Что такое информационное общество?

Стр 1 из 2Следующая ⇒

Содержание урока

Информация и управление

Кибернетика

Что такое система?

Системы управления

Вопросы и задания

Информационное общество

Информация и управление

Кибернетика

Человек с древних времён хотел использовать предметы и силы природы в своих целях, т. е. управлять ими. В середине XX века учёные поняли, что управление неразрывно связано с информацией и информационными процессами.

В 1948 г. появилась книга американского математика Норберта Винера «Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине», с которой началось развитие новой науки — кибернетики.

Кибернетика (от греч. — кормчий, рулевой) — это наука, изучающая общие закономерности процессов управления и передачи информации в машинах, живых организмах и обществе.

Основная идея Винера состояла в том, что управление в любых системах — технических, биологических, общественных — определяется одними и теми же законами и тесно связано с обменом информацией. Понятие «система» вам знакомо на «бытовом» уровне, теперь мы определим его более строго.

Что такое система?

Представьте себе, что человек, у которого болит голова, приходит к врачу. Врач может реагировать на его жалобу двумя способами:

• просто дать обезболивающее;

• попытаться выяснить причину головной боли и лечить именно заболевший орган.

В первом случае врач применил простейшую модель: если болит голова, нужно дать таблетку, чтобы она не болела. Во втором варианте врач понимает, что головная боль вызвана какой-то другой болезнью в организме, и лечить нужно именно её. Он рассматривает человека как единое целое, как систему, т. е. использует системный подход.

Система (от греч. — составленный) — это группа объектов и связей между ними, выделенных из среды и рассматриваемых как одно целое (рис. 1.10).

Рис. 1.10

Системный подход состоит в том, что объект исследования рассматривается как система с учётом всех взаимосвязей между её частями.

Системой можно назвать организм животного и человека, автомобиль, компьютер, семью, общество, и вообще любой достаточно сложный объект, который можно разбить на части. В курсе информатики вы познакомились с понятиями «операционная система», «файловая система», «система программирования».

Различают естественные (природные) системы и искусственные системы (созданные человеком). Любая искусственная система создана с определённой целью, например русский язык — для общения, дом — для жилья, поезд — для перевозки пассажиров и грузов.

Объекты, из которых строится система, называют её компонентами. За счёт связей между частями система обладает особыми свойствами, которых нет ни у одного отдельного компонента. Системный эффект состоит в том, что свойства системы нельзя свести к «сумме» свойств её компонентов. Например, скопление клеток — это не живой организм; процессор, память и устройства ввода и вывода, не связанные между собой, — это не компьютер. Все компоненты самолёта тяжелее воздуха, т. е. каждый из них стремится упасть на землю, однако составленная из них система (самолёт) летает.

Одни и те же элементы, связанные по-разному, могут представлять собой совершенно разные системы. Алмаз (самое твёрдое вещество) и графит (из которого делают грифели карандашей) состоят из одних и тех же атомов углерода, но эти вещества имеют разные кристаллические решётки, поэтому обладают разными свойствами.

Если в компоненте системы можно выделить отдельные части и связи между ними, он называется подсистемой (системой более низкого уровня). Как правило, для каждой системы существует надсистема — система более высокого уровня. Например, процессор — это подсистема в составе компьютера (он состоит из нескольких взаимосвязанных узлов), а сам компьютер — подсистема в составе компьютерной сети (надсистемы).

Цель работы системы задаётся надсистемой.

Например, автомобиль служит для того, чтобы перевозить людей и грузы, цех выполняет задание директора завода, вы учитесь для того, чтобы быть готовыми к жизни после школы и т. д.

Простейшие компоненты системы, которые в данной задаче (!) нет смысла «разбирать» на части, называются её элементами. Например, винтик в составе машины можно считать элементом системы. Однако, с точки зрения химии, металл состоит из атомов, связанных в кристаллическую решетку, поэтому при изучении строения вещества тот же «винтик» можно считать системой. На рисунке 1.11 система S состоит из двух подсистем S₁ и S₂, а также элементов Г и Д.

Рис. 1.11

В результате развития системного подхода в середине XX века появилось новое научное направление — системный анализ. Задача системного анализа — изучение сложных систем (технических, биологических, экономических, социальных) на основе теории управления и теории информации.

Системы управления

Во многих системах взаимодействие между подсистемами можно рассматривать как управление. Такие системы (их называют системами управления) всегда содержат управляющий объект (в теории управления его называют регулятором) и управляемый объект (просто «объект»). Цель управления чаще всего задаётся извне, т. е. регулятор является только исполнителем. Например, водитель служебной машины никогда не решает сам, куда везти своего начальника.

Регулятор действует на объект (управляет им) так, чтобы цель была достигнута (рис. 1.12).

Рис. 1.12

Управление (управляющее воздействие) — это сигнал, который поступает от регулятора к объекту. Это значит, что при управлении передается информация.

На приведённой схеме (см. рис. 1.12) регулятор не получает никакой информации о состоянии объекта, т. е. действует «вслепую». Такие простейшие системы управления называют разомкнутыми, в них информация идет только в одну сторону, от регулятора к объекту. Приведём некоторые примеры разомкнутых систем:

• светофор (выдаёт вам световой сигнал, но не получает информации от вас);

• табло на вокзале или в аэропорту;

• процессор выставляет данные для записи в ОЗУ на шину, ждёт некоторое время и затем, без всякого подтверждения от ОЗУ, продолжает работу (считается, что ОЗУ работает надёжно и за это время данные всегда записываются);

• начальник отдаёт приказания, но не проверяет их выполнение.

Разомкнутые системы используются в двух случаях. Во-первых, когда регулятору всё равно, реагирует ли объект на управление (светофор, табло). Во-вторых, когда регулятор настолько хорошо знает объект (имеет точную модель объекта), что уверен в выполнении своих команд. Например, начальник, уверенный в исполнительности своих подчинённых, может позволить себе (иногда) не контролировать их.

Достоинство разомкнутых систем — в их простоте. Например, во многих случаях частоту вращения электродвигателя регулируют простым реостатом, при этом не нужно ставить сложный и дорогостоящий датчик частоты вращения.

В ответственных случаях разомкнутые системы лучше не применять, потому что они имеют серьезные недостатки:

• для достижения цели регулятор должен иметь точную модель объекта; на практике такая модель чаще всего неизвестна;

• на объект всегда действует внешняя среда, и из-за этого воздействия свойства объекта могут непредсказуемо меняться; регулятор в разомкнутой системе не получает об этом никакой информации.

Даже очень исполнительные работники могут в какой-то момент «схалтурить» из-за личных переживаний или неурядиц. Поэтому в разомкнутых системах чаще всего нельзя гарантированно достичь цели управления, т. е. решить поставленную задачу.

Для достижения цели регулятор должен получать информацию от объекта. Этот канал передачи информации называют обратной связью, потому что по нему информация передаётся (с помощью датчиков) в обратном направлении, от объекта к регулятору (рис. 1.13). Системы с обратной связью называют замкнутыми системами управления, потому что информация передаётся по замкнутому контуру, циклически.

Рис. 1.13

Задача регулятора — сравнить поставленную цель и реальное состояние объекта, а потом выдать нужный управляющий сигнал. Если цель достигнута, как правило, сигнал управления больше не изменяется.

Например, регулировщик, управляющий движением на перекрёстке, использует обратную связь. Он оценивает (с помощью глаз-датчиков) количество машин, движущихся в разных направлениях, и «открывает» то или другое направление. Человек управляет лучше, чем светофор, потому что учитывает реальную обстановку, которая может изменяться непредсказуемо.

Чаще всего реальные системы управления (в природе, технике, обществе) — это замкнутые системы. Они обладают несомненными достоинствами:

• могут решать задачу даже тогда, когда модель объекта неточна или свойства объекта изменяются во времени;

• позволяют учитывать случайные воздействия внешней среды.

За это приходится расплачиваться усложнением системы — нужны датчики, которые передают информацию от объекта.

Представьте себе, что в тёмной комнате упала на пол пуговица, и вы не слышали, как она стукнулась. Сказать точно, где лежит пуговица, не сходя с места, невозможно, потому что вы этого не знаете (модель неточна). Вы можете попробовать искать её на ощупь (используя обратную связь — осязание). Если и это не получается, можно включить свет (зрительная обратная связь даёт больше информации), и тогда пуговица точно будет найдена (если она, конечно, там есть). В этом примере датчиками служат наши органы чувств.

Системы с обратной связью широко используются в технике. Это, например, автопилоты на самолётах и судах, регуляторы частоты вращения турбин, роботы, оборудованные датчиками (в том числе устройствами «компьютерного зрения»).

Обратная связь существует и в обществе. Жалобы граждан должны помогать работе органов управления, сигнализируя о том, что не всё в порядке. Не зря все официальные учреждения имеют контактные телефоны и сайты в Интернете, с которых можно отправить сообщение с просьбой или предложениями по их работе.

Обратная связь, при которой регулятор стремится уменьшить разницу между заданной целью и фактическим состоянием объекта, называется отрицательной.

Если нужно быстро перевести объект из одного состояния в другое, иногда применяют положительную обратную связь, при которой регулятор стремится увеличить разницу между заданным значением и сигналом обратной связи. Часто в этом случае система переходит в колебательный режим, поэтому положительная обратная связь используется в генераторах колебаний. Другой пример положительной обратной связи — цепные реакции в химии и физике (горение, взрыв, ядерные реакции).

Системы управления делятся на автоматические и автоматизированные. Автоматические системы работают без участия человека, например автопилот. В автоматизированных системах сбор и предварительную обработку информации выполняет компьютер, а решение по поводу управления принимает человек.

Многие системы умеют «подстраиваться» под изменения внешних условий или изменение свойств объекта управления. Они называются адаптивными. Классическая адаптивная система — глаз человека, который изменяет диаметр зрачка в зависимости от освещённости. В технических системах адаптивные регуляторы могут управлять объектом, модель которого очень плохо известна или меняется. Они параллельно решают две задачи — управляют и уточняют имеющуюся модель, что, в свою очередь, позволяет улучшить управление.

Вопросы и задания

1. Объясните, что такое управление.
2. Как связана информация с управлением?
3. Какая наука изучает общие закономерности процессов управления и передачи информации? Кто считается её основоположником?
4. Что такое система? Чем она отличается от группы объектов? Приведите примеры.
5. Что такое подсистема?
6. Всякий ли объект можно считать системой? Почему?
7. Как вы думаете, можно ли назвать русский язык системой? Обоснуйте ваш ответ.
8. Объясните, почему операционная система, файловая система и система программирования - это именно системы?
9. Что такое системный подход?
10. Чем различаются естественные и искусственные системы?
11. Чем различаются понятия «компонент системы», «элемент системы» и «подсистема»? Приведите примеры.
12. Что такое надсистема? Почему цель для системы всегда задает надсистема? Приведите примеры.
13. Что такое система управления? Какие элементы в ней всегда есть?
14. Что такое обратная связь? Зачем она нужна?
15. От чего зависят свойства системы?
16. Приведите примеры разомкнутых систем. В чём их достоинства и недостатки?
17. Почему разомкнутые системы не используют в ответственных случаях?
18. Почему разомкнутые системы всё же используются, несмотря на их недостатки?
19. Перечислите достоинства и недостатки замкнутых систем.
20. Приведите примеры управления с обратной связью из разных областей, из вашей жизни.
21. Что такое отрицательная обратная связь?
22. Когда используют положительные обратные связи?
23. Чем различаются автоматические и автоматизированные системы?
24. Что такое адаптивные системы? Приведите примеры.

Подготовьте сообщение

а) «Вклад Н. Винера в науку»

б) «Системы управления в природе»