Законы и закономерности развития систем. Книга 4

Отрицательная обратная связь делает систему более устойчивой к случайному изменению параметров.

На рис. 22.23 затемненная часть сумматора обозначает, что он является инвертором (сигнал вычитается).

Рис. 22.23.Система управления с отрицательной обратной связью

Примером отрицательной обратной связи является любая система автоматического управления и регулирования, следящая система.

Пример 22.11. Инвертор

Простейший пример отрицательной обратной связи – это инвертор или инвертирующий усилитель (рис. 22.24). Он выполнен на операционном усилителе (ОУ). Обратная связь подается через сопротивление R3 на инвертирующий вход (он обозначается кружочком), при этом фаза выходного сигнала сдвигается относительно входного на 180?, поэтому обратная связь отрицательная.

Рис. 22.24. Схема инвертора (инвертирующего усилителя):

ОУ – операционный усилитель, R1, R2, R3 – сопротивления

Пример 22.12. Автопилот

Автопилот предназначен для автоматического управления самолетом в пространстве. Он содержит практически идентичные каналы управления по направлению (курсу) в горизонтальной плоскости, по крену (повороту вокруг продольной оси), тангажу (движение в вертикальной плоскости – повороты с носа на корму) и высоте. Рассмотрим канал управления по курсу.

Устройство канала управления самолетом по курсу изображено на рис. 22.25а.

Схема системы управления представлена на рис. 22.25б.

Объектом управления является корпус самолета (1). Сигнал о текущем направлении самолета получают с датчика направления. Обычно для этого используют гироскоп (2), который сохраняет неизменное положение в пространстве. Сигнал разности между текущим положением самолета и показаниями гироскопа подается на суммирующее устройство (3), где происходит сравнение данного сигнала с заданным направлением, соответствующим режиму полета. Разница между этими сигналами (рассогласование) усиливается (4) и поступает на исполнительное устройство (5) (двигатель), которое поворачивает руль направления (6), а он разворачивает самолет.

Рис. 22.25. Система управления самолетом по курсу

Пример 22.13. Терморегуляция

Повышение (или понижение) температуры тела человека регистрируется терморецепторами в коже и гипоталамусе, вызывая в мозгу сигнал отрицательной обратной связи, вызывающий понижение (или повышение) температуры.

Эффективность управления повышается, если управление осуществляется не только по управляемой величине, но и по ее производным и интегралу.

Производная позволяет раньше реагировать на изменение управляемой величины, а интеграл позволяет учесть предыдущие изменения.

Положительная обратная связь – это тип обратной связи, при которой изменение выходного сигнала системы усиливается за счет складывания с входным сигналом, способствуя дальнейшему отклонению выходного сигнала от первоначального значения.

Системы с сильной положительной обратной связью неустойчивы, в них возникают незатухающие колебания (автоколебания).

Положительная обратная связь используется, например, в усилителях, генераторах, переключателях и т. п.

Пример 22.14. Генератор

Простейший пример положительной обратной связи – это генератор. На схеме (рис. 22.26) генератор выполнен на операционном усилителе (ОУ). Обратная связь подается через сопротивление R3 на положительный вход, при этом входной и выходной сигналы складываются, усиливая выходной сигнал. Поэтому обратная связь положительная.

Рис. 22.16.Схема генератора:

ОУ – операционный усилитель, R1, R2, R3 – сопротивления

Пример 22.15. Возбуждение

Реакция возбуждения нервной системы является примером положительной обратной связи. Если не срабатывает отрицательная обратная связь, то организм перевозбуждается, что может привести к болезням или летальному исходу.

Вместе с тем положительная обратная связь выводит организм из застоя – переводит его на новый уровень, например, помогает в творчестве.

Пример 22.16. Инфляционные ожидания

В качестве примера положительной обратной связи рассмотрим проблему инфляционных ожиданий. Рост инфляционных ожиданий вынуждает людей делать больше покупок, чем необходимо. Увеличение спроса приводит к росту цен и усиливает инфляцию, что в свою очередь способствует повышению инфляционных ожиданий.

Самонастраивающаяся система – это система, в которой приспособление к случайно изменяющимся условиям обеспечивается автоматическим изменением параметров настройки или путем автоматического поиска оптимальной настройки. Самонастраивающуюся систему также называют адаптивной или самоприспосабливающейся.

В самонастраивающихся системах параметры меняются в более широком диапазоне по сравнению с обычными (несамонастраивающимися) системами, в которых осуществляется первоначальная настройка (создание определенных параметров) при разработке системы. Такие параметры влияют на устойчивость и качество процессов управления. Если эти параметры остаются неизменными, а условия функционирования (характеристики управляемого объекта, возмущающие воздействия) существенно изменяются, то процесс управления может ухудшиться или даже стать неустойчивым. Ручная настройка системы часто оказывается обременительной, а иногда и невозможной. Использование в таких случаях самонастраивающейся системы технически и экономически целесообразно и даже может оказаться единственным способом надежного управления.

Самонастраивающаяся система сохраняет работоспособность даже в условиях непредвиденного изменения свойств управляемого объекта, цели управления или условий окружающей среды посредством смены алгоритмов своего функционирования или поиска оптимальных состояний.

Развитой адаптивной способностью обладают все живые организмы.

Пример 22.17. Коммутатор

Коммутаторы предназначены для подключения и отключения входных сигналов. Они широко используются в серверах, чтобы повысить производительность пропускания каждого из каналов (портов). Каждый из портов имеет определенную скорость пропускания информации, что ограничивает общую производительность ее прохождения.

Компания IBM разработала коммутатор с самонастраивающимися портами, способными автоматически выбирать наибольшую скорость пропускания информации без блокировки каналов.

Пример 22.18. «Умные» кроссовки

Компания Adidas создала кроссовки снабженными микропроцессорами, датчиками и микромотором (рис. 22.27). Кроссовок адаптируется под почву, меняя амортизационные характеристики подметки. Кроссовки сами приспосабливаются к габаритам бегуна и длине его шага, выбирают оптимальную упругость для любого покрытия – от твердого до пересеченной местности и от сухих улиц до влажного океанского берега. Вес кроссовок составляет 400 г, из которых на «электронно-мозговую» часть приходится всего 40 г. Через каждые 100 ч необходимо менять батарейку.

Рис. 22.27. «Умные» кроссовки

Самообучающаяся система – это система, алгоритм функционирования которой совершенствуется путем самообучения в процессе работы, улучшая функционирование системы.

Пример 22.19. Выявление подозрительного поведения

Ученые американского университета штата Огайо разрабатывают систему, которая сможет автоматически выявлять факты подозрительного поведения людей на улицах.

Самообучающаяся система сможет распознавать в видеопотоке странные действия людей и машин, отслеживать выбранные объекты и при необходимости информировать полицию или скорую помощь.

На протяжении нескольких месяцев она накапливает сведения о типовых маршрутах передвижения по контролируемой улице и способна, например, отличать граждан, спешащих на работу, от заблудившихся подростков.

Пример 22.20. Поисковые системы

Информацию в Интернете ищут с помощью специальных поисковых систем, например, поисковой машины Google, которая обрабатывает в месяц более 40 млрд запросов. Программа поисковой машины самостоятельно изучает запросы и впоследствии предоставляет клиентам информацию, более подходящую для каждого из них. Например, предоставляет информацию, к которой чаще всего обращаются.

Самоорганизующаяся система – это система, которая способна синтезировать модель структуры системы в зависимости от ее предназначения и окружающих ее условий. Она разрабатывает алгоритм работы системы, проектируя систему управления, и по синтезируемой модели создает саму систему из имеющихся элементов. Такая система способна перестроить структуру системы, чтобы приспособиться к внутренним или внешним изменениям.

В простейшем случае система способна изменить связи между подсистемами, а в сложнейшем случае заменять, добавлять или изменять подсистемы для создания структуры, способной наилучшим образом выполнить необходимые функции.

Основное отличие самоорганизующейся системы от самонастраивающейся системы заключается в том, что в первой в процессе приспособления преобладают качественные изменения, а во второй – количественные.