Беседа 3. Кибернетика, информация и автоматы [1991 Зотов Б.И.

Николай Николаевич немного усовершенствовал магнитофон и соединил его с телефоном. Когда никого не было дома и звонил телефон, автоматически включался в линию магнитофон и голосом Николая Николаевича говорил:

"Вам отвечает автомат. Кто говорит и что передать хозяевам дома? Перехожу на прием вашей информации. Я вас слушаю, говорите!"

Саше так понравилась эта затея с магнитофоном-автоматом, что он специально звонил после школы в пустую квартиру. Потом приходил домой, включал магнитофон и слушал собственный голос.

- Ну, это не так уж сложно. Но мы уже давно собирались более подробно потолковать о теории: о принципах, идеях, законах и других основных положениях.

Телефон. Он тоже автомат

Промышленные автоматы многократно повышают производительность труда. На снимке: сварка стального листа во втором трубопрокатном цехе Таганрогского металлургического завода. Феерическое зрелище! А за ним стоит напряженный труд творцов новой техники

Один из блоков современной телефонной станции 'Квант'. Что-то выдал прибор - самописец?

Такой пульт управления напоминает озаренный вечерними огнями проспект

Человек, вооруженный теоретическими знаниями, мгновенно разбирается в любых практических вопросах, недаром говорят, что нет ничего практичнее хорошей теории. Вот хочу задать вопрос на засыпку, так сказать. Этим магнитофоном управляет автомат. Возьмем любой экспонат нашего музея: автоматы либо управляют чем-либо - станком, пушкой, самолетом и так далее, либо что-то измеряют, контролируют, не дают случиться аварии. Так вот, что общего между всеми этими устройствами?

- Дело вот в чем,- пояснил Николай Николаевич.- Любой автомат чем-то управляет. Конструкции, назначение - разные, а суть управления везде одна и та же.

- А андроиды?! - воскликнул Саша.- Они ведь сами по себе!

- Верно. Но андроид - сложная система. И одна из ее частей обязательно управляет работой других частей, всей системы в целом. Управление - понятие многоликое. Можно управлять магнитофоном, печью на хлебозаводе, прокатным станом, кораблем, самолетом или ракетой, а можно - школой, войсками на поле боя, сельским хозяйством, государством. Это всё разные системы, но суть не меняется: должен быть орган управления и то, чем он управляет,- объект управления или несколько таких объектов. Об управлении как таковом, независимо от того, что собой представляют эти объекты, создана особая наука - кибернетика. Слово это не новое. В переводе с древнегреческого оно звучит примерно так: искусство управления. Еще знаменитый ученый древнего мира Платон применял слово "кибернётес", означающее буквально "кормчий". Прошло около двух тысяч лет, прежде чем термин "кибернетика" появился в научной работе французского физика Ампера. Ампер разработал классификацию наук. По его мнению, должна существовать среди других наук и наука об управлении обществом. Он назвал ее кибернетикой. Прошло еще более ста лет, и в 1948 году американский ученый Норберт Винер выпустил в свет книгу "Кибернетика, или Управление и связь в живых организмах и машинах".

- Ну и что же такое управление? - спросил Саша.

- Это все воздействия - говоря научным языком - органа управления на управляемый объект, которые обеспечивают нормальную работу системы в целом. Надо бы еще упростить понятие "управление", но ничего проще я пока не придумал. Поясню на схеме. Вот так называемый кибернетический контур. Он состоит из органа управления, объекта управления, между которыми есть каналы связи - прямой и обратной.

Электронная плата

Кибернетика - наука об управлении и связи в живых организмах и машинах

Законы управления едины и не зависят от физической природы управляемых объектов, подобно тому, как един закон тяготения для всех тел: сила притяжения Земли действует одинаково на свинцовую пулю и пушинку

Терморегуляция у зимней совки - тоже процесс управления

- А разве нет управления без обратной связи? - недоумевал Саша.- Вот ты рассказывал про устройство музыкальной шкатулки. Ну, вертится барабан, эти самые шпеньки задевают за металлические полоски, они звучат, автомат играет. Где же тут обратная связь?

- Все верно. В простейших случаях обратной связи нет. Автомат жестко запрограммирован и ни на что не реагирует. Видишь, какую старину ты выволок из нашего музея! И подловил-таки отца. А вспомни-ка центробежный регулятор Уатта. Там обратная связь есть: регулятор управляет машиной, а машина - регулятором. Так вот, ты же хотел понять, как устроены современные сложные автоматы? Тогда придется вникнуть в теорию: хочешь или не хочешь, а только она может раскрыть глаза на их устройство и работу. Взгляни еще раз на кибернетический контур внимательно. Что идет по каналам прямой и обратной связи?

- Молодец,- похвалил Николай Николаевич,- догадлив стал. А что такое информация?

Не дожидаясь Сашиного ответа, он начал объяснять:

- Информация - основа автоматического управления. Слово произошло от латинского "информатио" - разъяснение, изложение...

- Опять иностранное слово,- буркнул Саша.- Что же, в русском языке нет подходящего?

- Понимаешь,- начал объяснять он,- раньше, в прошлом веке, да и в нашем, примерно до его середины, велась борьба против засорения русского языка иностранными словами, за его чистоту. Тогда кое-что удалось сделать: мы говорим "паровоз", "тепловоз" вместо "локомотив", "самолет" вместо "аэроплан", "вертолет" вместо "геликоптер". Но за последние десятилетия усилилась международная роль науки и техники, начался активный обмен научными разработками, идеями, оборудованием, патентами. Стало удобнее пользоваться одинаковыми понятиями, проще переводить книги и статьи. А у медиков всех стран, например, издавна повелось: латинский язык стал международным языком медицинских понятий. Вот так и со словом "информация" - оно удобно для обозначения всяких сведений или сигналов, которыми обмениваются люди, автоматы или животные. Или отдельные части автоматических устройств между собой. Информацию можно измерять. За единицу информации удобно принять сообщение об объекте, который может находиться всего лишь в двух состояниях - включен или выключен, да или нет, работает или не работает.

Автоматизированная система регулирования скорости вращения ротора газовой турбины - двигателя судна на подводных крыльях. Такие системы управления называют 'системами с гибкой обратной связью'. Системы управления, у которых есть только прямая связь и нет обратной, получили название 'жестко программируемых систем'. Такие системы имеют ограниченное применение - в детских механических игрушках, в простейших приборах и автоматах. Это и понятно: там, где нет обратной связи, нет учета изменений состояния окружающей среды и самой системы. В жизни же всегда происходят подобные изменения

Орган управления, объект управления, прямая связь и обратная связь образуют классический 'контур управления'. Кибернетика - это просто! Нужно только уметь разбираться в связях и циклах управления

Схема включения магнитофона. Такую управляющую приставку можно изготовить самому. А можно придумать и что-нибудь другое

Так принято в вычислительной управляющей технике: включено - единица, выключено - ноль. Да - '1', нет - 'О'. С помощью двух цифр можно закодировать любую информацию

Почему на велосипеде не ездят с завязанными глазами? Нет сведений, нет информации о дороге, столбах и других препятствиях. Без сведений нельзя управлять ни велосипедом, ни заводом, ни оркестром. Короче, нет управления без приема и передачи информации. А никакие сведения нельзя передать мгновенно. Требуется время.

Например, стоит вратарь и ждет удара по мячу: соперник разбегается и... кажется, что мяч полетит в левый угол. Удар! Мяч летит в другой угол. 11 все зрители видят, что вратарь запаздывает с броском.

Общее время всех задержек в знаменитом кибернетическом контуре управления называют циклом. Чем короче цикл управления, тем лучше. Вратарь с хорошей реакцией пропускает меньше голов, водитель — не допускает аварий. Медлительность в управлении производством ведет к потерям продукции, в управлении велосипедом — к наезду на камень или столб.

Если присмотреться внимательно к рисунку из старинной книги, то процесс выделки бумаги из тряпья окажется удивительно похожим на процесс обработки информации в современной вычислительной машине. В самом деле, в компьютере есть арифметическое устройство, а здесь - жернова, перемалывающие тряпье. У компьютера есть память для хранения чисел - исходных данных, промежуточных и окончательных результатов вычислений. На бумажной фабрике такую же роль играет склад. На фабрике есть водяное колесо - источник энергии. И любая вычислительная машина нуждается в энергии, только другого вида - электрической

Николай Николаевич открыл коробочку и показал Саше, что он сделал для автоматического включения магнитофона.

- Информация о том, что кто-то звонит, поступает в обмотку реле как раз в таком виде - со станции поступают электрические сигналы. Но я, когда ухожу, переключаю звонок телефона на реле. Звонок не звонит, да это и не нужно в пустой-то квартире. При первом же сигнале реле срабатывает. Через одну пару контактов реле начинает питать само себя, или, как говорят в технике, самоблокируется.

- Иначе реле не останется во включенном состоянии на нужное время разговора, оно отпустит свои контакты. Слушай дальше. Вторая пара контактов включит магнитофон. Тот, кто звонит, услышит записанное на пленке. Третья пара контактов включит два других реле - реле времени. Ну, два простейших часовых механизма. Первое реле времени переключит магнитофон с воспроизведения на запись того, что будут говорить по телефону. Второе реле времени отжужжит две минуты и выключит магнитофон. Автомат придет в исходное положение и будет готов принимать следующий звонок по телефону. Итак, автомат может быть в двух состояниях: включен или выключен. Обычно их обозначают единицей или нулем. Информация об этом и составляет один бит. Меньшего количества информации быть уже не может. Информация такого рода называется дискретной, то есть прерывистой. Ну вот, понемногу начинает проясняться, что управление трудно представить без приема, передачи, обработки и хранения информации. Конечно, автоматизация управления невозможна без технических средств.

- Подожди, папа. Ты забыл, что я еще в школе учусь - прямо закидал меня кибернетикой, битами, информацией. Каша у меня в голове.

- Извини, я увлекся. Кибернетика - наука об управлении. Она изучает объекты, системы, которыми требуется управлять, изучает способы управления и технические средства управления. Вот какое место занимают наши автоматы в современной науке.

- В основном - да. Всякий человек, более или менее серьезно занимающийся автоматикой, должен знать и о теории информации, и в математике разбираться.

- Есть один секрет. Дело вот в чем. Человек издавна пытался облегчить свой труд. Силу своих мышц он заменил сначала силой ветра и падающей воды, мускулами прирученных животных. Потом он научился использовать тепло. Началась эра механизации - к настоящему времени более девяноста процентов всей работы выполняют машины. На это затрачивается такое количество энергии, что машинами уже нельзя управлять абы как, на глазок. Ошибки, понимаешь, дорого обходятся. Да что ошибки! Можно управлять хорошо, а можно - еще лучше, на отлично, на пять с плюсом. Обычная автоматика - ну, в таком роде, как центробежный регулятор Уатта или вот эта штука,- Николай Николаевич показал на свой автоматический магнитофон-ответчик,- на это не способна. Нужны компьютерные управляющие автоматы. И математические способы управления.

Каких только автоматов не создано для облегчения труда и повышения его производительности! На этих страницах представлены некоторые из них. Есть и манипуляторы. Это еще не роботы, а 'простые' механизмы, повторяющие малейшие движения человеческих рук и усиливающие их. Такие манипуляторы незаменимы при работе с опасными предметами, от которых лучше держаться подальше. Так обращаются, например, с радиоактивными и ядовитыми веществами или с материалами, зараженными смертельными болезнетворными микробами

Автоматы делают труд человека легче, разнообразнее, приятнее. Из придатка станка или механизма, вынужденного целую рабочую смену делать утомительные и однообразные движения, человек превращается в контролера, настройщика, регулировщика новейших автоматических систем, в 'профессора в спецовке'. Грани между физическим и умственным трудом все-таки потихоньку стираются

Для работы на современных станках с числовым программным управлением требуются повышенные знания в таких областях, как программирование, электроника, электроавтоматика

И это еще не все. Нужно разбираться и в 'чистой' механике, в материаловедении, в теории обработки металлов резанием или давлением. Сейчас появилось немало новых технологий, связанных с применением лазеров, электронных, электроискровых и электроимпульсных методов

Недоучке, лодырю делать здесь нечего. Нужны точные знания. А в основе лежат обычные школьные курсы, физики, химии, математики. И уж конечно, каждый специалист, независимо от профиля работы, просто обязан освоить основы науки управления

- Я об этом уже не первый раз слышу,- обидчиво сказал Саша,- а ты все вокруг да около. А секрет?

- Не около ходим, а к этому идем. Ты не обижайся. Есть и взрослые дяди, которые не могут понять, зачем нужна математика и как с ее помощью лучше управлять. А секрет ты будешь знать, потерпи немного.

Англичане любят такую поговорку: "Сначала нужно сколотить тачку, а уж потом начинать возить песок". Вот сколачиванием такой тачки мы и займемся.