Тема форума: «Эксклюзивные занятия по МВАП: Развитие мышления по схемотехническим принципам. Обратная связь.»

Самый вульгарный пример обратной связи – когда мышь запустили в трубу и конец трубы соединили с началом. Мышь будет бегать по кругу.

Связь в самом прямом смысле – обратная: выход сигнала подается на вход.

Сигнал – мышь. И связь положительная, т.к. мышь с выхода на вход приходит в неизменной форме.

Предположим, что мы все время запускаем новых мышей по штучке с каждым кругом. Из в трубе становилось бы все больше.

Вот если бы что-то сделало из мыши ее противоположность, то, выскочив из выхода и став противоположностью, она бы аннигилировала с новой запускаемой мышью и мышей бы не было больше одной: если первая аннигилировала, то запущенная вторая мышь пробжела бы круг и тут же аннигилировала с новой мышью. Мышей бы стало в два раза меньше, чем число запускаемых.

Почувствуйте разницу: в случае положительной обратной связи сигнал усиливается (не мгновенно, а с некоторой скоростью запуска мышей) пока в треба не станет непроходимой (сопротивление ограничивает ток сигнала).

А при отрицательной обратной связи число мышей стабилизируется.

Вот почему положительная обратная связь вызывает циклическое циркулирование процесса.

Люди, мыслящие по схемотехническому принципу обратной связи, придумали беличье колесо, ленту транспортера, беговую дорожку, цепную передачу и многое другое. Т.е. если этот принцип хорошо сидит в автоматизмах, то очень многое можно придумать полезного, до чего не додумается другой.

 

В примере с электрозвонком контакт рычажка размыкается, когда его притянет якорь электромагнита, прерывая цепь тока и рычажок отлипает, снова замыкая контакт. Рычажок – активный элемент, у которого выход – контакт, а вход – магнитный поток. Замыкающийся контакт прямо вызывает магнитный поток, т.е. связь положительная. Сорри за то, что предлагал ответить, что является здесь генерирующим фактором – обратной связью, но важно было задуматься. Обычно в схемотехнике связь достаточно просто идентифицируется. А вот когда мы выходим за границы обыденного, становится сложно: вот что заставляет поддерживать колебания квантов (суперструн)?

 

А теперь очень многозначительный и предметный эксперимент.

Я взял обычную шумовку (длинную ложку с широкой пластиной, а которой наделано много дырок). Продел в ручку карандаш (можно просто привязать веревку, но карандаш ограничивает возможность качания в одной плоскости).

Пустил из крана довольно сильную струю воды и приблизил платину к струе. Ясен пень ее оттолкнуло, шумовка провернулась маятником на ручке и снова попала под струю. Начались автоколебания.

Но можно подобрать такую тонкую струйку, которая хоть и чуть отклонит пластинку, но не вызовет автоколебания: положительная обратная связь оказалась недостаточной для накопления нужного для автоколебания количества воды. Ток воды (мышей), входящей на пластину, не позволяет накопиться там достаточному количеству кинетической энергии чтобы отклонив пластину, прервать ток воды на нее. Получается условие генерации, связанное со скоростью подачи тока, так, чтобы обратная связь стала накапливать этот ток.

 

Здесь сложно выделить элемент обратной связи, поэтому сделаем опыт более очевидным.

Возьмем коромысло от весов, на одном конце которого будет гирька (200 грамм для наглядности), а к другому концу прицепим 5 легких стаканчиков на одной оси: ряд стаканчиков – поперек коромысла (под прямым углом). Начнем наполнять стаканчика сразу пятью стайками воды. В какой-то момент равновесие измениться и стаканчики пойдут вниз. Эти стаканчики были продернуты чуть выше середины так, что легко могут вращаться, если их наклонит и у них есть наклоняющие выступы. Опустившись до края ограничительной пластины, выступы стаканчиков заставят из перевернуться и вылить воду. Если бы стаканчики опускались медленно, то они бы просто затормозились зы выступ, но до этого места они уже успели набрать много воды и их скорость (инерция) придала им достаточную кинетическую энергию, чтобы опрокинуть и вылить воду. После чего пустые стаканчики взлетят вверх. Начнется автоколебательный процесс.

Пожалуйста, осмыслите это дело и выявите граничные условия автоколебания, и суть обратной связи.

 

Зачем нужны были несколько стаканчиков, а не один? Я хотел создать водяной аналог срабатывания нейрона по пяти входам. Пока равновесия не было нарушено достаточным весом воды, нейрон перевешивался гирькой, которая определяла его порог срабатывания.

Пожалуйста, осмыслите этот принцип порога срабатывания (кооперирования), само устройство – компаратор (сравнивающий величину сигнала с порогом) и попробуйте найти компараторы в окружающей бытовухе (и вообще где угодно).

К понедельнику нужно всем отписаться по результатам освоения этого важнейшего куска понимания в практическом плане способности видеть обратную связь, порог срабатывания (болевой порог и т.п.) компарирование (действие при превышении порога срабатывания и) мысленно воображать схемные последовательности в практическом применении с этими принципами.

А еще стоит поиграть в игрушку, которую нашел Айк.

Не знаю, правильно ухватил или нет, но объясню. 

автор: nan сообщение № 45938:

Пожалуйста, осмыслите это дело и выявите граничные условия автоколебания, и суть обратной связи.

В примере со стаканчиками понимаю принцип обратной связи в том что вход это наливаемая вода, а выход это стаканчики (или они останутся висеть в том же положении или перевесят гирю). Автоколебание это вращение коромысла вверх-вниз поочердно с концов после наливания воды. Обратной связью будет сигнал, обозначающий перевес либо гирьки либо стаканов. 

Порог срабатывание в данном случае – превышение веса гири. 

автор: nan сообщение № 45938:

принцип порога срабатывания (кооперирования), само устройство – компаратор (сравнивающий величину сигнала с порогом) и попробуйте найти компараторы в окружающей бытовухе

Датчик дыма противопожарной безопасности, датчик движения, датчик включения батареи в ИБП. В последнем случае порог – отключение электропитания, предпоследнем и первом тоже видимо сравнивается получаемое из жизни с заложенным в компаратор эталоном (порогом). Датчик передаёт положительную обратную связь и в этом случае срабатывает сигнализация (включается свет, подаётся электроэнергия из батареи в случае ИБП)

автор: nan сообщение № 45948:

А еще стоит поиграть в игрушку, которую нашел Айк.

Поиграл, но с подсказками из ютуба (() Самостоятельно не смог пройти 2-ой уровень, когда две мыши на транспортере двигались в одну сторону, а колоны для сброса шара находились посередине. Кстати, версия без установки доступна тут http://playminigames.ru/game/the-incredible-machine-neveroyatnaya-mashina (но осторожно, она не сохраняет уровни) Nan, нужно таки добиться прохождения уровня в игре, на котором произошла закупорка? 

автор: temnaya+loshadka сообщение № 45953:

Обратная связь необходима, чтобы процесс был непрерывным и замкнутым, без необходимости прикладывать дополнительные внешние усилия

Как видится мне, обратная связь необходима для провоцирования следующего действия в схеме или вне её, поскольку без обратной связи элемент не выполняет никакой роли. 

Айк попросил подождать, как напишет - продолжим. Ну и lol еще.

Конкретно в эту игрушку по предложенной участником Packer ссылке и рекомендованную Айком поиграть не смог, как-то чересчур там мутно все для меня, неочевидно, неудобно, даже немного раздражает это мельтешение на экране. Не вижу смысла заставлять себя играть именно в нее, проходить какие-то определенные уровни. Глянул более современные аналоги под android на планшете, в одной из игрушек прошел несколько уровней.

Прохождение таких игрушек мне видится как-то так: посмотреть, чего надо добиться, наметить общую идею схемы, общий замысел, попробовать произвести какие-то отдельные манипуляции, прикинуть, чего не хватает для достижения цели данного игрового уровня, что-то еще поменять в схеме, оценить, насколько приближает это изменение к цели, подправить (возможно, вернуться на один или несколько шагов назад и развивать схему иначе, если это направление прикидок показалось тупиковым), и так далее, и в результате некоторого количества итераций такой подгонки может получиться схема, успешно проходящая тест. В общем, в игрушках таких все как и везде.

О механизме колебаний квантов(суперструн) мне сказать пока нечего, сорри.

В течение последних нескольких суток многократно возвращался к предложенной тут для осмысления инфе, честно пытался осмыслить. Но кое-что так и не понял.

nan, в примере с мышью в трубе ты на анимации изобразил два простейших случая:
1) одна мышь, незамкнутая труба
2) одна мышь, замкнутая (закольцованная) труба

Но эти примеры и так кажутся очевидными (разве что идея с дверцами, открывающимися лишь в одном направлении, для задания направления мышиным бегам, мне бы в голову не пришла: когда я читал текстовое описание, я представлял себе мышь как абстрактный объект без собственной воли, как шарик, который толкнули и он покатился).

Третья ситуация, когда в замкнутую трубу запускают мышей одну за другой и они бегают по кругу, пока в трубе хватает для этого места, в общем, тоже представляется очевидной.

А вот четвертый случай, когда запускаются не только мыши, но и некие анти-мыши, с их взаимоисчезновением, мне вообразить пока так и не удалось в описанном варианте.

"Вот если бы что-то сделало из мыши ее противоположность, то, выскочив из выхода и став противоположностью, она бы аннигилировала с новой запускаемой мышью и мышей бы не было больше одной: если первая аннигилировала, то запущенная вторая мышь пробжела бы круг и тут же аннигилировала с новой мышью. Мышей бы стало в два раза меньше, чем число запускаемых".

Мне это представляется так: очередная мышь, пробежавшая круг, по сути, каждый раз заменяется новой. А более детально процесс выглядит так. Одна мышь пробежала, став анти-мышью, в момент добавления второй мыши эти анти-мышь и вторая мышь аннигилируют, в итоге в трубе мышей нет. Теперь добавляем очередную мышь, и вот эта третья мышь побежала по кругу. Пробежав, стала анти-мышью, аннигилировала с вновь добавленной, уже четвертой, и вот в трубе опять пусто, добавляем пятую мышь, она побежала... И так далее. При таком раскладе в трубе действительно "мышей бы не было больше одной".

Но почему тогда "Мышей бы стало в два раза меньше, чем число запускаемых"? Как это понимать, почему именно в два раза? Допустим, бегают по кругу n мышей, они все стали анти-мышами. Добавили k обычных мышей, в итоге осталось |n-k|, разве не так? Что в описании данного мысленного эксперимента я не так понял? Может, есть анимация этого случая, а я ее просто не заметил?

Сорри за занудство. Возможно, я не в том месте, где следовало бы, копаю, пытаясь докопаться до хоть какого-то понимания, быть может, это ничего не значащие детали, углубляться в которые нет смысла, но мой мозг пытается зацепиться хотя бы за это, хотя бы тут немного распутать. Сегодня или завтра постараюсь и другие уточняющие вопросы сформулировать.

автор: lol сообщение № 45956:

О механизме колебаний квантов(суперструн) мне сказать пока нечего, сорри.

Это случай, когда мышь бегает сколько угодно долго и не теряет сил. Вот если пустить электроны по сверхпроводящему проводнику, замкнутому на самом себе, то ток будет бесконечно долгим. Обратная связь есть, но нет никаких потерь, требующих добавления новых порций энергии для поддержания зацикливания. В случае кванта это состояние называется стоячей волной: волна накладывается сама на себя в точности, образую узор суперпозиции (не только для кванта, а для любых волн). Понятие потерь, сопротивления (и обратное ему понятие проводимости) - важнейшие в схемотехнике и мы посвятим этому отдельный этап, опять же без паяльника, на хорошо воспринимаемых моделях.

Насчет положительности и отрицательности обратной связи в случае подпитки новыми порциями мышей, попробуйте представить, что мышь не делается точно антимышью, а постепенно ее становится, на четверть, на половину, на 100% и далее на 125% ... что будет происходить при контакте с подпитывающими мышами? Это - еще один принцип: сдвиг фазы по отношению к первоначальному состоянию. Именно от того, на какой угол сдвинется фаза и будет результат: если на 0, 360, 720 и т.д. то будет положительная связь (мышь остается полностью сама собой) , если на 180, 540 и т.д. - мышь становиться противоположной, зеркально отраженной.

Можно представить себе так, что мышь не бежит лапками, а кувыркается. Если она к выходу из трубы окажется в том же положении, что при входе, то связь положительная, а если она оказывается на спине - то отрицательной (будем считать, что поза 69 - анигиллирующая).

автор: Клон сообщение № 45952:

Мне кажется пять стаканчиков будут больше оказывать тормозное влияние

Почему? В смысле будут мешать друг другу? Мы можем вообразить 10000 стаканчиков (как бывает число синапсов у нейрона), выполненных по нанотехнологии, очень маленьких и невесомых, весить будет только налитая вода :) Почему не один стаканчик, а много? А у каждого своя наливная трубочка от датчиков воспринимаемых признаков. У нас типа глаз сделан из матрицы (сетчатки) краников, когда свет попадает на микрокраник, то по трубочке от данной точки зрения пойдет вода. У каждого узора зрения получится свой вес наливаемой воды, если еще сделать так, чтобы если в этой точке нет света, то краник яркости закрыт, но при этом открывается краник затемнения и по трубочке поступает вода в стаканчики на другой стороне коромысла, оказывая перевешивающее, тормозное влияние. Тогда в такой схеме распознавателя грузика на другом конце коромысла не нужно. И если все трубочки окажутся не подсоединенными к 10000 стаканчиков (5000 наличия света и 5000 наличия тьмы), то коромысло с пустыми стаканчиками будет раскачиваться легко от малейшего воздействия – в точности как получается у нейрона, у которого нет еще синапсов.

автор: temnaya loshadka сообщение № 45953:

Автоколебания, выходит, повсюду вокруг - качели, волны, звуки... Обратная связь необходима, чтобы процесс был непрерывным и замкнутым, без необходимости прикладывать дополнительные внешние усилия. Один элемент влияет на другой, это запускает реакцию, которая циркулирует. Компараторы должны использоваться, например, в климатических устройствах (обозреватели, кондиционеры, увлажнители), где при достижении заданного порога температуры меняются параметры обогрева, охлаждения, орошения и т.д; в муз. и студийной аппаратуре, когда обрезаются частоты выше определённых, подавляются шумы, превышающие какой-то порог, и т.д; в медицине в системах поддержания жизнеобеспечения и отслеживания состояний больных, когда при выходе параметров за рамки установленных норм система выдаёт оповещение. Это что первое в голову пришло.

Вот как хорошо, когда получается видеть суть причинно-следственных принципов во всем вокруг. Это нужно все больше практиковать и с пониманием все новых принципов будет все яснее с устройством окружающего. А вот у людей, не натренировавших такое схемотехническое мышление, все будет оставаться вещами в себе и какими бы ни были заслуженными исследователи биореализации мозга, они просто не будут видеть и понимать как все взаимосвязано. Их видение будет очень бедно и несистемно. Это и есть главная причина тормозов в академической науке о мозге.

автор: Packer сообщение № 45954:

Как видится мне, обратная связь необходима для провоцирования следующего действия в схеме или вне её, поскольку без обратной связи элемент не выполняет никакой роли.

Схемотехническое взаимодействие может быть и без использования обратной связи, так называемое прямое распространение сигнала. Множество процессов не имеет обратной связи, т.е. воздействия результата причинно-следственного взаимодействия на причину. Нужно посмотреть вокруг и постараться выделить такие цепочки. Например в случае  “чудный пример такой сложной и выверенной схемы”.

Спасибо, что подождали.

 

>>> (nan) выявите граничные условия автоколебания

 
При автоколебаниях на вход подаётся стабильный активирующий поток энергии, в примере, который ты привёл этот струя воды. Стабильный активирующий поток энергии необходим из-за потерь энергии, которые возникают внутри системы. Возможное исключение - суперпроводники. Сам колебательный процесс реализуется за счёт внутренней механики системы.
 

Для организации колебаний автоколебательные системы используют обратную связь, когда результат работы системы (механической, электрической, термодинамической) влияет на её вход. То есть на вход такой системы подаётся некий стабильный поток энергии (поток воды из крана в примере), но так же на систему влияют результаты на выходе системы. Выход системы может регулировать подачу стабильного потока энергии (как в примере с водой, за счёт поворота механизма и блокировки подачи энергии), либо сам возвращать энергию на вход системы (реверберация в нейронах), в  случае нейронов, выходы замкнуты на входы.

 

Колебательный процесс, вообще говоря, можно организовать и без обратной связи. Например, водяное колесо может выступать в качестве генератора колебаний для какой-то внешней по отношению к колесу системы. Например, оно может выступать в качестве генератора переменного тока.

 

То есть граничные условия:

- стабильный поток энергии из вне

- обратная связь (нелинейная? положительная?)

- наверное, должно быть ещё какое-то граничное условие, например, скорость протекания сигнала по системе, чтобы её внутренняя механика позволяла осуществлять автоколебательный процесс.

 

Во всяком случае вот этот пример: "Пустил из крана довольно сильную струю воды и приблизил платину к струе. Ясен пень ее оттолкнуло, шумовка провернулась маятником на ручке и снова попала под струю. Начались автоколебания. Но можно подобрать такую тонкую струйку, которая хоть и чуть отклонит пластинку, но не вызовет автоколебания: положительная обратная связь оказалась недостаточной для накопления нужного для автоколебания количества воды.", - подталкивает к такой оценке.

 

 
>>> принцип порога срабатывания (кооперирования), само устройство – компаратор

 

Компаратор позволяет организовать нелинейность / дискретность в системе. Да / Нет. 0 / 1. 

Компараторы, собственно, это один из способов организовать колебания внутри системы с обратной связью. 

 

>>> попробуйте найти компараторы в окружающей бытовухе (и вообще где угодно).

 

Сложно сказать, где их нет. Это и распознавание образов в нервной системе, и внутриклеточные механизмы, работа иммунной системы. Все системы обрабатывающие информацию: транзисторы, структуры if в кодах программ, встроенные в лифт весы, которые отказываются перевозить слишком лёгких блондинок и жиртрестов :)

автор: Айк сообщение № 45959:

Колебательный процесс можно организовать и без обратной связи.

Я думаю, если выделить общий принцип генерации колебаний, то там всегда присутствует обратная связь. Просто в случае "ручей - водяное колесо" это связь в динамической системы из этих двух объектов. Иначе получается путаница в определении граничных условий автоколебаний.

автор: Айк сообщение № 45959:

Колебательный процесс можно организовать и без обратной связи. Например, водяное колесо может выступать в качестве генератора колебаний для какой-то внешней по отношению к колесу системы.

Назовем это не автоколебательным процессом, а процессом воздействия автоколебательного процесса на зависимый от него.

автор: Айк сообщение № 45959:

Сложно сказать, где их нет.

Попробуй (ты, Айк и все другие участники) назвать причинные цепочки без компарирования для того, чтобы четко привыкнуть различать это и не получалось так что все что движутся - колебания или компарирование :)

И еще, попробуйте в модели, когда мышь перекатывается, а не бежит лапами, получить зависимость сдвига фазы или того, в каком положении окажется мышь на выходе трубы - в зависимости от длины трубы, т.е. понятно, что если длина ее кувыркающегося тебя точно совпадет целое число раз с длиной трубы, то она вылетит в том же состоянии и обратная связь получится положительной. Это - очень важное представление о том, как меняется фаза сигнала при его продвижении и что из этого следует.

Стараюсь давать только то, что точно очень нужно будет для понимания схемотехники нейросетей, лишнего не даю. Так что если обращаю на что-то внимание, значит это пригодится потом.

Нужно некоторое время, чтобы все это уверенно осело в памяти и перешло в легкость понимания и использования, не будет спешить перейти к следующим принципам. Нужно больше мысленных практик при заинтересованном восприятии всего вокруг в контексте схемотехнического мышления.

>>> Просто в случае "ручей - водяное колесо" это связь в динамической системы из этих двух объектов.

 

Согласен.

автор: temnaya loshadka сообщение № 45963:

- это же все примеры цепочек без колебаний и компарирования?

Важное уточнение: без автоколебаний, т.е. без положительной обратной связи.

автор: temnaya loshadka сообщение № 45963:

А вот по части перевёрнутых мышей и сдвига фаз я что-то потерялась. Сдвиг фазы - это следующий этап в изучении положительной и отрицательной обратной связи в электроцепях?

Специально такой темы не будет потому, что сдвиг фаз не характерен в схемотехнике нейронных цепей, там нет гонок сигналов, когда в зависимости от длины прохождения по аксонам какой-то сигнал оказывается в мишени раньше и получает преимущество: против гонок сигналов работает простой принцип интегрирования во времени нейроном всех поступающих сигналов и сглаживания общего эффекта в конечном счете. Хотя физиологи нашли такие гонки, когда сигнал через синапс ближе к телу нейрона вызывает его активацию и лишь потом более дальний тормозной прерывает процесс, но на распознавательную функцию такие нюансы практически никак не влияют.

Принцип интегрирования во времени – важный принцип и его тсоит иметь в виду.

Но само явлени сдвига фаг, ели говорить о развитии общего схемотехнического мышления, очень важен потому, что он часто встречается в причинных цепочках взаимодействий и может давать решающий эффект. Кроме того, сдвиг фаг сигнала обратной связи имеет решающее значение в том, будет ли обратная связь отрицательной (противодействуя входному сигналу) или положительной (усиливая входной сигнал) или получится какое-то промежуточное значение.

Поэтому ты представь, что катящийся кувырком крыс имеет длину окружности катящегося тела, которое разматывается по длине трубы так, что на выходе может быть состояние тела крыса в точности такое, как было на входе (положительная связь) или противоположное – голова впереди (отрицательная обратная связь) или не то ни се. Просто прими, что если положение тела строго обратное, то будет считать, что такой зеркальный крыс, схлестнувшись со впушенной новой особью, превратит ее в ничто, а вот если на выходе будет нормальный крыс, то они побегут уже вдвоем.

Все ли нормально уверенно усвоилось по теме? Вопрос ко всем: переходим далее или еще обсуждаем?