Цифровой журнал «Компьютерра» 2012 № 45 (145) - [9]
Мы описали регуляцию позы посредством отрицательных обратных связей. В нашем случае прямая связь – влияние мышечной активности на положение тела. Но положение тела само влияет на мышечную активность – это обратная связь. Те обратные связи, благодаря действию которых начальное отклонение компенсируется (результат срабатывания обратной связи противоположен по знаку начальному отклонению), называются отрицательными (–ОС). Отрицательные обратные связи стабилизируют систему, на их действии основан механизм регуляции. В случае положительных обратных связей (+ОС) начальное отклонение усиливается. Положительные обратные связи переводят систему в иное состояние.
Давайте приведу свой любимый пример отрицательных обратных связей. На костре стоит котелок. Если котел горит слишком сильно, вода из котелка выкипает и частично тушит огонь. Кипение уменьшается, и огонь постепенно начинает разгораться... Это – система, в которой реализуется отрицательная обратная связь. А в каком случае она была бы положительной? Если бы в котелке был керосин (или хотя бы жир)!
Простые неживые системы обычно сохраняют свои параметры постоянными благодаря своей косности, статичности. Живые системы динамичны. Их характеристики оказываются постоянными вследствие работы –ОС.
Для управления системами важно понять, какие именно параметры определяют частоту и амплитуду колебаний. В примере с опьянением мы видели, что увеличение запаздывания в работе –ОС приводит к уменьшению частоты автоколебаний и увеличению их амплитуды. Если такое запаздывание окажется слишком сильным, система может просто «вылететь» из того диапазона состояний, в котором регуляция оказывается эффективной. Например, сильно пьяный человек может отклониться от вертикального положения настолько, что ему потребуется взмахивать руками или выдвигать в сторону падения ноги. Фактически это означает, что для поддержания вертикального положения тела включаются новые обратные связи.
Чтобы показать этот эффект, я обычно прошу выйти ко мне какого-то студента, ставлю его рядом с собой, отвлекаю внимание, а потом коварно толкаю. Чтобы удержаться на ногах, он взмахивает руками. А следующий шаг в рассуждениях мы обсуждаем уже чисто виртуально: я спрашиваю, что будет, если вызванное моим толчком отклонение превысит его регуляторные возможности. Он упадёт.
Тело человека при падении отклоняется настолько, что его начинает валить земное притяжение. Чем сильнее он отклонится, тем сильнее он будет отклоняться тяготением. Такое поведение характерно для систем, вышедших за диапазон регуляции –ОС и попавших в диапазон преобладания +ОС.
Работу обратных связей можно наглядно показывать в виде определённой поверхности, по которой «скатывается» динамическая система (нечто вроде эпигенетического ландшафта Уоддингтона, если знаете, о чём я).
Такие аналогии полезны, но не надо забывать, что поверхность, по которой «катится» система, не является для неё чем-то внешним. Рассмотрите рисунок как иллюстрацию состояния пьяного человека, и вы поймёте, что показанная на нём поверхность – выражение тех связей, которые работают и в самой системе тоже!
Не думайте, что +ОС – плохи. К примеру, индивидуальное развитие организмов управляется в первую очередь ими. Именно они переводят развивающуюся систему с одной стадии на другую.
А почему шарик, скатываясь по показанной на рисунке поверхности, уклоняется то вправо, то влево? Почему регулируемая обратными связями величина колеблется? Причина — в запаздываниях. Никакие петли обратной связи не срабатывают мгновенно. Чем большее время требуется системе на то, чтобы среагировать на уклонение, тем больше она отклонится от оптимального состояния, и тем сильнее окажется «перелёт» через норму, когда реакция наконец-то сработает.
В авиации есть эффективный способ определить, насколько хорошо лётчик умеет, например, заводить самолёт на посадку. Локаторы регистрируют горизонтальные и вертикальные отклонения реальной траектории самолёта от оптимальной – глиссады. Любой лётчик отклоняется от глиссады то в одну сторону, то в другую. Однако хороший лётчик реагирует даже на небольшие отклонения реального маршрута от идеала и корректирует их настолько, насколько нужно для возвращения к оптимуму. Плохой пилот выписывает траекторию, которую его коллеги сравнивают со следом, который оставляет на земле струйка мочи идущего быка.
Зачем я это всё растолковывал? Понятийный аппарат, который мы сейчас обсуждали, пригоден для описания самых разных процессов – и относительно простых, и весьма сложных. Попробую сделать какие-то выводы. Эффективно управляемый процесс порождает быстрые мелкие колебания тех величин, по которым мы судим о его состоянии. Более длительные колебания со значительной амплитудой свидетельствуют о неэффективности управления; попытки заблокировать колебания могут привести к потере системой управляемости и её переходу в иное качество.
