Кибернетика

Итак, робот с помощью своих органов чувств получил информацию о внешней среде: он увидел, услышал, почувствовал! Нужно реагировать на полученные сигналы. Протянуть руку, взять нужную деталь, с большой точностью установить ее на место, закрепить болтами или винтами и т. д.

Как все это выполнить "по-человечески" - плавно, без лишней суеты, рывков? Ответ на этот вопрос дает кибернетика. Кибернетика неотделима от бионики. Говорят, что кибернетика родилась "под знаком робота".

В самой краткой формулировке кибернетика - это наука об общих законах управления в живых и неживых системах.

Специалистов в области кибернетики объединяет общая цель: максимально автоматизировать процессы управления в различных сферах деятельности человека, повысить производительность труда. Но для этого необходимо глубоко и всесторонне изучить объекты Управления, найти закономерности, которым подчиняются процессы управления, раскрыть принципы организации и структуры управляющих систем. И неизбежно объектом самого пристального изучения, самых детальных исследований становится живой организм: сам человек как управляющая система высшего типа, те или иные функции которой инженеры и ученые стремятся воспроизвести в автоматах. Краеугольные камни кибернетики - теория информации, теория алгоритмов и теория автоматов.

В развитии кибернетики большую роль сыграли и биологические науки, изучающие процессы управления в живой природе. Но, конечно, решающим в становлении этой новой науки был бурный рост электронной автоматики и особенно появление быстродействующих вычислительных машин. Они открыли невиданные возможности в обработке информации и в моделировании систем управления. Как в музыке стремятся "положить на ноты" все человеческие чувства и настроения, так и в кибернетике стремятся "положить на числа" все ситуации, происходящие в природе и нашем сознании.

Кибернетика открыла дорогу применению точного научного анализа для решения проблем управления современными техническими средствами и стала теоретической основой роботостроения.

Общность различных систем управления проявляется во многом и прежде всего в строении сложных динамических систем. Повсюду управление сопряжено с передачей, накоплением, хранением и переработкой информации, характеризующей управляемый объект, ход процесса, программу работы и т. п.

Кибернетика обогащает инженеров, создающих сложные автоматы, опытом природы, выработавшей на протяжении миллионов лет самое сложное, что есть на свете, - организм человека.

Происхождение кибернетики известно так же точно, как и происхождение бионики. В 1949г. появилась книга, которая называется "Кибернетика или управление и связь в животном и в машине". Ее автор - Норберт Винер, профессор Массачусетского технологического института, талантливый ученый (он получил степень доктора наук в Гарвардском университете, когда ему было всего восемнадцать!), математик и философ, к тому же удивительный полиглот, владеющий четырнадцатью языками. Во время второй мировой войны профессор Винер занимался вопросом автоматической наводки зенитных орудий. Тогда уже появились первые следящие радарные установки, которые точно определяли положение и постоянно измеряли скорость самолета, попавшего в луч радара. Известно, что орудие наводят не на самолет, а на точку впереди него. Действительно, выпущенному снаряду нужно какое-то время долететь до цели, а за это время самолет успеет переместиться. Значит, положение точки прицела является функцией длины траектории снаряда, а длина траектории, в свою очередь, зависит от положения точки прицела. Разбирая эту функциональную зависимость, мы оказываемся перед задачей, где неизвестное - длина траектории - является функцией самого себя. Винер нашел элегантное решение и создал вычислительную машину, так сказать замкнутую на саму себя: часть сигнала, полученного на выходе, снова передавалась на вход машины. Это была так называемая система замкнутой петли, или петли обратной связи. Благодаря такой обратной связи машина самостоятельно находила точное время движения снаряда и правильно вычисляла положение точки прицела (рис.22).

Понятие обратной связи считается общим для техники и биологии. Принцип обратной связи используется, например, в системе, управляющей равновесием человека. Можно привести много примеров, показывающих, что в теле человека имеется огромное количество термостатов, автоматических регуляторов и иных устройств с обратной связью. Их вполне хватило бы для большого химическою предприятия. В организме, например, должно быть определенное количество лейкоцитов для защиты от инфекции, обмен кальция должен быть таким, чтобы кости не размягчались, а ткани не кальцинировались и т. п.

Понятие обратной связи далеко выходит за рамки автоматических систем, ее проявление можно встретить в природе и обществе, оно широко используется в науке и технике.

Так что же такое обратная связь?

Допустим, мы наблюдаем за поведением какого-либо объекта. Это может быть и техническое сооружение, и человеческий мозг, и природное явление. В любом случае у объекта можно выделить входной сигнал, т. е. набор влияющих на него воздействий, и выходной - его реакции на эти воздействия. Если изменения выходного сигнала, в свою очередь, влияют на входной, то говорят, что имеет место обратная связь. Если она противодействует причинам, вызвавшим изменения выхода, ее называют отрицательной, если же она усугубляет, усиливает действие причин, - положительной.

Графически система управления с обратной связью представлена на рис. 23. По цепи обратной связи измеренная выходная величина поступает на элемент сравнения, который определяет возможное отклонение от заданной входной, и подает сигнал рассогласования или ошибки на регулятор. Сигнал вырабатывает такое управляющее воздействие, которое в зависимости от того, будет ли обратная связь отрицательной или положительной, уменьшит или увеличит рассогласование.

Рис. 22. Схема автоматической наводки орудий

В той или иной степени обратная связь присутствует практически во всех процессах и явлениях. Она может быть ничтожной и очень ощутимой. Астроном наблюдает за развитием далекой галактики, но не имеет возможности "замкнуть" цепь обратной связи и повлиять на это развитие. В то же время физик-ядерщик никак не может избавиться от присутствия паразитных обратных связей за счет влияния на исследуемые микрообъекты пусть даже самых тонких инструментов.

Значение принципа обратной связи для нашего благополучного существования очень велико. Мир, в котором не действовал бы этот принцип, был бы миром хаоса и нестабильных явлений. Возьмем простой пример. В джунглях возник пожар. Казалось бы, нет силы, могущей противостоять столь грозной стихии. Но вот над районом пожара создается зона разрежения, и туда стекаются массы холодного и влажного воздуха. Образуются тучи, которые и выполняют роль "пожарных".

Вскрывать и использовать обратные связи в природных и общественных явлениях, создавать новые автоматические системы с обратными связями - такова первоочередная задача, стоящая перед специалистами в области управления и роботостроения.

С возникновением кибернетики связаны надежды людей не только в области создания автоматов и роботов, но и в области социологии. Кибернетика с ее глубоким анализом внутренних и внешних связей процессов, механизмов позволяет приблизиться к созданию структурной и математической модели человека. А если создана модель, то появляется возможность ее анализа и выявления путей совершенствования и лучшего использования того, что моделируется. Ведь не секрет, что в наше время еще не создано системы подбора людей для той или иной деятельности. Очень многое здесь делается случайно. А если иметь объективную модель человека, то задача разумного и рационального использования человеческих ресурсов будет решаться значительно лучше.

От модели человека прямой путь к человекоподобным автоматам - роботам. Ведь нельзя создать подобие, не представив себе существо прототипа (человека).

Рис. 23. Система управления с обратной связью