Азбука системного мышления

К экосистемам мы еще вернемся, а пока изучим по отдельности несколько типичных «системных животных» в нашем зоопарке.

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