Лекция 2 Принципы и задачи управления

Мы определили управляемую систему, как систему целенаправленную и создаваемую для достижения какой-нибудь цели. Анализ систем, могущих претендовать на звание управляемых и приведенных в качестве примеров подобных систем, демонстрирует некую общность, присущую этим системам.

Действительно, во всех примерах можно увидеть сходную общую структуру управляемой системы. В управляемой системе можно выделить «объект управления» (ОУ) – чем управляют и Устройство управления (УУ), субъект управления или систему управления (обозначаемые далее как СУ₁, СУ₂) – то, что управляет. То, чем воздействует УУ, СУ₁ или СУ₂ на ОУ будем далее называть Управляющим воздействием (УВ). Например, для автомобиля это поворот рулевого колеса, нажатие на педаль газа или тормоза, переключение скоростей с помощью коробки передач. В управляемой системе присутствует и то, что реализует управляющее воздействие. Этот компонент управляемой системы будем называть Исполнительным устройством. Если в качестве управляемой системы будем рассматривать организацию, то в качестве управляющего элемента будем понимать систему управления. Несомненно одно – в управляемой системе должны присутствовать следующие компоненты:

1. Цель

2. Объект управления

3. Устройство управления или Субъект управления или Система управления

4. Управляющие воздействия

5. Исполнительное устройство

находящиеся в определенном отношении и взаимодействии. Только при наличии этих компонент управляемая система может проявить свойство целостности – эмерджентность: способность достичь цель. Ни автомобиль, ни водитель таким свойством эмерджентности не обладают.

Дальнейший анализ управляемой системы показывает, что объект управления испытывает не только воздействия со стороны УУ, СУ₁ или СУ₂, но и со стороны элементов реального мира, не входящих в состав системы. Совокупность таких элементов будем называть окружающей средой (ОС). Вообще говоря, если ОС не оказывает существенного влияния на ОУ (с точки зрения достижения цели), то влияние ОС можно и не учитывать. Например, для автомобиля на хорошей дороге, небольшой боковой ветер может не приниматься во внимание. Однако, при увеличении скорости ветра, скорости автомобиля и уменьшения коэффициента сцепления шин с дорогой, боковой ветер, безусловно, заслуживает пристального внимания со стороны водителя – Субъекта управления, при выборе управляющего воздействия. В частности, это должно проявляться в большой плавности перекладывания рулевого колеса, плавности торможения и работы с дроссельной заслонкой на скользкой дороге. Таким образом, способ реализации и само УВ оказывается зависящим от воздействия ОС на ОУ. Ну а сам выбор УВ, естественно, должен определяться текущим состоянием ОУ относительно цели. Имея в виду, что ОУ «перерабатывает» объекты реального мира, структурную диаграмму, изображающую управляемую систему, можно представить в виде:

Стрелки, начинающиеся кружочками и оканчивающиеся в СУ, демонстрируют, что СУ для выработки УВ должен обладать информацией (сведениями) о состоянии ОУ – положении относительно цели и воздействии, которое оказывает ОС на ОУ. Будем полагать, что кружочки «измеряют» положение ОУ и воздействие на ОУ со стороны ОС, то есть являются датчиками Д₁ и Д₂. Стрелки, идущие от датчиков будем называть каналами связи. Прямым каналом связи будем называть стрелку по которой поступает информация о состоянии ОС (вернее о влиянии ОС на ОУ) в СУ, а обратным (обратите внимание на направление этой стрелки на диаграмме) каналом – стрелку,по которой информация о состоянии ОУ поступает в СУ. Будем считать также, что информация о состоянии ОС представлена в виде показателей состояния ОУ – параметров управления. Стрелку от СУ к ОУ будем называть каналом управления, и она олицетворяет УВ, прикладываемое к ОУ.

Вообще говоря, для ряда управляемых систем канал управления может по своей сути являться каналом связи, который будем причислять к прямым каналам. Например, передача команды по телефону, рации, со связным и т.п. Такой способ организации управления подразумевает наличие в ОУ исполнительного устройства с функцией реализации управляющего воздействия – в виде материализованного управляющего воздействия, полученного по каналу связи СУ с ОУ.

Нас будут интересовать базовые принципы управления, реализованные в тех или иных управляемых системах. В частности, структурная диаграмма демонстрирует управление по принципу обратной связи, при котором выбор управляющего воздействия осуществляется исходя из информации о текущем состоянии ОУ относительно цели. В этом случае процесс управления может быть описан как процесс, состоящий из шагов:

1. Получение информации о состоянии ОУ

2. Анализ состояния ОУ относительно цели

3. Выбор управляющего воздействия из списка допустимых управляющих воздействий

4. Применение управляющего воздействия к объекту управления

И в целом процессе управления можно мыслить как циклический процесс, состоящий из реализации этих шагов. Совокупность этих шагов будем называть командным циклом, а его длительность будем называть быстродействием системы управления. Быстродействие системы управления является важнейшей характеристикой системы управления.

Для управления по принципу обратной связи характерно наличие так называемого замкнутого контура управления – движение информации с соответствующей трансформацией и изменениями материального носителя от ОУ к СУ и обратно. Этот контур управления изображен на диаграмме в виде кружка со стрелками и помечен «_*». Для других принципов управления такого замкнутого контура нет!

Принцип управления методом проб и ошибок подразумевает управление при полном или частичном незнании поведения ОУ при оказании на него управляющего воздействия. – «Нажми на эту клавишу компьютера и посмотри, что будет дальше». Такой способ управления реализуется СУ, если он например «не обучен» управляющим воздействиям или не представляет закона эволюции ОУ, не знает режим функционирования ОУ, неправильно заданы цели управления. Иногда этот способ управления приводит к печальным или трагическим последствиям. Вспомним Чернобыльскую катастрофу, «перестройку» в России, и т.д.

Принцип программного управления подразумевает выдачу управляющих воздействий по заранее заданной программе. В этом случае СУ будем называть задатчиком программного управления – ЗПУ. Структурная диаграмма в данном случае упрощается до следующей:

Программный принцип управления широко используется при управлении движением транспортных средств в авиации и морском флоте в виде «управления с помощью автопилота». Интуитивно понято, что, если влияние ОС на ОУ невелико, то мы можем приблизиться к цели достаточно близко, в противном случае отклонения ОУ от цели может быть достаточно велико. Действительно, при создании программы управления невозможно учесть воздействие ОС на ОУ, если оно характеризуется большой степенью случайности. Этот принцип управления реализуется, например, в виде программно-целевом управлении экономикой:

Если в нашем распоряжении имеется модель ОУ, адекватно описывающей поведение ОУ при воздействии со стороны ОС и реакции на УВ, то возможно управление при наличии модели.

Структурная схема управляемой системы в этом случае примет вид:

Подобный принцип управления характерен для ряда непрерывных производств (химических, и т.д.) или для управления социосистемами, где в качестве модели выделяется группа лиц и только их состояние отслеживается для организации управления (например, система рейтингов на телевидении, социологические опросы населения).

Следует отметить, что только при управлении по принципу обратной связи, реализуется замкнутый контур управления. В программном управлении и управлении при наличии модели ОУ замкнутого контура нет и необходимы периодические коррекции состояния ОУ по принципу обратной связи. Частота этих коррекций зависит от степени знания воздействия ОС на ОУ или от степени адекватности модели ОУ.

Для нас представляет определенный интерес перечень задач, решаемых в теории управления. Это прежде всего задача анализа существующей управляемой системы.

Необходимость анализа определяется потребностями улучшения качества и эффективности создаваемых систем управления.

Следующий вопрос, интересующий управленцев, это вопрос создания систем управления с заданными свойствами – задача синтеза системы управления.

Качество и эффективность системы управления для конкретного ОУ можно оценивать с точки зрения затрат ресурсов для достижения цели. Под затратами ресурсов можно понимать как материальные затраты (прямые, косвенные, общие), так и затраты времени. В связи с этим возникает задача определения оптимального управления, т.е. такого управления, которое по тем или иным показателям приводит к минимальным затратам или в целом к максимальной прибыли.

Наличие проблемы оптимального управления в ТУ приводит к необходимости использования математического (формального) аппарата для решения этого круга вопросов. Для того, чтобы решить вопрос о степени эффективности, необходимо научиться решать задачу диагностики системы управления: выяснения характеристик и свойств управляющей компоненты управляемой системы.

Сейчас в соответствии с системным подходом остановимся на следующем уровне детализации задач, возникающих в теории управления. После выявления базовых принципов управления и построения структурных моделей управляемых систем, нам становятся понятными и информационные процессы, происходящие в них. Наш профессиональный интерес заключается в изучении вопросов автоматизации процессов управления. Автоматизация информационных процессов подразумевает развитие компьютерных технологий для решения задач, возникающих при управлении конкретным ОУ.

В контексте изучения управления мы будем выделять следующие задачи:

1. Задача целеполагания (или целеуказания)

Решение задачи заключается в формулировке цели, или указания цели, если их много! Имеет смысл и обратная задача – для заданной цели сформулировать требования к ОУ, с помощью которого эту цель можно достичь. Возможна также постановка задачи о корректировке цели в процессе реализации управления.

2. Задача описания состояния объекта управления.

Решение этой задачи необходимо для корректного решения задачи целеполагания. Действительно, мы полагаем цель точкой фазового множества ОУ или, по крайней мере. предельной точкой этого множества. Иначе цель следует признать призрачной (несбыточной!). Решение задачи описания состояния ОУ, по большому счету, решается в курсах «Моделирования систем» и «Методы исследования динамических систем». Если ОУ – динамическая система, то имеет место наличие совокупности показателей, описывающих состояние ОУ – фазового вектора, а также уравнения движения, решая которое, получаем необходимый закон эволюции ОУ. Наличие известного закона эволюции ОУ позволяет резко упростить решение и следующей задачи, необходимой для управления ОУ.

3. Задача наблюдения за состоянием ОУ (мониторинг ОУ, слежение за ОУ).

Предполагая наличие у ОУ соответствующего состояния и изменения этого состояния со временем – поведения, требуется организовать получение информации о его поведении при реализации управляющих воздействий и воздействий со стороны ОС. В связи с этим мы потребуем выполнения условия причинности – состояние ОУ не должно зависеть от будущих значений УВ и будущего воздействия со стороны ОС. Это условие – естественное ограничение со стороны законов природы. Однако ничто не мешает состоянию ОУ зависеть от прошлых значений УВ и воздействия со стороны ОС. Эта зависимость называется запаздыванием. Для реализации задачи мониторинга ОУ требуется знание о временных масштабах процессов, происходящих в ОУ. Эта информация необходима для установления периодичности наблюдения за ОУ.

Иногда мы обладаем информацией о состоянии ОУ лишь в некоторые моменты времени или имеем неполную информацию. В этом случае принято говорить о частичной наблюдаемости ОУ, в отличие от полной. Например, рассматривая Университет как ОУ с точки зрения обучения студентов, убеждаемся, что он обладает частичной наблюдаемостью – лишь после проведения экзаменационных сессий. В течение семестра учебная часть, как элемент СУ, может судить об успеваемости студентов косвенным образом, отслеживая (наблюдая) текущую посещаемость занятий.

4. Задача наблюдения за состоянием ОС.

Если ОУ подвержен существенному воздействию со стороны ОС, которое влияет на процесс достижения цели, то необходимо наблюдение за этим состоянием ОС,на предмет выявления воздействия ОС на ОУ.

5. Задача выработки управляющего воздействия.

При решении этой задачи СУ должен выработать или суметь выбрать из списка УВ, такие, применение которых «сближает» ОУ с целью. Значит нужно сформулировать некоторое правило, по которому СУ должно выбирать УВ. Это правило будем далее называть алгоритмом управления. По большому счету, конструирование этого алгоритма и является основной целью ТУ. Если мы этот алгоритм управления переформулируем в виде описания некоторой последовательности действий, которые могут быть реализованы с помощью Задатчика Программного Управления, то мы получаем управление по программному принципу.

6 .Задача исполнения управляющих воздействий.

После выработки УВ встает задача его реализации, т.е. применения его к ОУ. Для решения этой задачи в состав ОУ включается исполнительное устройство ИУ. Примером ИУ является рулевое, тормозное устройство, устройство управления карбюратором и т.д. Подобные исполнительные устройства присутствуют и в организациях, например, канцелярия, занимающаяся, в том числе и тем, что она рассылает приказы и распоряжения лицам, кому они предназначены. Невыполнение подобных управляющих директив руководства наказывается соответствующими карами: выговорами, штрафами, понижением в должности и т.п.

Решение перечисленных задач в процессе управления сопровождается соответствующей переработкой информации. Эти вопросы будут рассматриваться далее.

Дата добавления: 2015-01-03