Последние итоги

Кибернетика - это наука, изучающая определенный класс процессов, происходящих в окружающем нас мире, и вскрывающая общие закономерности протекания этих процессов. Главнейшим свойством окружающего нас мира является то, что он материален, т. е. существует независимо от нашего сознания. Материя в природе находится в постоянном движении. Это опять-таки главнейшее ее свойство. Мера способности совершать различные движения называется в физике энергией. Изучая окружающий нас мир, мы сознательно выделяем отдельные его части и называем их физическими системами. Каждая отдельная физическая система ведет себя точно так же, как и мир в целом. Составляющие ее элементы находятся в постоянном движении. Система обладает определенным запасом энергии, которую она может сохранять внутри себя и которой "на может обмениваться с другими системами.

Кибернетика, как, впрочем, и всякая другая наука, изучает физические системы, обладающие запасом энергии. Рассматривая физическую систему как состоящую из отдельных элементов, причем такое деление на элементы мы, в известном смысле, проводим произвольным образом, мы убеждаемся, что в процессе движения элементы системы предстают перед нами в самых различных сочетаниях. Каждое конкретное сочетание мы назвали выше состоянием физической системы.

Состояния системы подчиняются фундаментальному закону природы, названному законом сохранения энергии, или первым началом термодинамики. Этот закон гласит, что если в данный момент времени общая энергия системы имеет некоторую определенную величину, то в системе возможны лишь такие состояния, при которых сумма энергии всех элементов, составляющих систему, в точности равна общей энергии системы. Закон сохранения энергии позволяет нам сразу же разделить все сочетания элементов физической системы на два класса: разрешенные и запрещенные, и рассматривать лишь разрешенные сочетания.

Все сказанное пока что не имеет никакого отношения к кибернетике. Мы определили лишь общие условия, в которых можно проводить дальнейшее рассмотрение.

Различные состояния физической системы из числа разрешенных или, как мы говорили выше, возможные состояния можно группировать по тем или иным признакам в классы состояний, которые мы назвали конфигурациями. Каждая конфигурация включает в свой состав какое-то количество возможных состояний, т. е. сочетаний элементов физической системы. Другой фундаментальный закон природы - второе начало термодинамики - гласит, что в замкнутой физической системе все состояния равновероятны, а следовательно, из различных возможных конфигураций вероятнее та, которая объединяет большее число состояний или, другими словами, которая может быть образована большим количеством способов. Чрезвычайно важную роль здесь играет словечко "замкнутая". Оно означает, что второе начало термодинамики справедливо лишь для систем, полностью изолированных от всего остального внешнего мира.

Таким образом, если в замкнутой, т. е. полностью изолированной, физической системе каким-то образом возникает конфигурация, имеющая малую вероятность, то в процессе дальнейшего движения эта конфигурация обязательно будет заменена другой, имеющей большую вероятность. Другими словами, в замкнутой системе действуют процессы, сопровождающиеся возникновением наиболее вероятной конфигурации. Такие процессы мы можем назвать термодинамическими и снова все это пока не имеет никакого отношения ft кибернетике. Изучением закономерностей протекания термодинамических процессов занимается наука термодинамика.

Повод для привлечения науки кибернетики возникает тогда, когда мы замечаем, что в природе, кроме термодинамических процессии, г. е. процессов, сопровождающихся перекодом от порядка к беспорядку, наблюдаются и другие, противоположные им процессы, протекание которых сопровождается образованием менее вероятных конфигураций. Заметим сразу же, что наличие таких процессов не противоречит второму началу термодинамики. В конце предыдущей главы мы показали, что для возникновения процессов, сопровождающихся установлением порядка, или, как мы их назвали выше, процессов управления необходимо создание определенных внешних условий. А коли речь идет о внешних условиях, значит, совершенно очевидно, что рассматриваемая физическая система перестает быть замкнутой.

Однако в то же время процессы управления, как и термодинамические процессы, подчиняются своим закономерностям. Изучением этих закономерностей и занимается наука кибернетика.

Первую такую закономерность мы только что установили: процессы управления могут протекать лишь в физических системах, имеющих связь с внешней средой, причем сами процессы управления являются непосредственным следствием наличия такой связи. Сущность процесса управления состоит в том, что создаются условия для образования мало вероятных конфигураций. Создать такие условия - это и значит постучать молотком (в большинстве случаев, конечно, в переносном смысле) по нужному месту и в нужное время. Поэтому мы продолжаем даже на столь серьезном уровне рассмотрения нести полную ответственность за то определение, которое мы дали кибернетике в самом начале книги. Сами по себе эти условия столь же разнообразны, сколь разнообразны физические системы.

Более того, чем сложнее физическая система, тем больше условий, необходимых для возникновения в ней процессов управления, и тем в более разнообразных сочетаниях эти условия должны создаваться. Можно сказать и сильнее - для каждой конкретной конфигурации, возникающей в физической системе, существует свое определенное сочетание условий, позволяющее перевести систему из этой конфигурации в другую, менее вероятную.

Сказанное позволяет нам нарисовать следующую схему. Пусть имеется физическая система, которая может находиться каждый раз в одном из N СОСТОЯНИЙ (число N чрезвычайно велико), и по тем или иным соображениям мы рассматриваем все эти состояния как относящиеся к М конфигурациям. Среди этих М конфигураций имеются более и менее вероятные. Переход от менее вероятных конфигураций к более вероятным совершается сам по себе и не требует никаких дополнительных действий с нашей стороны. Наоборот, переход от более вероятных конфигураций к менее вероятным требует каждый раз создания определенных условий.

Предположим, что мы перенумеровали все М конфигураций в порядке возрастания их вероятности. Иными словами, наименее вероятной конфигурации мы присвоили номер 1, а наиболее вероятной - номер М. Тогда мы можем утверждать, что в общем случае для каждой пары чисел i и j (i<j≤M)существует свое сочетание условий, позволяющее возбудить процесс, переводящий систему из состояния j в состояние i. Таких различных сочетаний условий в. общем случае столько же, сколько различных пар чисел i и j, отвечающих установленным выше требованиям.

Значит, если мы хотим возбудить процесс управления, переводящий систему в некоторую конкретную конфигурацию, например конфигурацию номер 8, мы должны создать необходимое для этого сочетание условий. Но поскольку в общем случае такое сочетание условий будет своим для каждой конфигурации, в которой находится система, то чтобы выбрать нужное сочетание, необходимо знать эту конфигурацию.

Сказанное представляет собой содержание второго фундаментального закона кибернетики: управление физической системой требует знания той конфигурации, в которой находится система, или, в другой формулировке, требует наличия информации о состоянии системы.

Но создание условий, какими бы простыми они ни были, всегда требует затрат времени. За это время система может перейти и обязательно перейдет к другой, более вероятной конфигурации. Следовательно, мало знать конфигурацию, в которой находится система 6 данный момент времени, нужно еще уметь предсказать будущее поведение системы на то время вперед, в течение которого будут создаваться соответствующие условия.

Третий основной закон кибернетики состоит в том, что для управления необходимо наличие информации не только о состоянии системы, но и о том, каким образом изменяются эти состояния.

Получив нужную информацию, мы выбираем сочетание условий. Такой выбор называется принятием решения. Последовательность принимаемых решений составляет стратегию - стратегию управления. Стратегия управления представляет собой своеобразное описание физической системы. Действительно, если такая стратегия полна, то она обязательно содержит в себе перечень всех конфигураций, в которых может находиться система, и всех действий, которые надо произвести, чтобы перейти от одной конфигурации к другой. Заметим, что если цель управления состоит в том, чтобы поддерживать систему в. пределах одной какой-то выбранной конфигурации, то, вообще говоря, возможны случаи, когда система будет оказываться в пределах конфигураций с меньшими номерами, т. е. конфигураций еще менее вероятных, чем данная. Тогда не надо создавать никаких условий, следует просто подождать, пока второе начало термодинамики не окажет свое неизбежное действие. Поэтому в состав всякой стратегии управления может входить и отсутствие какого бы то ни было управления. Это обстоятельство мы неоднократно подчеркивали в предыдущих главах.

И снова мы приходим к той же схеме. Знание о состояниях физической системы, представляющей собой объект управления, получается с помощью датчиков. Датчики могут быть как искусственными, так и естественными, как очень простыми, так и очень сложными. Простейшие датчики - это, например, термопара две проволочки из различных материалов, сваренные своими концами, или светочувствительные клетки, сообщающие подсолнуху о том, где находится солнце. Примеры сложных датчиков - человеческий глаз или радиолокационная система противовоздушной обороны. Но задача у всех этих устройств одна - получение информации.

Информация, полученная датчиками, используется для разработки стратегии управления. Опять-таки в зависимости от сложности самой стратегии ее разработкой могут заниматься либо столь простые системы, как регулятор Уатта, грузик, подвешенный на пружинках, или простой нервный контур, заставляющий нас отдергивать руку, если мщ. прикоснулись к чему-то горячему, либо столь сложные системы, как современная цифровая вычислительная машина или мозг человека.

Наконец, уже имеющаяся стратегия реализуется в виде управляющих воздействий. Здесь снова мы имеем широчайший диапазон от заслонки в пароподводящей трубе до тончайших процессов в растворах при введении катализаторов, регулирующих протекание сложных химических реакций.

Все эти процессы подчиняются единым законам, законам кибернетики. Законы кибернетики оказываются общими.и для естественных и для искусственно созданных физических систем. Именно это обстоятельство выдвигает кибернетику в ряд общих физических теорий, таких как термодинамика или статистическая физика. Законы кибернетики - это законы природы.

Используя законы кибернетики, мы создаем автоматические системы. Создает их и природа без нашего участия. Однако если ограничиться рассмотрением только искусственно создаваемых систем, можно сказать следующее. Количество типов различных датчиков, создаваемых в настоящее время, огромно. Изготовлению датчиков и разработке новых их типов посвящена самостоятельная отрасль - измерительная техника. Существует и наука - метрология, разрабатывающая общие принципы контрольно-измерительных систем. Передача информации, получаемой от датчика, находится в ведении техники связи или в более общем случае - телемеханики. В последние годы из потребностей техники связи родилась самостоятельная наука - теория информации. Теория информации учит нас, как наиболее экономным образом и с максимальной достоверностью передать наибольшее количество сообщений по наличным техническим средствам связи. К слову сказать, техника связи - это одна из наиболее быстро и наиболее успешно развивающихся в настоящее время отраслей техники. Ярчайшим подтверждением тому могут служить спутники связи, позволяющие жителям Владивостока смотреть московские телевизионные передачи, или лазерная техника.

Разработка стратегий относится к области теории автоматического управления. Эта теория также переживает в настоящее время своеобразную революцию. Наряду с классическими ПИД-регуляторами все более широкое применение в составе систем автоматического управления находят цифровые вычислительные машины. Сама теория обогатилась в последние годы такими разделами, как, например, теория игр или теория решений. И то и другое принято объединять под общим названием теории исследования операций. Конструированием цифровых вычислительных машин занимается самостоятельная отрасль - вычислительная техника.

Наконец, собственно автоматика - это область, занимающаяся исполнительными механизмами, или область, к ведению которой относятся создание и организация управляющих воздействий.

Мы перечислили здесь только самые главные направления. Существует еще много других, второстепенных, и, кроме того, в своем развитии главные направления также подразделяются на более узкие русла. И при всем том нет ни малейших оснований относить к области кибернетики, скажем, метрологию, технику связи или вычислительную технику. Мы ведь не считаем теорию электрических цепей разделом математики по той лишь причине, что в теории электрических цепей широко используются дифференциальные уравнения.

Задача кибернетики - открывать и исследовать общие законы управления, являющиеся, как это неоднократно отмечалось, фундаментальными законами природы.. Задача каждой из перечисленных выше отраслей техники - создание и совершенствование средств измерения, передачи данных, выработки и реализации стратегий и собственно автоматизация всевозможных технологических процессов.

В этой небольшой книжке мы пытались показать, как на самом деле действуют приборы, относящиеся ко всем перечисленным выше областям. Мы пытались показать также, что получается, если соединить приборы различного назначения в единую систему - систему автоматического управления. Верными нашими помощниками на этом пути были мамонты и автомобили, лягушки, паровые и швейные машины, веревки и, наконец, мыло.

Перед тем как окончательно распрощаться с читателем, вернемся еще ненадолго к вопросу о равнодушии природы. У нас было уже много возможностей убедиться, что на самом деле природа Совсем не так уж равнодушна. Вводя в действие процессы управления, природа способна создавать сложнейшие физические системы, включая живые организмы и в том числе самого человека. Зарождение жизни на земле, т. е. создание первых белковых молекул оказалось возможным только благодаря созданию чрезвычайно редкой комбинации большого числа разнообразных условий. Но и поддержание жизни, а тем более ее развитие, также требует многих условий далеко не всегда создающихся естественным путем. Человек создает эти условия сам. Все, начиная от домов, в которых мы живем, и кончая книгами, которые мы читаем, это результат деятельности, направленной на создание в окружающих нас физических системах конфигураций, имеющих чрезвычайно малую вероятность самопроизвольного возникновения. Такую деятельность принято называть разумной.

Но все сказанное на страницах этой книги не дает нам возможности определить понятие разумной деятельности каким-нибудь способом, отличающимся от только что использованного. Разумная деятельность - это деятельность, направленная на создание маловероятных конфигураций. Подобное определение хорошо уже тем, что если его принять, то автоматически отпадает сама постановка вопроса о соревновании между людьми и машинами в области интеллектуальной, т. е. разумной, деятельности. Создавая искусственные системы, использующие в своей работе основные законы кибернетики, человек-совершенствует свои способности к управлению. Получается более сложная система, состоящая из машин и людей. Такая система будет тем совершеннее, чем в большей степени каждый из составляющих ее элементов независимо от того, имеет он искусственное или естественное происхождение, окажется приспособленным к выполнению стоящих перед ним частных задач. А вот какими должны быть эти задачи, это и есть предмет исследований науки кибернетики.

Наконец, самое последнее замечание. Хорошая система автоматического управления - это такая система, в которой наилучшим образом создаются условия для протекания процессов управления. В ловушке для мамонтов такие условия создавало мыло. Доказав окончательно, что мыло наряду с прочими персонажами нашей,повести может быть с полным правом названо элементом кибернетической системы, авторы с чистой совестью прощаются теперь со своими читателями.