ висимости двух различных направлений.

Обратные воздействия, однако, не раскрывают всех своих возмож­ ностей в пламени, и мы рассмотрим еще один пример.

Представим себе идеализированную реку, вода которой испаряется только в низовьях, а выпадает в виде дождя — у истоков. Течение ее не зависит от атмосферных условий.

Конечно, жара и ветер способствуют испарению воды из реки, но чем больше испарение, тем выше влажность воздуха, тем чаще и обиль­ нее выпадают дожди у истоков реки, которые увеличивают приток воды и возмещают потери от испарения. В других условиях эта же идеализи­ рованная река может войти в состояние периодических колебаний. Дей­ ствительно, представим себе, что в силу каких-то внутренних причин в один из дней испарение превысило обычную норму. Вследствие этого река навсегда собьется с равновесия. Усиленное испарение породит мо­ гучую тучу; туча, дойдя до истоков, разразится обильным дождем, кото­ рый создаст ненормальную прибыль воды, волной катящуюся к устью. Эта усиленная прибыль вызовет разлив, испарение повысится уже зако­ номерно, новая туча поплывет к истокам...

Система «река — туча» будет действовать так же, если в ее поведе­ ние вмешаются посторонние факторы. Если из соседнего бассейна поры­ вы ветра пригонят, скажем, три «чужие» тучи — две большие и одну ма­ ленькую, то все нарушения равновесия повторятся, с той разницей, что

59

*

в последовательности волн и разливов навсегда будет закреплен резуль­ тат некогда происшедшего вмешательства посторонних сил. Иначе гово­ ря, обратное воздействие может явиться условием па мят и , способности неопределенно долго сохранять отпечаток внешних влияний, если оно запаздывает, задерживается и не сразу влияет на течение процесса.

Таким образом, одно и то же сравнительно простое качество явле­ ния — наличие обратных воздействий — может явиться не только при­ чиной усиления, ослабления и устойчивости, но также причиной возник­ новения самопроизвольных изменений (колебаний), отражения внешних событий и даже известной самостоятельности в энергетическом отноше­ нии. Конечно, река течет потому, что светит солнце и испаряет воду. Но вот наступает ночь, солнце уходит на другую сторону земного шара, а река течет! Испарение продолжается и ночью, так как воздух нагрет, но оно, несомненно, сокращается, а на течении реки это не сказывается. Река—это такая большая вещь, что она не успевает вытечь вся, даже если

вбассейне реки давно не было дождя. Всякое изменение запаздывает

вней, а поэтому скрадывается или проявляется совсем не тогда, когда оно повлияло на ход события. Системы с обратными зависимостями бы­

вают двух видов: в первых — типа пламени — обратные зависимости проявляются без запаздывания, а во вторых—типа реки — они могут существенно опаздывать, и качества, накопленные в них, могут прояв­ ляться не сразу, а по истечении некоторого времени.

Какое из качеств проявится в данной системе с обратной связью, подчас трудно предвидеть. Нередко наблюдаются сочетания результатов

60

«обратного воздействия; чаще всего это сочетание усиления или затуха­ ния с пульсированием.

Обратные воздействия являются источником автоматизма уже в не­ которых явлениях неживой природы, но особенно ярко они раскрывают ■свои возможности в живых существах и в искусственных автоматах — машинах.

Возьмем, например, кусок металла урана-235. Как только масса этого куска будет равна килограмму, сейчас же в нем возникнет поло­ жительная обратная зависимость: раскололось какое-нибудь атомное ядро, выделились нейтроны, раскололи другие ядра, от этого появилось еще больше нейтронов, и... вырос гигантский гриб, несущий смерть и разрушение, взорвалась атомная бомба. Нельзя ли овладеть реакцией, приручить ее, получив атомное пламя, подобное пламени свечи? Что для этого нужно? Только такая обратная связь, которая поддерживала бы равновесие между количеством вновь образующихся нейтронов и ко­ личеством нейтронов, которые улетают за пределы куска урана, теряют­ ся и не могут больше раскалывать атомные ядра.

Иначе говоря, в атомном реакторе нужно искусственно воссоздать те зависимости, которые в пламени свечи создаются сами, как только мы выберем для свечи подходящий материал — стеарин — и приемлемую форму. Для этого куски урана распределяют в графитовой кладке, за­ медляющей движение нейтронов, а также закладывают туда стержни из металла кадмия, которые можно вдвигать и выдвигать. Кадмий погло­ щает нейтроны; если стержни вдвинуть полностью—'реакция затухнет, если вынуть — последует взрыв. Движение стержней управляет реак­ цией. Чтобы осуществить отрицательную обратную связь, мы с помощью приборов измеряем уровень нейтронного излучения и сообщаем его де­ журному, который сидит у ручек управления, двигающих стержни. Обратная связь, а с ней и все управление замыкается с помощью послед­ него элемента обратной связи — инструкции. Дежурному говорят: «Если

усилителя он соединяет стрелку с ручкой и уходит. Обратная связь за­ мыкается через приборы, но функция ее остается та же, что и в пламени свечи: она должна поддерживать упорядоченный процесс, несмотря на хаос случайных причин, способных при отсутствии управления нарушить этот порядок.

Перед нами образец системы автоматического регулирования, полу­ чившей сейчас широкое распространение в самых разных областях тех­ ники.

Связи управления, предназначенные для защиты машин от вредного воздействия внешних условий, для повышения устойчивости их работы.

61

также складывались постепенно и вначале были замкнуты только через людей, через их глаза, уши, мозг, руки.

Многие думают, что движущийся велосипед устойчив в результате действия «сил инерции». На самом деле его удерживает от падения об­ ратная связь, проходящая через велосипедиста к рулю велосипеда, а движение велосипеда только снабжает эту связь усилением. Когда проек­ ция центра тяжести выходит за пределы узкой полоски опоры, находя­ щейся между колесами, и машина начинает падать, велосипедист, чув­ ствуя это, легким движением руля направляет велосипед в сторону убе­ жавшей проекции. Силы инерции переносят машину к ней, и положениеустойчивости восстанавливается.

По мере того как росли размеры и сложность машин, человек стре­ мился обеспечить себе наибольшее удобство управления; он тянул все управляющие связи к рабочему месту для того, чтобы не бегать вокруг машины, не лазить поминутно внутрь ее, рискуя получить увечье. Это были связи двух типов: во-первых, командные связи, устройства телеме­ ханики, телеуправления и, во-вторых, контрольные связи, устройства телеизмерения, передачи сообщений на расстоянии.

62

освещения, от усилителя, поворачивающего передние колеса, и от короб­ ки перемены передач — сложного усилителя, позволяющего менять тяго­ вое усилие в зависимости от условий работы. В одних случаях это про­ стые рычаги, связанные между собой длинными стержнями и тросами, в других — электрические провода, которые соединяют датчики команд (кнопки и рычажки управления) с эффекторами — электромагнитными устройствами, исполняющими команды.

Вторая группа связей тянется к приборной доске, помещенной перед глазами водителя. От поплавка, расположенного в баке с горючим, сиг­ налы идут к указателю расхода бензина; от выхода коробки перемены передач — к указателю скорости (спидометру). Другие приборы для контроля на расстоянии позволяют водителю узнавать температуру во­ ды, охлаждающей цилиндры, расход и температуру масла, смазываю­ щего трущиеся части, силу тока в цепях управления, зажигания и осве­ тительной сети.

Всякий опытный водитель время от времени по показаниям прибо­ ров проверяет правильность программы, задаваемой им машине, одно­ временно обращая главное внимание на внешнюю обстановку, склады­ вающуюся на трассе движения, и руководствуясь общими программны­ ми заданиями: куда ехать, зачем, как спешно. Собственная сигнальная система шофера является продолжением разомкнутой, разорванной на части сигнальной системы машины и замыкает эту систему. Замыкание осложнено рядом преобразований физического вида и последовательно­ сти сигналов, в которых участвуют стрелки и циферблаты, зрение и слух, нервы и мышцы конечностей, всевозможные рукоятки, педали и кнопки Нет ничего невероятного в том, что техника со временем научится обхо­ диться без этих преобразований, направляя сигналы от датчиков прямо в мозг, а команды из мозга — прямо к исполнительным органам маши­ ны. Тогда водитель будет ощущать недостаток бензина в баках, как осо-

Пути команд и сообщений в автомобиле сведены к рабочему месту водителя

63

бенный голод, а повороты и изменения скорости-машины будут зависеть не от движения его рук и ног, а только от воли, от таких же безотчетных сигналов, какими определяется движение тела человека. В дальнейшем, знакомясь с достижениями электроники, мы увидим, что первые и очень важные шаги в этом направлении уже сделаны советскими инженерами.

Однако многие преобразования сигналов настолько просты, что уже сейчас для их осуществления нужно не сложнейшее создание природы — мозг, а небольшой прибор — преобразователь, который может замкнуть связь управления в самой машине. Тогда мы получаем р е ф л е к т о р ­ ный а в т о м а т .

В машине главная задача рефлекторных связей заключается в том, чтобы поддерживать постоянство рабочего процесса при случайных изме­ нениях внешних условий, защищать его от помех.

Подаваемое в машину сырье всегда немного непостоянно по своим качествам (металлическая заготовка, например, может быть различной твердости, вязкости, ее размеры колеблются в известных пределах тех­ нологических допусков и т. д.). Поэтому в машине необходимо создать связи, регулирующие усилия обработки в зависимости от изменения ка­ чества материала. Изменяется также температура цеха, частей машины и инструмента, давление в пневматической или гидравлической системе, напряжение и сила электрического тока, питающего двигатель. Любое отступление режима работы от нормального можно выправить настрой­ кой соответствующих органов регулирования. Это и выполняет незави­ симо от человека рефлекторная связь, облегчая труд и повышая каче­

64

водоподающей трубы так, что если поплавок опускался ниже задан­ ного уровня, то кран открывался, а если поднимался выше, то кран за­ крывался.

Полностью значение обратной связи было оценено по-настоящему при создании универсальных двигателей — парового, внутреннего сгора­ ния и электрического (постоянного тока).

Рассказывают, что некоему мальчику, Гемфри Поттеру, впервые при­ шла мысль об использовании обратных связей для управления водой и па­ ром, когда он был приставлен переключать краны на машине Ньюкоме­ на. Эта машина приводила в движение насос при помощи цилиндра с поршнем. Поршень поднимался вверх силой нагретого пара, подающе­ гося из котла, затем под поршень впрыскивали холодную воду, пар кон­ денсировался, и сила атмосферного давления опускала поршень. Заме­ тив, что такт переключений совпадает с движениями самой машины, Поттер соединил краны с коромыслом машины, и она стала переклю­ чать себя сама.

Впоследствии, когда был изобретен двигатель внутреннего сгора­ ния, число таких связей умножилось: не только клапаны питания горю­ чей смесью и отвода отработанных газов, но и приборы, зажигающие смесь электрической искрой, регулируются от кулачков вала, приводи­ мого в движение самими вспышками. Точно также в электрическом дви­ гателе постоянного тока притяжение ротора обмотками статора стало воз­ можно превращать в непрерывное вращение только потому, что укреп­ ленный на оси ротора коллектор в соответствующие моменты переклю­ чал ток. Существование ряда уни­ версальных двигателей, впервые кардинально решивших проблему привода искусственных автоматов, оказалось возможным благодаря об­ ратной связи.

Свойства обратной связи впер­ вые были исследованы в 1657 г. Хри­ стианом Гюйгенсом (1629—1695) на примере часов с маятником, хотя сам термин возник значительно поз­ же: он встречается только в 1906 г. в исследовании Е. Румера, посвя­ щенном электрическим колебатель­ ным контурам. К настоящему вре­ мени потребности техники вызвали обширные математические исследо­ вания по теории обратных связей (теории автоматического регулиро­

вания). Больших успехов в этой области достигли английский физик Д. К. Максвелл, русские ученые И. А. Вышнеградский и А. М. Ляпунов, советский академик А. А. Андронов.

Для случаев, которые описываются линейными дифференциальны­ ми уравнениями, теория дает возможность рассчитать действие обрат­ ных связей, но многие другие важные случаи математическому анализу пока не поддаются. Между тем анализ бывает очень нужен, так как даже при небольшой перемене в соотношении частей системы автоматического регулирования характер ее поведения резко изменяется: какая-нибудь связь, следящая за плавностью и постоянством работы, вдруг начинает самовозбуждаться, трястись и буквально разносить на куски машинул вверенную ее попечению.

Обратные связи, как и вообще связи управления, несущие сигналы, обладают поистине замечательным качеством: они способны сочетаться в сложные комбинации, где одна связь управляет другой и меняет ее свойства. Нечто похожее мы наблюдаем в органической химии: здесь два элемента — водород и углерод образуют усложняющиеся вещества, начиная с болотного газа метана и кончая высокомолекулярными сое­ динениями живой природы — жирами, углеводами, белками и нуклеи­ новыми кислотами.

Паровая машина, например, имеет обратную связь от вала махови­ ка на золотник, открывающий и закрывающий окна, через которые в ци­ линдр входит пар. Если машина по каким-нибудь причинам начинает работать быстрее, то окна открываются на более короткое время, пара входит меньше, и работа замедляется: обратная связь действует отри­ цательно.

Но практика показала, что свойства этой связи неустойчивы, и Джемс Уатт дополнил систему автоматического управления паровой ма­ шины второй обратной связью — центробежным регулятором. В этом регуляторе вращаются массивные шары, которые расходятся при увели­ чении скорости, натягивают тросик и прикрывают заслонку в паропро­ воде— усилитель обратного воздействия. Вторая обратная связь как бы изменяет свойства или н а с т р о й к у первой связи в сторону большей устойчивости к случайным изменениям режима.

Рассматривая программное управление, мы для простоты предпо­ лагали, что там осуществляется непосредственное воздействие програм­ мы на работу — на движение фрезы, сверла, челнока ткацкой машины. Но обычно между программой и рабочим процессом ставят одну или не­ сколько обратных связей, контролирующих правильность выполнения программы. Программа меняет, собственно, не ход процесса, а настрой­ ку обратной связи, и возникает так называемая с л е д я щ а я си­

ст е м а .

Вотличие от обычного автоматического регулятора, обеспечиваю­

щего устойчивость системы около заданного состояния, следящая систе­ ма представляет собой регулятор с меняющейся настройкой, изменение которой задается программным устройством, или вручную, или от дру-

66

Регулирующие обратные связи с участием людей и без них могут пои-

2 ИНЯТЬСЯ одна к ДРУГОЙ. На корабле первая связь идет через следя­ щую систему рулевой машины, вторая — через рулевого и компас, тре­

тья — через капитана.

5»

гих обратных связей. Получается усилитель, устойчивый по отношению к внешним воздействиям.

Рулевая машина корабля — это следящая система, где поворот штурвала изменяет настройку и поэтому оказывает решающее воздей­ ствие на положение руля и всего корабля, а поворот руля от удара вол­ ны представляет собой помеху и ликвидируется контролем со стороны обратных связей. Причина — поворот — одинакова, но структура систе­ мы такова, что в одних случаях эта причина гаснет, не давая следствий, а в других усиливается, давая следствия, несоразмерно большие: вся тысячетонная махина меняет курс от того, что рулевой чуть повернул'штурвал. Но если волна чуть повернет руль, курс судна'- не изменится.

Откуда берется программа или ручная настройка следящей систе­ мы? Если рулевой знает истинный курс, он вращает штурвал, руковод­ ствуясь отклонениями стрелки компаса. Но стрелка компаса отклоняет­ ся, когда корабль меняет направление: значит, и здесь существует обрат­ ное воздействие. Курс рулевому задает капитан или штурман, который вычисляет его по картам, а перемены курса в открытом море зависят обычно от того, что судно сносит течениями в сторону и оно должно вер­ нуться к истинному направлению, взятому по выходе из порта. Это еще одна отрицательная обратная связь.

Программа следящей системы по существу представляет собой за­ держку в системе обратных связей. Действительно, ведь программа це­ лесообразна, имеет ценность только потому, что она не случайна. Когда мы наблюдаем, как специалист-птицевод составляет программу для при­ бора, регулирующего температуру в инкубаторе, где выводятся цыпля­ та, нам кажется, что программа создается в мозгу птицевода. Но ведь каждый из нас'обладает таким же мозгом, как мозг этого специалиста, а у нас почему-то правильная программа не рождается и, как мы дога­ дываемся, родиться не может. Для ее составления нужны сведения, ко­ торые как раз дополняют разорванную цепь управления до полного за­ мыкания, ибо сведения, даже черпаемые из книг по птицеводству, при­ шли все-таки из инкубатора: книги тоже являются своеобразными за­ держками сигналов, идущих от объекта управления.

Действительно, задержку любой длительности можно устроить, разо­ рвав обратную связь и поставив на одном конце разрыва обыкновен­ ный самопишущий прибор, а на другом — прибор, который, спустя неко­ торое время, прочитывает график и превращает его снова в сигналы. Длина бумажной ленты, соединяющей приборы, и скорость ее движения определят величину задержки, и, по существу, неважно, будет ли на лен­ те график, цифры или буквы, как в книге.

Было бы очень полезно создать такую систему обратных связей, ко­ торую .можно подключать к инкубатору, чтобы он сам, без всякой инст­ рукции «ли подсказки, выводил цыплят наилучшим образом. К этой системе можно подвести множество каналов связи, идущих от инкубато­ ра и к его органам управления. И все же, раз система сама цыплятами

68