Кибернетика (стр. 11 из 12)
1) усиливающие (ослабляющие):
mвых=kmвх, где mвых, mвх –компоненты метаболизма, по которым осуществляется связь,
k- коэффициент связи (k>1-усиления, k<1 -ослабление).
2) ограничивающие:
,3) запаздывающие:
mвых(t)=mвх(t-t1), где t1- время запаздывания,
4) селектирующие – разделяющие множество входных процессов по некоторым классам,
5) преобразующие:
mвых= Ф({mвх j}), j=1,…,n,где Ф – оператор преобразования.
Частным случаем преобразующих связей являются шумящие, среди которых важное значение имеют суммирующие и умножающие соответствующий входной компонент метаболизма на аналогичную ей по содержанию беспорядочную переменную. При наличии прямого контакта между взаимодействующими подсистемами взаимодействие может осуществляться без подсистемы связи.
Применяются различные формальные методы описания связей. В частности, одна из моделей связей содержит следующие компоненты: модель связи, модель согласования сигналов между передающими и принимающими элементами, модель преобразования сигнала в канале, модель поведения элемента под воздействием сигнала в канале.
Вопросы и упражнения
1. Что называют связями при описании структуры системы?
2. Приведите примеры прямой запаздывающей связи; обратной усиливающей связи; ограничивающей связи; селектирующей.
3. Какие связи называют преобразующими?
4. Приведите пример формального описания преобразующих связей.
7.2. Обратные связи
Открытие инженерами принципа обратной связи явилось выдающимся в развитии техники. Процессы управления, адаптации самоорганизации самым непосредственным образом связаны с применением обратной связи, без них немыслимо существование живых систем. Обратная связь является динамическим фактором.
Рис 6. Принципиальная схема обратной связи.
Рассмотрим классификацию обратных связей. Прежде всего, выделим положительную и отрицательную обратные связи. Положительная обратная связь усиливает исходный процесс, отрицательная – ослабляет. В технике положительная обратная связь широко применяется для повышения чувствительности приборов, создания устойчивых колебательных процессов, поддержания какого-то процесса на заданном уровне.
Пример 1. Ламповый генератор электрических колебаний построен по принципу положительной обратной связи.
Пример 2. В физиологических, психологических и социальных процессах положительная обратная связь является одним из ведущих факторов. Человек раздражен, он сознает свою раздраженность, страдает от этого и раздражается еще больше. Процесс раздражения нарастает, самоконтроль ослабевает, возникают предпосылки для усиления раздражения, в конце концов – наступает разрядка – человек выходит из себя.
Положительная обратная связь интенсифицирует процесс до тех пор, пока он не будет ограничен внутренними, или внешними условиями. Если бы не было ограничений, процесс с положительной обратной связью нарастал бы до бесконечности. Ограничения возникают из-за насыщения, когда истощаются средства или силы (заполняется объем, используется ресурс и т.д.) или вступают в действие новые факторы, вызванные нарастанием самого процесса.
Пример 3. Типичные случай самопроизвольного (спонтанного) возникновения положительной обратной связи в военных условиях – ночная перестрелка во время затишья, характерная для окопной войны. Стоит кому-то случайно выстрелить, как возникает перестрелка, которая достигает определенной интенсивности, а затем быстро затухает.
Существуют примеры безответственного или бессознательного применения механизма положительной обратной связи: паника при стихийных бедствиях, массовый испуг, стресс, подозрительность и т.п.
Положительная обратная связь может играть как организующую, так и дезорганизующую роль. Появление положительной обратной связи между случайными процессами создает ситуацию, при которой часть процессов будет стимулироваться. В результате может самопроизвольно возникнуть эффективная организация. С другой стороны, возникновение обратной связи в хорошо организованных системах может привести к противоположному результату. Начиная от невинных и малозначительных событий, таких как лавинообразное распространение моды в обществе, и кончая развитием необузданных экстремистских социальных тенденций, везде в какой либо форме проявилась положительная обратная связь.
Если положительную обратную связь можно считать стимулирующим фактором, то отрицательная обратная связь – регулирующий фактор. Отрицательная обратная связь тормозит исходный процесс, не дает ему чрезмерно нарастать, но ослабляет свое действие как только основной процесс спадает. В результате основной процесс поддерживается в каких-то пределах. В технике отрицательная обратная связь применяется очень широко, а в автоматизированных системах управления это, вероятно, основной рабочий фактор. Живые организмы не могли бы существовать без отрицательных обратных связей, которые есть во всех без исключения механизмах внутренней регуляции физиологических и психических процессов и поведения. Не меньшая роль отрицательных обратных связей и в общественных процессах.
Совместное действие положительной и отрицательной обратной связи может оказать сильное формирующее влияние на процессы для поддержания их уровня при случайных внешних воздействиях. Такие схемы могут оказывать как стимулирующее, так и тормозящее действие, они способны быстро ликвидировать возникающие флуктуации, поэтому часто применяются в технике, в частности в электронике, химической технологии, автоматике. Совместное действие множества связей (прямых и обратных) лежит в основе гомеостаза. Исследование и описание комбинированных схем обратной связи представляет большие трудности, особенно если их много. Если они возникают самопроизвольно, то их сложно выявить. Найти в многосвязных системах (типа биологических или социальных) отдельные каналы обратных связей можно только при тщательном исследовании.
Когда обратных связей много, возникает качественный скачок, система приобретает принципиально новые свойства. При этом раздельное рассмотрение связей иногда теряет смысл, так как их действие перестает быть самостоятельным.
Мы не располагаем адекватным математическим аппаратом для описания совместного действия множества обратных связей и вынуждены прибегать к обобщенному описанию при помощи внешних характеристик результирующих процессов. Динамический эффект системы обратных связей таков, что при малом числе они действуют стабилизирующим (организующим) образом, при большом числе могут действовать противоположно, вызывая неустойчивость, а при очень большом числе действуют гомеостатически, т.е. создают множество устойчивых состояний, между которыми существуют значительные области неустойчивости. Поскольку гомеостаз искусственных систем и живых организмов определяется обратными связями, изучение гомеостаза может быть средством познания обратных связей.
Положительные и отрицательные обратные связи могут быть гладкими и пороговыми. Гладкие обратные связи действуют во всем диапазоне изменения выходного процесса. Пороговая обратная связь действует, когда процесс превышает некоторое значение (нижний порог) или не достигает допустимого значения (верхний порог). Пока процесс не достиг нижнего порога (или не превысил верхний), обратной связи как бы не существует. Возможна двух пороговая схема, когда обратная связь действует в пределах нахождения выходного процесса и не действует за пределами порогов.
Пример 4. Появление в воздухе нескольких самолетов - нарушителей правил (режима) полетов может вызвать самовозбуждение недостаточно организованной системы ПВО. При низкой эффективности радиолокационной системы, если число нарушителей режима полетов превысит допустимый порог, будет одновременно поднято много перехватчиков, часть из них может оказаться неправильно опознанными, по ним будут подняты новые перехватчики и т.д., пока в воздухе не окажутся все дежурные истребители, или кто-то из ответственных не поймет в чем дело. В данном случае положительная одно-пороговая обратная связь с нижним порогом обусловлена ошибочными данными радиолокационного опознавания, а отрицательная обратная связь с нижним порогом – интеллектом лица, принимающего решения. В процессе нарастания числа самолетов в воздухе его недоверие к данным нарастало, однако решение он принял, когда число превысило порог.
В различных системах живых организмов пороговые обратные связи являются основным средством регулирования. Защитные механизмы легко преодолевают инфекцию, когда число носителей заболевания незначительно, но не справляются с ударной дозой. Нервное возбуждение носит пороговый характер. В человеческом поведении также часто проявляются пороговые свойства.
Следующий признак классификации обратных связей – форма оператора L. Выделяют обратную связь, которая реагирует на производную от выходного процесса (y). Пока у изменяется медленно, ничего не происходит. Когда у начинает изменяться со скоростью больше пороговой величины, включится обратная связь и будет оказывать тормозящее или стимулирующее действие. На уменьшение выходного процесса обратная связь не реагирует, если порог установлен по положительной производной.
Пример 5. Примером может служить процесс обучения. Фактор обратной связи – поведение обучаемых. Если поток информации (х) нарастает медленно, то восприятие (у) идет нормально, материал усваивается и реакция обучаемых положительна. Постепенное наращивание объема и сложности материала (плотности информации) никаких отрицательных последствий не вызывает. Однако, когда плотность информации превышает порог восприятия, усвоение прекращается, так как срабатывает отрицательная обратная связь. Реакция обучаемых заставляет снизить темп, иногда даже ниже того уровня, который предшествовал превышению порога.