Системы с одним запасом

Запас и два балансирующих цикла обратной связи (циклы конкурируют между собой) — так работают обогреватели с термостатом

В примере с кружкой кофе мы увидели поведение системы, которая управляется одним балансирующим циклом об-

в трех томах его книга о «системном зоопарке», в которой приведены описания и результаты имитационного моделирования для более чем ста «системных животных». Некоторые из них в слегка измененном виде приводятся в данной книге. Hartmut Bossel. System Zoo Simulation Models. Vol. 1: Elementary Systems, Physics, Engineering; Vol. 2: Climate, Ecosystems, Resources; Vol. 3: Economy, Society, Development. Norderstedt, Germany: Books on Demand, 2007.

Рис. 15. Температура в помещении регулируется обогревателем с термостатом

ратной связи, а он стремится сравнять температуру кофе с комнатной. Что же произойдет, если в системе будет два таких цикла, изменяющих величину запаса в разных направлениях?

Классический пример такой системы — работа комнатного обогревателя с термостатом. Он регулирует температуру в помещении, при необходимости включаясь и нагревая воздух. Как и все модели, представление термостата на рис. 15 сильно упрощено — реальные системы контроля температуры в помещениях могут быть гораздо сложнее.

Если температура в помещении падает ниже целевой температуры, заданной в термостате обогревателя, датчик улавливает разницу и подает сигнал включить нагревательный элемент, чтобы нагреть воздух в комнате. Когда температура в помещении достигает желаемого значения, термостат выключает нагревательный элемент. Это простой балансирующий цикл обратной связи, направленный на поддержание конкретного значения запаса; на схеме он показан слева. Если бы в системе не было никаких других составляющих, то ее поведение выглядело бы так, как показано на рис. 16: холодная комната, термостат установлен на 18 °С, обогреватель начинает греть воздух, температура поднимается. Когда фактическая температура срав-

Рис. 16. Холодная комната прогревается до температуры, установленной в термостате

няется с целевой, заданной в термостате, нагревательный элемент отключится, температура перестанет меняться и останется равной целевой.

Однако в системе этот цикл не единственный. Часть тепла уходит из помещения на улицу в виде потерь. Утечки тепла описываются вторым балансирующим циклом обратной связи, показанным на рис. 15 справа. Он неустанно пытается сравнять температуру внутри помещения с уличной — точно так же, как было с остывающей кружкой кофе. Если бы в системе был только этот цикл (то есть если бы не было обогревателя), тогда температура в комнате менялась бы так, как показано на рис. 17 — становилась бы все ниже и ниже, пока в итоге не сравнялась бы с уличной.

Комната не может быть идеально заизолирована, поэтому, если снаружи холодно, то утечки тепла из нагретой комнаты на улицу неизбежны. Но чем лучше теплоизоляция, тем меньше эти утечки, и тем медленнее будет понижаться температура.

А теперь вопрос: что будет происходить, если оба цикла в системе работают одновременно? Допустим, что теплоизоляция комнаты выполнена достаточно хорошо, а обогреватель имеет достаточную мощность. Тогда цикл, отве-

Рис, 17. Теплая комната постепенно остывает, пока температура в ней не достигнет 10 °С, как на улице

чающий за нагрев, будет сильнее, чем цикл, отвечающий за остывание. Вам удастся нагреть помещение, даже если поначалу было холодно и снаружи, и внутри. Температура будет меняться так, как показано на рис. 18.

Чем выше становится температура в комнате, тем больше будут утечки тепла на улицу, поскольку разность меж-

Рис. 18. Обогреватель поднимает температуру в помещении, несмотря на утечки тепла из комнаты на улицу

ду температурой внутри и снаружи растет. Обогреватель продолжает работать, пидавая тепла больше, чем уходит в виде утечек, температура будет расти и дальше, просто несколько медленнее, но в итоге все-таки достигнет значения, близкого к тому, что установлено в термостате. Затем обогреватель отключится, а после этого будет время от времени включаться снова, компенсируя потери тепла.

В нашем примере в термостате установлено целевое значение 18 °С, но реальная температура в комнате установится на уровне немного ниже 18 °С из-за утечек, которые не прекращаются ни на минуту. Так ведут себя все системы с соперничающими балансирующими циклами обратной связи, хотя иногда их поведение может показаться неожиданным. Образно говоря, система пытается наполнить доверху ведро с дырявым дном. Мало того, что ведро протекает, так еще и количество вытекающей жидкости управляется циклом обратной связи: чем больше воды в ведре, тем выше давление и тем быстрее вода утекает. В примере с комнатой мы пытаемся поднять температуру в помещении, чтобы внутри стало теплее, чем снаружи. Но чем теплее в комнате, тем больше утечки тепла на улицу. Обогревателю нужно время, чтобы после включения компенсировать эти потери, но в это время тепло все равно продолжает теряться. В доме с хорошей теплоизоляцией утечки тепла меньше, поэтому обстановка там комфортнее, чем в плохо заизолированном доме, даже если поставить в нем мощную печку.

С домашними обогревателями люди научились управляться, устанавливая в термостате температуру чуть выше, чем та, которой они на самом деле хотят добиться. Насколько выше — это уже другой вопрос, тут не все очевидно, ведь в холодный день утечки тепла на улицу больше, чем при хорошей погоде. Но обычно все-таки удается подобрать нужные настройки и обеспечить себе комфортную обстановку.

В других системах с такими же разнонаправленными циклами балансирующих связей подобное изменение запаса может сильно осложнить все попытки взять ситуацию под контроль. Представьте себе, что вам необходимо поддерживать определенный запас товаров на складе при магазине. Допустим, какое-то наименование почти распродано. Заказ новой партии требует некоторого времени, но ведь во время ожидания продажи будут продолжаться. Если вы не будете учитывать, сколько товара будет продано за время ожидания новой партии, ваш склад постоянно будет испытывать нехватку продукции. Точно такие же сложности возникнут при попытке постоянно иметь определенный запас наличных денег, удерживать уровень воды в водохранилище на какой-то отметке, поддерживать определенную концентрацию вещества, участвующего в непрерывной химической реакции...

Все эти примеры роднит один общий принцип, и еще один относится к системам с термостатом. Он формулируется так: информация, получаемая за счет обратной связи, может повлиять только на будущее, предстоящее поведение; внутри системы информация распространяется с запаздыванием, и воздействие не может быть настолько быстрым, чтобы моментально скорректировать поведение, вызвавшее текущую обратную связь. Лицо, принимающее решение на основе обратной связи, не может изменить текущее поведение системы, вызвавшее эту обратную связь; все принимаемые решения повлияют только на ее поведение в будущем.

Информация, которую передает цикл обратной связи (даже если эта связь не носит физического, вещественного характера), может повлиять только на будущее поведение системы. Сигнал невозможно доставить настолько быстро, чтобы это позволило скорректировать поведение, вызывающее текущую обратную связь. Даже если информация имеет абстракт ный характер, она передается в системе с определенныг/ запаздыванием.

Почему это так важно? Потому, что отклик всегда будет поступать с запаздыванием. Ни один поток не может повлиять на другой поток во мгновение ока. Влияние возможно только опосредованно, через изменение запаса, и только после некоторой задержки в принятии поступающей информации. В ситуации с наполнением ванны на то, чтобы оценить уровень воды и решить, как подрегулировать краны, уходит доля секунды. Во многие экономические модели заложена большая ошибка, поскольку их разработчики полагают, что потребление или производство могут дать мгновенный отклик, к примеру, на изменение цены. Это одна из причин, по которой реальные экономические системы ведут себя не совсем так, как предсказывают модели.

Принцип, который относится к системам с термостатом (вы могли бы и сами сформулировать его на основе нашего несложного примера), заключается в том, что вы всегда должны учитывать утечки, непрерывно происходящие в том или ином направлении. Если вы не будете брать их в расчет, вы никогда не достигнете желаемого значения запаса. Если в помещении надо обеспечить температуру в 18 °С, то в термостате нужно установить значение немножко выше, чем желаемое. Если вы хотите полностью погасить кредит (или страна хочет рассчитаться с долгами), то платежи надо увеличить настолько, чтобы покрыть те проценты, что будут начислены за время прохождения платежа. Если вам надо увеличить штат сотрудников,

В балансирующий цикл обратной связи, направленный на поддержание запаса неизменным, нужно вносить поправку на то, чтобы компенсировать влияющие на него же постоянные утечки, в каком бы направлении они ни происходили. Без такой поправки система промахнется мимо желаемого значения, и запас достигнет либо меньшей, либо большей величины.

то придется проводить наем быстрее, чем обычно, чтобы компенсировать уход тех сотрудников, кто уволится, пока вы нанимаете новых служащих. Другими словами, сложившееся у вас представление о системе — мысленная модель — должна включать все важные потоки. В противном случае поведение системы вас сильно удивит.

Прежде чем мы закончим изучение системы с термостатом, нужно проанализировать, как будет меняться поведение в зависимости от изменения температуры на улице. На рис. 19 показан характерный график изменений за сутки для нормально работающей системы с термостатом в условиях, когда ночью сильно холодает и температура падает ниже нуля.

У любого балансирующего цикла обратной связи есть некая переломная точка, после которой другим циклам, влияющим на запас, удается пересилить первый цикл и увести величину запаса в сторону от желаемого значения. В нашей системе с термостатом такое может произойти в том случае, если увеличатся утечки (на улице холоднее или теплоизоляция дома хуже) или обогреватель будет менее мощным — то есть либо цикл, отвечающий за нагрев

Рис. 19. Обогреватель поднимает температуру в холодной комнате, несмотря на то что постоянно происходит утечка тепла из помещения на улицу, где ночью температура существенно ниже нуля

воздуха в помещении, станет слабее, либо цикл, описывающий утечки тепла наружу, станет сильнее. На рис. 20 показано, что происходит в системе, если на улице температура точно такая же, как на рис. 19, а тепло теряется быстрее. В этом случае обогреватель не сможет справиться с утечками тепла. Цикл, стремящийся сравнять температуру в помещении с уличной, станет в системе доминирующим, и в комнате тогда будет очень неуютно.

Обратите внимание: изменение во времени переменных, изображенных на рис. 20, происходит с определенной взаимной зависимостью. Сначала и на улице, и в комнате одинаково холодно. Поток тепла от обогревателя больше, чем потери тепла из-за утечек, поэтому в помещении становится теплее. В течение одного-двух часов температура на улице еще довольно умеренная, обогревателю удается компенсировать потери почти полностью, и температура в комнате держится близко к желаемому значению.

Однако затем на улице холодает, утечки становятся сильнее, и обогреватель уже не в состоянии компенсировать все потери. Температура в помещении снижается. Когда к утру на улице снова устанавливается умеренная

Рис. 20. В холодный день обогреватель не справится со своей задачей, тепло будет улетучиваться из всех щелей

температура, потери тепла уменьшаются, и обогревателю, который на самим деле ьсе это время работал на полную мощность, удается понемногу поднимать температуру и нагревать комнату.

Изменения происходят по тому же сценарию, что и наполнение ванны: всякий раз, когда обогреватель дает больше тепла, чем теряется из-за утечек, температура в помещении растет. Верно и обратное: всякий раз, когда входящий поток становится меньше выходящего, температура снижается. Если вы потратите некоторое время на изучение изменений в системе по этим графикам и соотнесете их с потоковой диаграммой, у вас сложится довольно полное представление о структурных связях в этой системе и о том, как два цикла обратной связи меряются силами и тем самым вызывают изменение поведения во времени.

Date: 2015-05-19; view: 777; Нарушение авторских прав