Повар, добавив в приготовляемую пищу сахар, соль, перец, снимает пробу, оценивая результат. Затем вновь добавляет эти продукты до тех пор, пока не добьется желаемого эффекта, то есть пока не устранит рассогласования между своим представлением о вкусно приготовленном блюде и своими фактическими вкусовыми ощущениями.
Как видите, он действует примерно по тому же принципу, что и шофер, пилот, машинист. Конечно, в соответствии с тем процессом, которым он управляет, обратная связь устанавливается теперь не по перемещению или скорости, а по вкусу пищи.
Человек берет стакан воды. «Стакан — глаза — мозг» образуют полукольцо обратной связи в живой системе управления движением руки. И мозг управляет многочисленными мышцами руки так, чтобы фактическое движение стакана мало отличалось от расчетного.
Конечно, даже в этом сравнительно простом движении очень много непонятного. Как умудряется человек не пролить ни капли воды? Как он выбирает скорость и ускорение, с которыми нужно переносить стакан с места на место? Как он выбирает силу схвата, чтобы стакан не выскользнул из руки, и непринужденно меняет положение кисти, в то время как стакан совершает сложную пространственную траекторию?
Но, несмотря на то, что мы еще далеки от исчерпывающего познания сложнейших биологических механизмов переработки информации и выработки программ, можно для описания этого движения применить все ту же схему замкнутой в кольцо системы управления.
Можно ли разоблачить человека, который притворяется глухим? Оказывается, можно! Для этого нужно надеть на него наушники и заставить говорить в соединенный с наушниками микрофон через специальное устройство так, чтобы звук поступал в наушники без искажений, но с запаздыванием. Многочисленные опыты показали, что человек, слышащий свою речь со сколько-нибудь большим запаздыванием, сбивается и не может говорить.
Все дело в том, что управление речью, так же как и управление движениями, строится все по той же замкнутой схеме. Начиная говорить, человек слышит свой голос и немедленно определяет рассогласование между фактической и необходимой высотами звука; далее вступают в действие механизмы, регулирующие натяжение голосовых связок. И в течение всего процесса речи, будь то монолог артиста, лекция ученого или оживленный диалог в трамвае, говорящий, слыша себя, управляет своей речью, непрерывно устраняя рассогласование между желаемым и фактическим ее звучанием. Он не может говорить, слыша себя с задержкой, превышающей некоторую определенную величину.
Примерно так же действует пианист, согласовывая фактическое и желаемое звучания инструмента. Он не может ни от кого получить точные указания о том, каково должно быть это желаемое звучание, и вынужден в конечном счете выбирать его сам. Техника и работоспособность помогают ему добиться того, чтобы он мог исполнить музыкальное произведение так, как задумал. И в зависимости от ряда таинственных факторов, от степени совершенства замкнутой системы управления, свойственной этому пианисту, он становится гениальным музыкантом, лауреатом всемирных конкурсов, рядовым артистом или простым любителем.
Во всех случаях, о которых мы сейчас рассказали, управляющая часть системы, воздействуя на управляемую ее часть, одновременно сама «чувствует» и учитывает результат этого воздействия. Обе части системы — управляющая и управляемая — связаны двойной связью: прямой и обратной.
Мы подошли к одному из самых важных в современной технике (да и не только в технике) понятий — к понятию обратной связи. И пожалуй, самое удивительное, что это понятие стало отчетливо складываться всего лишь лет двадцать — двадцать пять назад.
Журден — персонаж комедии Мольера «Мещанин во дворянстве» — страшно удивился, когда узнал, что он всю жизнь говорит прозой.
Не меньше были удивлены ученые и инженеры, когда выяснилось, что, сами того не зная, они давно и успешно используют идею обратной связи при создании самых различных машин. Использовали ее задолго до того, как она была окончательно сформулирована, подобно тому как средневековые инженеры и изобретатели интуитивно применяли законы механики задолго до того, как они были открыты Ньютоном.
Никем не высказанная, она вела людей, работающих в совершенно различных отраслях техники. Они искали решения частных технических задач и зачастую находили их, интуитивно применив идею обратной связи.
На протяжении многих лет машины и автоматы рассматривались с самых различных точек зрения, хуже или лучше оценивающих, насколько эффективно они работают. И никто не догадывался, что возможна еще одна новая и необычная точка зрения, рассматривающая, как организованы в этих системах процессы управления. А затем события начали развиваться по схеме, типичной для решения многих научных и технических проблем. Кто-то (сейчас невозможно сказать, кто именно) сумел по-новому взглянуть на ставшую уже привычной и обыденной картину действия одной из машин, сумел вдуматься в принципы ее действия, увидеть ту особенность ее устройства, которая потом, будучи понятой и изученной, стала казаться такой очевидной, что было даже странно, как раньше эту особенность могли не замечать.
Кто-то другой сумел оценить это, пусть даже единичное, наблюдение, понять важность замечательного явления, придумать для него выразительное название.
Потом это явление заинтересовывает многих других ученых и инженеров, начинаются поиски аналогичных явлений; и скоро выясняется, что они весьма многочисленны и распространены, только их почему-то (даже непонятно почему!) до сих пор не замечали.
Так развилась идея и теория обратной связи в технических системах, в теории управления.
Одновременно аналогичную идею стали выявлять физиологи и биологи, изучая процессы, протекающие в живых организмах, и процессы взаимодействия живых организмов с окружающей средой.
С понятием обратной связи необходимо свыкнуться, пытаясь разобраться, как действуют многие современные автоматы.
Легче всего это сделать на примерах, начиная с тех, что попроще, даже если они относятся к технике прошлого. И нам не миновать вновь вернуться к паровому двигателю и вспомнить еще об одном изобретении.
Помните, как сказочный мальчик Поттер догадался механизировать процессы впуска и выпуска пара и благодаря этому попал в историю?
Но полностью механизировать процесс управления ему не удалось, и эту работу пришлось завершить Уатту.
Дело в том, что паровой двигатель, даже механизированный Поттером, требовал непрерывного наблюдения. До тех пор пока развиваемая им мощность полностью отбиралась присоединенной к нему рабочей машиной, все обстояло благополучно. Но как только такой энергетический баланс нарушался, тотчас согласованное действие сбивалось, обороты двигателя резко убывали при возрастании нагрузки и, наоборот, при падении нагрузки быстро увеличивались. Чтобы поддерживать их постоянными, машинисту приходилось систематически регулировать подачу пара в цилиндр двигателя. Нетрудно сообразить, что он должен был уменьшать количество впускаемого пара при увеличении оборотов и увеличивать его — при уменьшении.
Уатт избавил машиниста от этой утомительной работы. Он изобрел специальный регулятор, автоматически поддерживающий определенное число оборотов при изменениях нагрузки. И если раньше изменение режима работы двигателя машинист улавливал на слух или, пользуясь приборами и перемещая заслонку, регулировал доступ пара в цилиндр, то теперь это делал автомат. Центробежный регулятор, вал которого приводится во вращение двигателем, «улавливает» изменения оборотов последнего с помощью грузов. Под действием центробежных сил грузы расходятся, когда обороты вала растут, и опадают, когда обороты уменьшаются. При этом они с помощью механической передачи приводят в движение заслонку, соответственно уменьшая или увеличивая подачу пара в цилиндр.
Машинист, как и регулятор, действует так, чтобы устранить рассогласования между заданными и фактическими оборотами. Двигатель — слуховые или зрительные ощущения машиниста — мозг — вот полукольцо обратной связи, построенное по уже знакомой нам схеме, когда управление машиной осуществляет человек.
В паровой машине с регулятором в кольцо управления вместо машиниста включены механизм грузов и механизм привода заслонки. Эти механизмы в обычных условиях работают надежнее машиниста: они не устают, не отвлекаются, они не размышляют о посторонних предметах и не подвержены настроениям. Их только нужно периодически смазывать и проверять. И один из них будет исправно собирать и передавать информацию о самых малых изменениях оборотов второму механизму, который эту информацию использует для выработки сигнала, управляющего заслонкой.
Есть очевидная аналогия между тем, что делают машинист и регулятор. Но, конечно, нет никакой аналогии между тем, как они это делают. Можно совершенно точно рассчитать все действия регулятора, количественно оценить все его характеристики. Что касается действий машиниста, то они никакому прямому математическому расчету не поддаются, а в характеристиках, которые в случае необходимости выдаются машинисту, приводятся, безусловно, очень важные, но все-таки чисто качественные оценки: «хороший», «знающий», «умелый».
Регулируя обороты двигателя, машинист одновременно выполняет ряд других обязанностей, связанных с обслуживанием двигателя и управлением им.
Механизмы регулятора выполняют единственную функцию — поддержание оборотов двигателя на одном и том же уровне.
Образно говоря, «на глазах регулятора» может начинаться авария, требующая немедленной остановки двигателя, а он будет тупо вести двигатель к неминуемой катастрофе, до последнего мгновения стремясь поддерживать постоянную скорость вращения.
По-разному действуют машинист и регулятор, выполняя задачу регулирования оборотов. И вместе с тем они реализуют один и тот же принцип управления, в основе которого лежит идея обратной связи.