Лекция 4 Управление и информация

Принцип необходимого разнообразия Эшби.

Рассмотрим управляемую систему, в которой ОУ находится в состоянии Y, а СУ в состоянии Х. Тогда:

I(Х, Y) = H(Х) - H(Х/Y),

где H(Х) – энтропия системы управления, а H(Х/Y) – энтропия СУ после управляющего воздействия на объект управления, находящийся в состоянии Y. В силу симметричности информации предыдущего можно переписать в виде:

I(Х, Y) = I (Y, Х) = H(Y) - H(Y/Х)

при наличии идеальных каналов связи. Тогда:

H(Х) - H(Х/Y) = H(Y) - H(Y/Х)

Поэтому:

H(Y/Х) = H(Y) - H(Х) + H(Х/Y)

Энтропия ОУ при получении им управляющего воздействия Х со стороны СУ должна стремиться к нулю H(Y/Х)→0 и энтропия СУ тоже должна стремиться к нулю H(Х/Y)→0. Отсюда вытекает, что энтропии СУ и ОУ должны в идеальном случае совпадать! Таким образом, разнообразие ОУ и его соответствующего СУ должны находиться в определенном соотношении. Эта связь была обнаружена кибернетиком У.Россом Эшби и формулируется так: «Разнообразие управляющей системы должно быть не меньше разнообразия управляемого объекта».

Согласно этому принципу при увеличении сложности ОУ должна увеличиваться и сложность СУ. Этот принцип называется принципом необходимого разнообразия, и из него следует, что «нужно стремиться к тому, чтобы на каждое возможное состояние управляемого объекта имелось свое управляющее воздействие».

Ссылаясь на принцип Эшби, связисты утверждают, что производительность физического устройства как регулятора, не превышает его производительности как канала связи. Ведь устройство управления можно рассматривать как своеобразный канал связи выхода ОУ с его входом, если управление осуществляется по принципу обратной связи!

В основе управления лежат процессы получения, передачи, переработки и исследования информации.

В управляемых системах (УС) поддержание нужных режимов функционирования обеспечивается за счет управления отдельными элементами системы и системой в целом. В связи с этим мы делим УС на две подсистемы: объект управления (ОУ) и устройство управления или субъект управления, систему управления (УУ (СУ₁, СУ₂)). Имеются многочисленные примеры, когда такое деление условно и определяется точкой зрения исследователя. Это характерно для так называемых иерархических систем управления. Например, в системе:

студенты – преподаватели – администрация университета

элемент «преподаватели» может рассматриваться как управляющий (относительно процесса передачи знаний), так и как управляемый (испытывающий воздействия со стороны администрации - системы управления университета).

В процессе управления от ОУ, в соответствии с регламентом, определяемым СУ, поступает информация, характеризующая состояние ОУ и его режим функционирования. Эта информация по каналам связи – каналам передачи информации, которые являются полноправными элементами УС и создание которых есть необходимая стадия решения задачи синтеза, поступает в УУ. Кроме того, УУ получает информацию об элементах, не являющихся элементами УС. Это информация о состоянии ОС. Задача о получении необходимой информации – необходимые датчики, вид, объем, регламент – тоже есть стадия решения задачи синтеза УС! УУ перерабатывают поступающую информацию для определения вмешательства в процесс функционирования ОУ и определяет характер требуемых управляющих воздействий (принимает решение). Для реализации этих вмешательств УУ порождает управляющую информацию, которая по каналу управления поступает к исполнительному устройству (ИУ) объекта управления и используется для изменения в нужном направлении (целенаправленном воздействии) состояния ОУ.

Для организационных управляемых систем характерным является периодическое принятие решения об изменении структуры УС с целью повышения эффективности достижения цели. Но об этом позже.

На структурной схеме обозначены каналы связи, по которым передаются первичная (осведомительная) информация о состоянии ОУ и ОС и управляющая информация.

Процесс переработки первичной информации в управляющую информацию будем называть алгоритмом управления. Алгоритм управления (АУ) – последовательность определенных действий переработки первичной информации, которую необходимо выполнить для получения управляющей информации о действиях ИУ, для достижения изменения состояния ОУ в направлении желаемого состояния, задаваемого целью управления. В одних случаях алгоритм управления ОУ достаточно прост. Например, для карбюратора он описывается в виде 3 продукций:

ЕСЛИ уровень горючего в поплавковой камере выше, чем желаемый, ТО уменьшить площадь отверстия запорной иглой;

ЕСЛИ уровень горючего в поплавковой камере ниже, чем желаемый, ТО увеличить площадь отверстия запорной иглой;

ЕСЛИ уровень горючего в поплавковой камере равен номиналу, ТО исполнительному устройству не предпринимать действий.

В других случаях алгоритм управления не может быть даже описан исчерпывающим образом! Например, нет однозначно определенных алгоритмов управления крупным предприятием, городом или национальной экономикой. Управление без наличия такого осознаваемого, формализованного АУ, даже если оно осуществляется по принципу обратной связи, будем называть управлением методом проб и ошибок.

Алгоритм управления не следует путать с программой управления, реализуемой в программном способе управления. На первый взгляд, программный способ управления, в своем чистом, рафинированном виде не нуждается в первичной информации о состоянии ОУ. Вспомним автопилот и отсутствие для него замкнутого контура управления. Как правило, программный способ управления реализуется тогда, когда имеется опыт управления ОУ, и воздействия ОС на ОУ не могут создать непредсказуемых ситуаций. Однако действие ОС на самолет необходимо приводит к стадии коррекции его положения, после реализации программного управления. Далее создание самой программы – это процесс усвоение информации о будущем состоянии самолета! Следует отметить, что в чистом виде программное управление зачастую не реализуется, так как требует стадии коррекции (программно-целевое управление организацией, слежение за полетом самолета со стороны авиадиспетчерской службы). Аналогично рассматривается и принцип управления при наличии модели ОУ. Здесь замкнутый контур управления “интегрируется” в модель, причем стадия коррекции тоже необходима.

Таким образом, можно высказать такое утверждение, что Управление без обратной связи (информации) не только неэффективно, но и фактически всегда нежизнеспособно!

В реальных управляемых системах (УС) в процессе управления принимает участие множество элементов. Эту совокупность элементов мы называем УУ – устройством управления, системой управления. Субъект управления может использовать подобные элементы.

Типичная система управления должна содержать:

1. Датчики, измеряющие информацию о состоянии ОС и состоянии ОУ (параметры состояния);

2. Каналы связи с соответствующими устройствами – переходными кодировщиками-декодировщиками, синхронизаторами, линиями связи: проводной, беспроводной, оптоволоконной и т.д.;

3. Устройства, осуществляющие переработку информации;

4. Органы управления;

5. Каналы управления;

6. Исполнительные устройства.

Цель датчика – порождать первичную (осведомительную) информацию. Датчик может работать в реальном времени (ON-LINE) или по заданной программе. Например, датчик может содержать часовой механизм и осуществлять отбор требуемой информации в заданные определенные моменты времени. В коммерческой организации роль датчика может играть отдел маркетинга, социологические службы, канцелярия, осуществляющая сбор первичных документов и т.п.

Каналы связи в технических устройствах нам достаточно знакомы, в организациях связь может реализовываться разнообразными способами: посыльные, телефонная связь, Интранет, Интернет и т.д.

Устройства, осуществляющие переработку информации, могут быть элементами любых компонент управляемой системы. Как правило, эти устройства выполняют рутинные функции обработки информации: съем информации, кодирование-декодирование, фильтрацию, сглаживание, квантование, сортировку, преобразования информации: аналоговые и цифровые (ЦАП-АЦП), обобщение, визуализацию, преобразование из одного графического вида в другой: таблица – графика – диаграмма и т.п. В организациях к подобному “устройству” можно отнести, например, юриста, приводящего проект управленческого документа к виду, не содержащему нарушение законодательства.

Под органами управления можно понимать, например, устройства или механизмы, реализующие алгоритм управления, программу управления или реализующее принцип управления при наличии модели объекта управления. Эти устройства в человеко-машинных или организационных системах заменяет человек или коллектив.

Под каналами управления будем понимать каналы связи, предназначенные для передачи управляющей информации от УУ, СУ к исполнительному устройству. Например, в организации та же канцелярия, передающая соответствующий управленческий документ после утверждения для исполнения конкретному исполнителю, или система электронного документооборота, реализующую ту же функцию с точки зрения управления. Отличие лишь в форме и быстродействии.

Круг исполнительных устройств в управляемых системах достаточно широк и разнообразен. Исполнительные устройства зависят от происхождения и цели СУ. В каждом конкретном случае это можно установить при внимательном анализе управляемой системы. Например, для государства – это силовые министерства и налоговая система и др.

Совокупность действий системы управления, связанную с переработкой некоторой порции информации и выработкой соответствующей порции управляющих воздействий назовем циклом управления или командным циклом. Под быстродействием системыуправления будем понимать длительность интервала времени, необходимого для реализации цикла управления. Быстродействие системы управления является существенной характеристикой, рассматриваемой в теории управления. Эти величина задает временные масштабы явления и процессов, которыми объективно может управлять данная СУ.

Именно с этого места мы можем выделить определенный тип задач, а именно – задачу синтеза управляемых систем, заключающихся в создании управляемых систем с заданными свойствами.

Решение задачи синтеза УС следует начинать с анализа информационных потоков и процессов переработки информации в системе, выявления законов функционирования объекта, который будет предметом управления. В частности, те из Вас, кто будет участвовать в процессах автоматизации управления в организациях, так или иначе будут иметь дело с этой задачей.

Дата добавления: 2015-01-03