1.2.4. Кибернетические системы

На рис. 3,а машина представлена так, как ее изобразил бы конструктор. По этой схеме инженер-машиностроитель может установить, будет ли механизм работать. При разработке функциональной схемы управления правильная работа механизма подразумевается; специалист по технике управления рассматривает машину не саму по себе, а только как объект управления. Особенно его интересует последовательность влияющих друг на друга физических параметров. Например, угол поворота коленчатого вала определяет положение золотника, который, в свою очередь, обеспечивает поступление пара в нужную часть цилиндра.

Эту последовательность зависящих друг от друга параметров можно назвать последовательностью воздействия. Государственный стандарт ГДР № 14591 ввел термин линия управления.

Линия управления - это линия, по которой передаются управляющие воздействия.

Воздействия передаются через отдельные части механизма или специальные устройства, которые мы обозначили на рис. 3, б прямоугольными блоками. Эти блоки мы назовем элементами (рис. 4).

Рис. 4. Схема действия элемента

Элементом называется объект, входящий в последовательность воздействия, в котором определенным образом преобразуется входной параметр в выходной.

Обратите внимание на то, что схематическое изображение элемента в виде блока не отражает особенностей его конструкции. Нас интересует только связь между воздействием на входе элемента и его реакцией на выходе. Конструкция элемента здесь не имеет значения, мы даже можем ничего про нее не знать. В кибернетике такой объект называется черным ящиком.

Упорядоченный набор элементов на рис. 3, б составляет кибернетическую систему.

Системой называется совокупность взаимосвязанных элементов.

Связи между элементами образуют структуру системы.

Согласно нашему определению, схема радиоприемника также представляет собой систему. Рассмотрев ее, мы узнаем нечто важное о системах вообще, а именно:

Система может обладать свойствами или выполнять функции, которые существенно отличаются от свойств и функций ее отдельных элементов.

Антенна радиоприемника принимает электромагнитные колебания, из них выбираются колебания нужной частоты, которые преобразуются в звуковые и усиливаются. При этом отдельные детали: сопротивления, конденсаторы, печатные платы и т. д. выполняют свои конкретные функции, необходимые для работы приемника, но не тождественные функции всего устройства в целом.

Еще пример: система, изображенная на рис. 3, обеспечивает работу паровой машины, но ее элементы (коленчатый вал, шатун, цилиндр с поршнем) выполняют каждый свою задачу.

Рис. 5. Функциональная схема системы с программным управлением (осветительного устройства с использованием реле времени). Источники тока не нанесены на схему, поскольку это не важно для понимания процесса

На рис. 3 мы рассмотрели работу сравнительно простого двигательного устройства. На рис. 5 и 6 изображены сложные системы искусственного освещения, основанные на совершенно разных технических принципах. Но посмотрите, как похожи их функциональные схемы! В таких случаях говорят, что системы имеют сходную структуру.

Рис. 6. Функциональная схема следящей системы (осветительного устройства с применением фотоэлемента)

Структура - это совокупность и характер связей между элементами системы.

В кибернетике мы принципиально абстрагируемся от физических свойств предметов. Правда в этой книге есть немало конкретных примеров, которых вы не найдете в специальной литературе по кибернетике, но они приведены здесь только для того, чтобы вы смогли яснее представить себе типы функциональных связей.

Общим для всех рассмотренных нами систем является последовательное расположение элементов или цепь управления. Цепь управления представляет собой незамкнутую систему, элементы которой воздействуют друг на друга через определенные физические параметры (точнее, через изменения этих параметров во времени). По этой цепи может передаваться управляющая команда или сообщение об изменении параметров, одним словом - информация.

Информацией называется направленное сообщение об изменении какого-либо физического параметра.

На таких важных понятиях, как информация и сигнал, мы остановимся подробнее в подразд. 2.1.2, а сейчас рассмотрим системы с разными типами управления.

Системы с программным управлением содержат командное устройство, действующее по заданной программе. Широко применяются, например, системы с использованием реле времени. Устройство, схематически изображенное на рис. 5, самостоятельно включает и выключает освещение витрины. В запрограммированный момент времени часовой механизм включает слабый электрический ток, который не может зажечь осветительную лампу, но его задача не в этом: являясь носителем информации он приводит в движение контактор, замыкающий цепь лампы.

Следящие системы управляются определенными изменениями физических параметров. На рис. 6 вы видите схему устройства, автоматически включающего электрическое освещение витрины или улицы, как только освещенность на улице падает ниже заданного порогового значения. Освещенность измеряется фотоэлементом, а фототок с помощью выключателя (действующего как усилитель) зажигает лампу.

Системы автоматического управления с обратной связью - другая разновидность следящих систем, в которых управляющий физический параметр образуется в процессе работы самого устройства. Например, в стиральной машине стирка начинается автоматически, когда вода нагрелась до нужной температуры. Лифт начинает двигаться только тогда, когда выполнены все требования безопасности, все двери закрыты и нажата кнопка этажа. За этим также следит автоматическое устройство с помощью сигнальных контактов. Полученные от них сигналы оно анализирует по законам математической логики.

На рис. 7, а приведена упрощенная схема управления поточной линией, на рис. 7, б - устройство, поддерживающее постоянную температуру воды (когда вода нагревается до нужной температуры, решающий элемент отключает нагреватель). В обоих случаях процесс автоматически прерывается, когда достигнут заданный результат.

Рис. 7. Управление поточной линией: а - упрощенная схема; б - цепь отключении

В последнее время особенно часто встречаются системы с цифровым управлением. Это вид программного управления, при котором программа в виде чисел задается с какого-либо носителя, например перфоленты. Системы с цифровым управлением особенно удобны в таком производстве, в котором необходимо часто обновлять ассортимент продукции или вносить изменения в технологический процесс: Поскольку программа вводится с внешнего носителя, ее сравнительно легко заменить. Более подробное рассмотрение цифрового управления не входит в наши задачи.

Итак, мы описали простейшие формы управления. Остается добавить, что системы, изображенные на рис. 3, 5, 7, а, называются разомкнутыми. На схеме рис. 7, б цепь воздействия замыкается, поэтому и система называется замкнутой. Другие, более сложные схемы управления мы рассмотрим несколько позже.