Степанский Виктор Иосифович. Психоинформация. Теория. Эксперемент

функционирование объекта, однако сама по себе не может поддерживать постоянство его параметров. Как будет показано ниже, данная объяснительная схема в ее логическом плане самым непосредственным образом приводит к упоминавшемуся причинно-следственному замыканию, когда следствие становится причиной самого себя, и именно поэтому возникает необходимость в новом анализе причинно-следственных отношений, с одной стороны, реализующих, а с другой — обеспечивающих явление авторегуляции.
Рассмотрим интересующую нас проблему на классическом примере паровой машины, снабженной так называемым эксцентриковым регулятором, который предназначен для того, чтобы автоматически удерживать скорость вращения рабочего вала на некотором заданном уровне.
Прежде всего отметим, что сам по себе этот регулятор ничего специфически регуляторного в себе не содержит. Это простое механическое устройство (см. рис.1), один из параметров которого — положение грузов — изменяет свое значение в зависимости от другого параметра — скорости вала, на котором шарнирно закреплeны эти грузы, т.е. данное устройство скорее можно считать измерителем скорости вращения, чем каким бы то ни было регулятором. В связи с этим в дальнейшем будем называть этот регулятор просто эксцентриком, имея ввиду, что и он, и любой другой механизм становится регулятором только тогда, когда он может на что-то повлиять в результате изменения своего собственного состояния. В этом смысле ручка «громкость» в радиоприемнике — типичный регулятор громкости, хотя все устройство в целом называется «потенциометр» или «переменное сопротивление» и вне соответствующей электрической цепи радиосхемы никакую громкость оно, конечно, не регулирует.

Кроме того, на примере регулятора громкости полезно заметить, что сам по себе к изменению собственного положения он совершенно не способен, откуда вытекает естественное разделение на «просто» регуляцию и авторегуляцию: последнее подразумевает изменение состояний регулятора без вмешательства извне, причем понятие «обратная связь» для данного различения совершенно не требуется.
Теперь необходимо представить крайне упрощенную схему паровой машины, к которой впоследствии будет присоединен эксцентрик (рис. 2). Как показано на рисунке, в машине имеется собственный регулятор — дроссельная заслонка, от положения которой зависит количество подаваемого пара, а значит, и скорость вращения рабочего вала. Ввиду того, что заслонка не способна к произвольным перемещениям, для регулирования скорости вращения вала необходимо вмешательство извне, прилагаемое к дросселю в виде определенного воздействия. Таким образом, здесь имеется только простая регуляция без всякого «авто».

Кстати сказать, простая регуляция имеется и в описанном выше эксцентрике: чем больше скорость вращения вала, тем выше поднимаются грузы и в этом смысле вал является регулятором по отношению к эксцентрику, причем, так же как и в паре дроссель-вал регуляторное влияние распространяется только в одну сторону, а обратное воздействие объекта регулирования на регулятор не имеет места.
Начнем анализ явления авторегуляции с рассмотрения схемы, отражающей сочетание эксцентрика и паровой машины (рис. 3). Здесь эксцентрик либо непосредственно укреплен на валу паровой машины, либо связан с ним так, что вращение последнего передается на вал эксцентрика. Благодаря этому, скорость вращения рабочего вала машины воздействует на состояние эксцентрика, т.е. вал выступает по отношению к нему в качестве регулятора. В свою очередь, эксцентрик так или иначе связан с дроссельной заслонкой, причем при уменьшении центробежной силы и опускании грузов — дроссельная заслонка пропорционально раскрывается, а в обратном случае — закрывается, т.е. пропускает пара в преобразователь машины либо больше, либо меньше.

Ввиду того, что количество пара прямо влияет на скорость вращения рабочего вала машины, в итоге получается замкнутая авторегулирующаяся система: если скорость вращения уменьшается, то грузы эксцентрика опускаются и заслонка раскрывается, увеличивая подачу пара и повышая тем самым скорость вращения вала; по мере возрастания скорости грузы эксцентрика поднимаются, заслонка пропускает все меньше пара и вращение рабочего вала замедляется. Таким образом возникает автоколебательный процесс и при некоторых технических усовершенствованиях скорость вращения рабочего вала будет практически постоянной, несмотря на случайные колебания в количестве и давлении пара, а также изменения величины нагрузки на рабочем валу (но все это, конечно, в определенных пределах, называемых рабочим режимом машины).
Все вышеописанное давно известно и поэтому главный интерес в данном примере представляет не само явление авторегуляции, а логическая схема воздействий, имеющих место внутри данной авторегулирующейся системы. Как видно из рис. 3, система состоит из трех компонентов, каждый из которых связан с соседним одной связью, отображающей направленное воздействие: вала на эксцентрик, эксцентрика на дроссель, дросселя на вал, т.е. имеются три регулятора, образующие вкупе замкнутый контур воздействий друг на друга.
Кроме непосредственных воздействий в контуре имеются и опосредованные: вал на дроссель через эксцентрик, эксцентрик на вал через дроссель и дроссель на эксцентрик через вал. Помимо этих одинарных опосредований можно выделить и двухступенчатые, приводящие к тому, что каждый компонент системы воздействует как бы сам на себя: вал на себя через эксцентрик и дроссель, эксцентрик на себя через дроссель и вал, и наконец, дроссель на себя через вал и эксцентрик.
Из этого описания нетрудно сделать вывод, что все компоненты данной авторегулирующейся системы в отношении регуляции совершенно равноправны, так как с одинаковым основанием можно утверждать, что система поддерживает постоянным либо состояние вала, либо состояние эксцентрика, либо состояние дросселя, ибо каждый из этих компонентов действительно находится в определенном постоянном состоянии, при отклонении от которого «стремится» вернуться обратно. Отсюда следует, что нет никаких видимых оснований называть эксцентрик автоматическим регулятором, а дроссель или вал — объектами регулирования: каждый из них одновременно выступает в обоих качествах, т.е. авторегуляция, не будучи сосредоточена ни в одном из компонентов, реализуется через отношения между ними.
Тот факт, что главное значение в обеспечении свойства авторегуляции имеют именно отношения становится очевиден, если обратить внимание на то, что в рассмотренной системе два из трех отношений реализуют прямо пропорциональную зависимость (дроссель-вал и вал-эксцентрик), а одно — обратно пропорциональную (эксцентрик-дроссель). Если же все отношения станут, например, прямо пропорциональными, то система приобретет совершенно иное по сравнению с поддержанием константности свойство, а именно, самоускорение до технически возможного максимума или, наоборот, самозамедление вплоть до полной остановки (вал вращается быстрее — эксцентрик открывает дроссель — скорость вращения вала еще возрастает и т.д. Обратный процесс: вал замедляется — эксцентрик закрывает дроссель — скорость вращения еще уменьшается, и так до нуля). Аналогичный эффект возникает при наличии двух обратно пропорциональных отношений, т.е. комбинация противоположных зависимостей действительно определяет содержание авторегуляции в системе.
Все перечисленные варианты авторегуляции безотносительно к характеру пропорциональности порождающих их отношений имеют в своей основе кольцевую связь причин и следствий, наглядно представленную на рис. 4. Выбрав любой компонент системы в качестве исходного пункта, и продвигаясь по кольцу на один, два или три шага, можно сформулировать три однотипных утверждения, иллюстрирующих влияние каждого компонента на другие. Например: дроссель влияет на скорость вращения вала — один причинно-следственный шаг, дроссель влияет на состояние эксцентрика — два шага, дроссель влияет на положение дросселя — три шага, т.е. в конечном итоге дроссель воздействует сам на себя. Аналогичные рассуждения можно произвести также в отношении эксцентрика и скорости вала, но в силу того, что на практике интерес представляет только последний параметр, обычно говорят, что в этой конструкции имеет место авторегуляция именно скорости вала.

Как видно, само по себе это утверждение справедливо, но существенно неполно, так как в этой конструкции происходит также авторегулирование состояний эксцентрика и дросселя. Данное уточнение отнюдь не является излишним, поскольку при объяснении явления авторегуляции скорости вала обычно указывают на эксцентрик как на регулятор, да еще и автоматический, т.е. эффектом авторегуляции наделяется только один компонент системы. Кроме того, дроссельную заслонку нередко вообще опускают как само собой разумеющуюся техническую деталь, в результате чего получается взаимодействие эксцентрик-вал или взаимозамыкание причина-следствие. Последнее означает, что причина вызывает следствие, но и следствие воздействует на причину, т.е. следствие становится причиной для своей же причины, а причина становится непосредственным следствием своего же следствия.
Совершенно такое же логически абсурдное утверждение можно получить и для случая взаимодействия дроссель-вал, изображая всю конструкцию как черный ящик. Употребление этого выражения подразумевает, что о природе всех остальных компонентов нам ничего не известно, а наблюдению доступны только дроссель и вал, которые обозначаются как «вход» и «выход». Типичная схема воздействий выглядит в этом случае так, как показано на рис.5: вход влияет на выход, а выход — через обратную связь на вход. Результатом подобного представления авторегулирующейся системы также является упомянутый выше логический абсурд, а вывод, который из этого следует сделать, заключается в том, что если система состоит из двух компонентов, то их отношения могут быть только непосредственными, что в принципе исключает возможность авторегуляции.

Вернемся к рассмотрению трехкомпонентной системы. Можно ли утверждать, что эксцентрик является регулятором скорости вращения вала? — Нет, нельзя, поскольку ясно видно, что положение грузов непосредственного воздействия на вал не оказывает, так как между эксцентриком и валом находится дроссель. Можно ли утверждать, что эксцентрик и дроссель совместно регулируют скорость вращения вала? — Нет, и это не так, ибо для воздействия на вращение вала, т.е. для его регуляции, необходимо и достаточно наличие дросселя, а что влияет на сам дроссель с точки зрения простой регуляции совершенно не имеет значения. Если же перейти на позиции авторегуляции и задать вопрос о том, какой компонент системы ответственен за авторегуляцию скорости вала, то возникают две возможности: либо считать, что это делает сам вал, либо признать, что авторегуляция осуществляется всей конструкцией, причем по отношению к каждому из ее компонентов.
Другое дело, что практическое значение в паровой машине имеет только скорость вращения вала, но с точки зрения логики функционирования, все компоненты совершенно равнозначны, так как устранение любого из них делает невозможной авторегуляцию в отношении оставшихся. Последнее означает, что в авторегулирующейся системе невозможно выделить авторегулятор и объект авторегулирования, как это делается при простой регуляции. Все компоненты такой системы в регуляторном отношении равноправны, так как все они простые регуляторы по отношению друг к другу, а новое свойство образованной ими системы — авторегуляция — порождается кольцеванием их отношений.
Чрезвычайно важно отметить, что ни одно из этих отношений не имеет характера обратной связи. Как вытекает из вышеизложенного анализа, в рассмотренной типичной авторегулирующейся системе все связи между ее компонентами прямые, а считать две связи, приходящие по кольцу к одному и тому же компоненту, за одну и обозначать ее как обратную связь нельзя, так как в середине такой связи находится компонент-регулятор.
Столь же неправомерным было бы и разбиение системы на блоки путем выделения одного компонента и объединения двух других, как это сделано для примера на рис.6, поскольку в данном случае дроссель воздействует не на весь блок, а только на вал, т.е. объединение эксцентрика с валом осуществлено совершенно произвольно. Вообще в связи с попытками всевозможных объединений компонентов необходимо заметить, что совершенно противоестественным выглядит случай, когда большая часть системы как раз оказывается «обратной связью».

Итак, в авторегулирующейся системе, которая функционально ни с чем не связана, поддержание стабильности направлено в равной степени на каждый ее компонент, но в точно такой же системе, связанной через какие-то компоненты с внешней средой, функция стабилизации может быть рассмотрена в отношении только одного «выходного» компонента при игнорировании аналогичной функции в отношении остальных компонентов. Вот это и ведет к обозначению компонента на выходе системы как объекта регулирования, а всех остальных или некоторых из оставшихся компонентов — как регулятора, благодаря чему в авторегулирующейся системе появляется некий особый регулятор, связанный с объектом регулирования не только прямой, но и обратной связью, которая якобы и обеспечивает функцию авторегуляции.
Подобное понимание авторегуляции имеет право на существование только в том случае, если постоянно имеются ввиду некоторые оговорки, не позволяющие превратить это ограниченное утверждение в общую концепцию. Суть этих оговорок состоит в следующем: во-первых, в системе искусственно выделяется некий главный параметр и связь, обеспечивающая его реализацию, считается прямой, и во-вторых, та связь, которая вводится как обратная, не препятствует осуществлению прямой связи и потому является значительно более слабой в отношении функционального эффекта. Последнее можно пояснить на примере усилителя сигналов переменного тока (рис.7).

Основная функция этого устройства состоит в значительном увеличении сигнала, снимаемого с выхода, по сравнению с сигналом, который поступает на вход, что на рисунке обозначено как возрастание амплитуды. В связи с тем, что в процессе усиления возникают так называемые нелинейные искажения, способные существенно изменить форму сигнала на выходе, некоторая часть выходного сигнала передается обратно на вход в противофазе к входному сигналу (откуда и возникает обозначение этой обратной связи как отрицательной). Это позволяет как бы заранее вычесть искажения, вносимые усилителем, и таким образом значительно скомпенсировать нежелательный эффект на выходе.
Оставляя в стороне технические детали, отметим самое главное: несмотря на возникшее авторегуляционное кольцо, усилитель не теряет своего главного свойства — усиливать входной сигнал, что с точки зрения авторегуляции является парадоксальным, ибо наличие одной обратно пропорциональной зависимости должно обеспечивать не усиление, а стабилизацию данного параметра системы. Дело, однако, в том, что в рассматриваемом усилителе по цепи отрицательной обратной связи передается ничтожная часть выходного сигнала, что снижает коэффициент усиления весьма незначительно, но зато заметно подавляет нежелательные искажения. Таким образом, реализуя кольцевую связь причин и следствий, такая частичная отрицательная обратная связь отнюдь не обеспечивает постоянство всех параметров системы, т.е. данный усилитель может рассматриваться как авторегулирующаяся конструкция только в отношении удержания постоянства формы сигнала, но не его амплитудных характеристик.
Все это означает, что обратная связь может быть выделена как таковая только в том случае, если имеется: а) основание для указания прямой связи и б) признак отличия обратной связи от прямой — в данном примере значительно меньшая энергетическая мощность. Кроме того, говоря об обратной связи, всегда необходимо указывать ее знак относительно прямой связи — отрицательный или положительный. Отрицательный вариант, как было рассмотрено на примере с усилителем, состоит в том, что часть выходного сигнала передается обратно на вход в противофазе, тогда как при положительной обратной связи — в той же фазе, что и входной сигнал. Естественно, что во втором случае порождаемый в системе эффект имеет противоположный характер: изменения сигнала в процессе усиления не подавляются, а усиливаются, что специально используется в некоторых генераторах сигналов, а в усилителях носит название «паразитное самовозбуждение». Таким образом, один и тот же эффект может оказаться полезным в одних случаях и вредным в других, но все это с точки зрения внешнего наблюдателя (пользователя), а не самой системы, которая хотя и содержит в себе перечисленные связи, но не различает их на прямые, обратные, полезные, вредные и т.д.
В системе, существующей помимо наблюдателя, любая связь является только и единственно реализацией отношения воздействие-изменение, причем само изменение далее выполняет функцию воздействия, что и выражается цепочкой: причина — следствие/причина — следствие и т.д. Конкретные особенности воздействий и изменений, а именно, доля следствия, которая становится в дальнейшем причиной, и отрицательный или положительный характер связи выступают специфицирующими признаками явлений более низкой степени общности и, в частности, явления обратной связи. Что же касается явления авторегуляции, то единственным и наиболее общим признаком здесь оказывается закольцованность причинно-следственных отношений в количестве не менее трех пар причина/следствие. Требование наличия не менее трех пар связано с тем, что только при этом условии ни одно следствие не замыкается