1837

7. Принцип обратной связи и понятие цели

Познакомившись с некоторыми важнейшими исходными понятиями кибернетики, а также объективной логикой возникновения и деятельности кибернетических систем естественного происхождения, перейдем к анализу трех основных понятий — управления, информации и обратной связи, характеризующих деятельность кибернетических систем. В совокупности с исходным понятием «функциональная система» они, образно говоря, являются теми китами, на которых зиждется все здание теоретической кибернетики. Представляется логически оправданным начать анализ с важнейшего принципа кибернетики — принципа обратной связи, который Н. Винер называл «душой» кибернетики.

7.1.Причина, следствие и обратная связь

Известно, что все в мире находится в универсальной связи и взаимной обусловленности. Любой объект действительности испытывает со стороны ряда окружающих его тел различные воздействия, которые определяются природой и состоянием взаимодействующих объектов. В свою очередь на целый ряд других предметов отражающее тело тоже оказывает действие, которое имеет чаще всего ответный характер.

Так, если объект А воздействует на объект Б, то последний обычно оказывает ответное действие на первый. При непосредственном взаимодействии это наиболее очевидно. Ньютон в свое время сформулировал даже особый закон механики, согласно которому действие равно противодействию (при столкновении двух бильярдных шаров, например).

В подобных случаях мы имеем взаимодействие, взаимоотражение. При этом действие на объект рассматривается как причина, тогда как соответствующие изменения в нем выступают следствием, которое во многом обусловливает в свою

93

очередь ответное действие на вызвавшую его причину. Про-

цесс отражения представляет собой, таким образом, относящуюся к отражаемому объекту сторону внешнего взаимодействия.

Все осложняется, если действие осуществляется через промежуточную среду или промежуточные звенья, т. е. опосредованно, поскольку ответного действия следствия на причину может и не быть: скажем, ответным действием небольшого земного объекта на солнце практически всегда пренебрегают, а в случае реликтового излучения его в принципе быть не может (если отвлечься от факта взаимодействия отражающего с самим излучением)5.

До сих пор мы рассматривали только два взаимодействующих объекта, вырывали причинно-следственную связь из общей сложной цепи зависимостей, что неизбежно и методически вполне оправданно. Теперь посмотрим на все это с несколько иных позиций, расширив сферу взаимодействующих объектов (рис. а).

5 Строго говоря, имеет место ответное действие не следствия на причину, а носителя следствия (объект Б) на носителя причины (объект А), в противном случае нарушится принцип асимметрии причины и следствия во времени. Следствие не может опережать причину. Нельзя, например, полагать, что цель человека регулирует его деятельность как будущее регулируется настоящим хотя бы уже потому, что конечный результат всегда будет отличен от первоначального плана.

94

Каждый объект (Б, например), изменение которого мы расценивали как следствие воздействии какого-либо другого тела А, в свою очередь является причиной изменений в третьем по счету объекте В и т. д. Как уже говорилось, следствие (СЛ) может при этом оказывать ответное действие на вызвавшую его причину (ПР). Однако такое ответное действие еще нельзя назвать обратной связью. Обратная связь (feedback) имеет место только там, где ответное действие объекта В, в качестве которого выступает управляющая система, регулятор, происходит не на непосредственно воздействующий объект Б, а на тот (А), который мог бы явиться непосредственной причиной направленного изменения регулируемого объекта Б. Такие управляющие действия обязательно имеют упорядоченный характер и направлены на достижение какой-то цели или целесообразного эффекта.

Таким образом, не всякое ответное действие предполагает обратную связь, а лишь то, которое осуществляется через ряд промежуточных звеньев, целесообразно дозировано и обязательно предполагает информационный канал, по которому можно было бы на основе получаемой «осведомительной» ин-

95

формации о состоянии управляемого объекта (УО на рис.) посылать корректирующую информацию управления для достижения целесообразного эффекта. Обратная связь предполага-

ет, таким образом, управление, информацию и цель.

Необходимый уровень организации, «память» кибернетической системы позволяют при этом осуществлять своеобразное «предвидение» событий, предполагая такую сложную форму детерминации, когда разные внешние причинные воздействия могут вызвать одно и то же следствие (при гомеостатическом регулировании), а одна и та же причина— различные следствия (в случае управления).

Стало быть, кибернетическая система обладает опре-

деленным выбором поведения, зависимым от ее «памяти» и разнообразия степеней свободы (объект неживой естественной природы не обладает таким разнообразием, или,— что одно и то же,— имеет одну-единственную степень свободы). В ней «закодирована» так называемая целевая установка, некий функциональный инвариант. Вот почему физико-химические закономерности оказываются здесь в «подчиненном» положении, хотя и не нарушаются.

Совершенно очевидно, что необходимость в обратной связи диктуется стохастичностыо окружающей среды: в случае абсолютно полной регламентации протекающих внешних процессов потребность в обратной связи, а стало быть, и в получении осведомительной информации вообще бы отсутствовала. Вместе с тем принцип обратной связи является необходимым условием научения, а также развития и эволюции кибернетических систем естественного происхождения, их самоорганизации.

При выяснении структуры системы управления (рис. 10, б) мы сталкиваемся с трудностью определения прямой и обратной связи. Если считать канал связи управляющей системы (УС) с управляемым объектом (УО) прямым, а в направлении от УО к УС — обратным (линия I), то обратная связь не будет

96

совпадать с ответным действием отражающего объекта В на объекты А и Б. Не только не будет совпадать, но окажется прямо противоположной по направлению (поскольку УС рассматривается в качестве отражающего). И с этим приходится считаться, имея в виду господствующую в литературе трактовку обратной связи (рис. 10, в). Основоположник кибернетики Н. Винер писал, что система обладает обратной связью, если регулятор, управляющая система использует информацию о состоянии управляемого объекта для достижения цели, если все его последующие действия направлены на ликвидацию рассогласованности между фактическим состоянием УО и «заданным». Осведомительную информацию об этом рассогласовании регулятор получает по каналу обратной связи, в то время как корректирующая информация управления посылается всегда по каналу прямой связи.

Обратную связь необходимо отличать от самого принципа обратной связи. В первом случае имеется в виду лишь канал связи в направлении от управляемого объекта к регулятору, сам же принцип обратной связи означает направленную коррекцию в ходе управления или регулирования. Если обратная связь обеспечивает воздействие на отражающее, то принцип обратной связи суть сторона, момент особого рода взаимодействия, способ функционирования системы управления.

Еще раз подчеркнем, что принцип обратной связи предполагает не только информационную связь в системе управления, но и целесообразную направленность процесса управления, обеспечить которую в стохастической среде можно только путем коррекции первоначальных действий (регулятор мы рассматриваем в качестве отражающего). Оба эти момента (информационная взаимосвязь и целенаправленное развитие) выступают частным случаем проявления основных принципов диалектической логики применительно к деятельности системы управления, дают своеобразный сплав этих принципов диалектики в рамках принципа обратной связи. Характерным в

97

данном случае является то, что процесс управления имеет целесообразно упорядоченный, направленный характер. Направленность эта обусловлена действием цели, которая справедливо рассматривается как имманентно присущая регулятору внутренняя информационная причина его поведения.

Мы все время говорили об обратной связи по отношению к управляющей системе. Возникает вопрос, может ли она иметь место по отношению к управляемому объекту. Для ответа на этот вопрос управляемую систему надо представить теперь в качестве управляющей. Если она также окажется способной управлять, вопрос должен быть решен положительно. В этом случае перед нами будет взаимоуправление, взаимодействие двух управляющих систем с двусторонней обратной связью: информация о всех последующих изменениях в любой из систем будет использоваться для корректировки управления, для достижения «своей» цели другой системой. Подобные ситуации, часто встречающиеся в живой природе (например, обманные движения в бою между животными), обществе (скажем, сложные взаимоотношения конкурирующих фирм) и технике, в количественном отношении рассматриваются и с разной степенью адекватности описываются математической теорией игр.

Существенно, что результат деятельности любой функциональной системы обеспечивает последующее научение кибернетической системы именно благодаря обратной связи (в живой природе как в онтогенезе, так в какой-то степени и в филогенезе). При этом «замыкание» контура с помощью обратной связи в различных системах управления осуществляется во времени и пространстве по-разному; это зависит от природы объекта, того структурного и временного уровня, к которому он принадлежит.

98

7.2. Характеристика отрицательной и положительной обратной связи

Управление, как мы видели, неосуществимо без использования принципа обратной связи, который является важнейшим и универсальным принципом кибернетики. Сущность принципа обратной связи заключается в том, что управляющая система, получая осведомительную информацию и используя ее, в свою очередь вырабатывает и посылает корректирующую информацию, необходимую для решения задачи, для последующего приведения управляемого объекта в нужное положе-

ние. Следовательно, непрерывность и целесообразная направ-

ленность — важнейшие характерные черты управления и регулирования. В этом — общая особенность всех видов обратной связи. На двух важнейших из них, широко моделируемых в технике (отрицательной и положительной обратной связи), остановимся подробнее.

Отрицательная обратная связь является наиболее простым видом. Что это действительно так, можно видеть на примере работы известного всем регулятора Уатта, цель которого — обеспечить постоянство скорости вращения вала двигателя внутреннего сгорания, паровой машины и т. п.

Схематически деятельность этого регулятора можно изобразить в виде кривой, колебания которой вокруг своей константы дают довольно ясное представление о борьбе двух противоположных тенденций — изменения нагрузки двигателя и действия регулятора по поддержанию скорости двигателя постоянной (рис. 11). При увеличении нагрузки на двигатель скорость вращения вала, с которым жестко соединен регулятор, будет снижаться, что повлечет за собой опускание шаров и соответствующее увеличение доступа пара в рабочую камеру машины. И наоборот, уменьшение нагрузки вызовет последующее увеличение фактической скорости, поднятие шаров и,

99

как результат, уменьшение количества поступающего в машину пара.

Рис. 11. Принципиальная схема работы регулятора Уатта, использующего отрицательную обратную связь, и графическое изображение скорости его вращения

Если внимательно присмотреться к кривой фактической скорости, то станет ясно, что как на восходящей, так и на нисходящей ветвях ее все последующие усилия регулятора (на схеме они изображены ординатами со стрелками) направлены всегда против изменения скорости. Регулятор действует против изменения скорости независимо от абсолютного значения скорости и его отношения к регулируемой величине: скорость может быть меньшей, чем требуется, но если она изменяется в сторону повышения, то регулятор будет этому противодействовать (рис. 11, участки кривой БВ и ГД). Отсюда термин «отрицательная» обратная связь.

С точки зрения диалектики, особый интерес представляет то, что для обеспечения постоянства регулируемого параметра изменение нагрузки должно компенсироваться соответствующими изменениями в режиме работы регулятора, который в соответствии с принципом необходимого разнообразия обладает нужным для этого диапазоном степеней свободы. В ходе

100

регулирования «разнообразие» управляемого объекта ликвидируется, погашается разнообразием регулятора. Устойчивость регулируемого параметра в условиях стохастической среды достигается путем соответствующих изменений в режиме работы регулятора. Такова диалектика гомеостатического регулирования. Еще раз подчеркнем, что воздействие регулятора, изменение скорости которого явилось следствием изменения нагрузки, производится не на причину, а на другое, промежуточное звено этой многоступенчатой причинноследственной цепи—на механизм подачи пара в машину (рис.

11).

В технике осуществляется широкий диапазон регуляции с использованием отрицательной обратной связи. Человек в технических устройствах фактически начал использовать этот принцип задолго до возникновения кибернетики и выработки самого понятия отрицательной обратной связи (например, мельничный потрясок, который регулирует подачу зерна так, что обеспечивает постоянство качества его помола).

Регулирование может осуществляться в технике не только непрерывным путем, но и дискретно, так сказать, разовым способом. Так, регулирование, поддержание в нужных пределах температуры какого-то определенного участка электроцепи, обмоток генератора, холодильного отделения может осуществляться с помощью теплового реле или иного предохранителя, время от времени отключающегося и тем самым избавляющего «охраняемый» участок от перегрева или переохлаждения. Впрочем, случай непрерывного регулирования можно рассматривать как обобщенный случай прерывного, в технической литературе обычно называемого компенсирующим. Примечательно, что в последнем случае информация посылается одноразовым способом (одиночным сигналом), а обратная связь практически отсутствует.

101

Рис. 12. Схема работы регулятора компенсирующего типа. T1, Т2,.., Тn – периоды работы регулятора.

Работа регулятора дискретного вида может быть достаточно хорошо проиллюстрирована кривой рис. 12. По достижении максимального значения регулируемого параметра (температуры холодильного отделения, например) автоматически включается холодильная установка, в короткий срок обеспечивающая снижение температуры до расчетного минимума (активные периоды—T1, Т2,.., Тn). После автоматического выключения этого механизма температура холодильного отделения начинает постепенно изменяться в сторону выравнивания ее с температурой окружающей среды. Причем вначале это происходит быстрее, поскольку перепад температуры окружающей среды и холодильника в этот период оказывается наибольшим.

С гомеостатическим регулированием мы встречались при анализе информационно-регулятивных процессов внутри клетки, где все это происходит значительно тоньше и сложнее. А вообще регулирование в какой-то степени осуществляется на всех без исключения уровнях живой природы, включая надорганизменные, когда центральный регулятор как таковой отсутствует (уровень вида, популяции, биоценоза и даже биосферы). То же самое можно сказать и относительно общественных процессов (с примером колебаний цены вокруг стоимости того или иного товара знаком каждый, кто изучал политическую экономию).

102