Upravlenie_izmeneniyami

212

Требуемое поведение управляемой системы достигается при помощи управляющих воздействий, под влиянием которых система принимает лучшее (в определенном смысле) состояние, чем она принимала бы при отсутствии управляющих воздействий.

Так, если речь идет об искусственной управляемой системе, созданной человеком и используемой в его целях, поведение системы оценивается ее создателем. В таком случае понятие "лучшее" имеет смысл лучшего по отношению к целям субъекта – создателя системы. Биологические управляемые системы сформировались в процессе эволюционного развития живой природы, и при их рассмотрении практически невозможно указать субъект, имеющий определенные цели, ради достижения которых осуществляется управление. Однако и для биологических систем понятие лучшее поведение имеет смысл. Он состоит в том, что характер поведения организма в окружающей его природной среде оказывает существенное влияние на его выживание и размножение. Поэтому оценка поведения организма как управляемой системы определяется взаимоотношениями его со средой, и лучшим является такое поведение, которое повышает шансы данного организма выжить и произвести потомство.

Некоторые внешние воздействия на систему, а именно те, которыми можно распоряжаться при управлении ею, являются управляющими воздействиями. Воздействие на поведение системы может достигаться как путем воздействий на ее входы, так и путем изменения параметров самой управляемой системы – объекта управления. Так, например, увеличение прибыли производства может быть достигнуто закупкой более дешевого сырья (входной материальный поток) или оптимизацией объемов выпускаемой продукции (управляющее воздействие менеджмента организации). Вместе с тем, увеличение прибыли может быть получено и при изменении структуры производства, включая замену оборудования более совершенным, что представляет собой изменение параметров, внутренних свойств самой организации.

Возможности управления тем шире, а управление может осуществляться тем эффективнее, чем шире диапазон значений, которые могут принимать управляющие воздействия в процессе управления. Однако необходимо считаться с тем обстоятельством, что в реальных системах диапазон изменения каждого управляющего воздействия ограничен. В приведенном примере управления цены закупок сырья ограничены, как ограничены ресурсами и объемы производства; не безграничны и возможности совершенствования структуры производства.

Поскольку управление каким-либо объектом может осуществляться при помощи нескольких управляющих воздействий, каждое из которых ограничено некоторыми предельными значениями, то в пространстве управляющих воздействий Z1 Z2, ..., Zm может быть выделена область Q, внутри которой лежат точки, изображающие все возможныe совокупности управляющих воздействий. Эту область будем называть областью возможных воздействий.

213

Часто управляющие воздействия могут принимать только конечное число фиксированных значений или по условиям задачи должны рассматриваться как такие величины. Тогда область возможных управляющих воздействий будет содержать конечное число возможных совокупностей управляющих воздействий, которые будем называть множеством возможных

воздействий.

Температура в холодильном шкафу, например, может поддерживаться близкой к заданному ее значению путем включения и выключения холодильного агрегата. Множество возможных воздействий такой системы состоит из двух управляющих воздействий "включено" и "выключено".

Для того чтобы управлять каким-либо объектом, нужно определенным образом изменять управляющие воздействия на этот объект. Такое изменение управляющих воздействий может осуществляться при помощи сигналов управления, несущих сообщения о требуемых значениях управляющих воздействий. Совокупность элементов системы, вырабатывающая сигналы управления, называется управляющим устройством (субъектом управле-

ния, управляющей системой). Если заранее известны требуемое поведение, условия работы объекта, а также его свойства, то в управляющее устройство может быть заранее введена информация о последовательности управляющих воздействий в виде программы управления. В других случаях, когда отсутствуют сведения, необходимые для предварительного составления программы управления, формирование управляющих воздействий может быть организовано в управляющем устройстве на основании информации об обстановке, складывающейся в процессе функционирования системы. Такой информацией могут служить данные о состоянии управляемой системы, о требуемом ее состоянии, о возмущающих воздействиях, о характеристиках управляемой системы. Переработка этой информации в системе управления по определенным правилам может служить для формирования управляющих воздействий. Совокупность правил, по которым информация, поступающая в систему управления, перерабатывается в сигналы управления, называется алгорит-

мом (законом) управления.

Необходимо отметить, что управление бывает нужно не только для нормального функционирования системы, но также и для обеспечения ее развития в требуемом направлении: для развития организма из зародыша, для развития предприятия, для развития транспортной системы и т. п. Управление развитием состоит в формировании плана развития объекта и в реализации этого плана. План развития живых организмов заложен в наследственной информации, выраженной в виде структуры ДНК, входящей в состав ядра клетки. План развития какой-либо экономической системы представляет собой документ, содержащий информацию о воздействиях (в виде капиталовложений, преобразований объектов и т. п.), приводящих к требуемому изменению во времени ее функций и структуры.

Наличие управления является существенным признаком сложной системы, обеспечивающим одно из главных ее свойств – целостность.

215

Итак, система управления, состоящая из объекта управления

(управляемой системы), субъекта управления (управляющей системы) и исполнительных органов (исполнительной системы), – это организованная динамическая система с обратной связью, в которой реализуются причинно-следственные связи с помощью каналов управления и обратной связи.

Вышеизложенное позволяет выполнить формализацию, которая определяет правила функционирования системы управления S.

В начале процесса управления: Sу вырабатывает сигналы управления m=F(у), исходя из цели управления и априорной информации о законах функционирования системы во внешней среде А, если таковая имеется. Исполнительные органы трансформируют сигналы управления в управляющее воздействие Z. Реакция объекта управления под действием управления Z и возмущающих воздействий ω состоит в отклике y.

На следующем шаге: подсистема Sу при принятии решений использует данные об у (фактическом) и прогнозные значения ω.

В системах управления решаются четыре основных типа задач управ-

ления: стабилизация, выполнение программы, слежение и оптимизация.

Задачами стабилизации системы являются задачи поддержания некоторых ее выходных величин – управляемых величин y вблизи некоторых неизменных заданных значений y0, несмотря на действие возмущений ω, влияющих на значения y. Так, для нормальной жизнедеятельности организма теплокровного животного должны быть стабилизированы такие величины, как температура тела, состав крови, давление крови, несмотря на изменения внешней среды. В системах энергоснабжения должны быть стабилизированы напряжение и частота тока в сети вне зависимости от изменения потребления энергии.

Задача выполнения программы возникает в случаях, когда заданные значения управляемых величин y0 изменяются во времени заранее известным образом. Например, при управлении баллистической ракетой ее вывод на заданную траекторию должен происходить по заранее известной программе y0(t) изменения ее положения в пространстве и скорости. При управлении положением трубы телескопа с целью компенсации вращения Земли также нужно перемещать ее по определенной программе. Аналогичная задача возникает в производстве при выполнении работ согласно заранее намеченному графику. В биологии яркими примерами действий "выполнение программы" являются развитие организма из яйцеклетки, сезонные перелеты птиц, метаморфоза насекомых.

Задача слежения, т.е. как можно более точного соблюдения соответствия между текущим состоянием системы y(t) и значением y0 (t), возникает в тех случаях, когда изменение заданных значений управляемых величин заранее неизвестно. Необходимость в слежении возникает, например, при управлении производством товара в условиях непредвидимых изменений спроса, ритм и глубина дыхания должны следовать за изменениями физической на-

216

грузки на организм, антенна радиолокатора должна следить за непредвидимыми движениями маневрирующего самолета.

В ряде случаев задача управления не может быть сформулирована как задача обеспечения соответствия состояния системы заданному ее состоянию (постоянному или изменяющемуся), поскольку сведения о заданном состоянии не могут быть ни заранее введены в систему управления, ни получены в процессе ее работы. Такая ситуация возникает, например, при управлении энергетическим агрегатом, работающим в сложных изменяющихся условиях, когда цель управления состоит в том, чтобы обеспечивать оптимальное (максимально возможное) значение коэффициента полезного действия агрегата в любых режимах его работы.

Задачи оптимизации – установления оптимального, в определенном смысле, режима работы управляемого объекта встречаются довольно часто. К ним относятся: управление экономической системой с целью максимизации прибыли, управление технологическими процессами с целью минимизации потерь сырья и полуфабрикатов и многие другие.

Поскольку субъект управления Sу является системой, отметим главные условия ее существования.

Организованность: в системе управления выделяются элементы, которые относятся либо к управляющей, либо к управляемой подсистеме, либо к исполнительным органам:

S = Sу Sу Sо

Разнообразие: каждая из двух выделенных подсистем должна допускать возможность появления нескольких (многих) состояний:

x X, y Y, т М, Z Zo, Х , Y , М , Zo

Проблема оценки разнообразия управляющей системы и ее соотношения с разнообразием управляемого объекта имеет важное теоретическое и практическое значение.

Закон необходимого разнообразия формулируется У.Р.Эшби следую-

щим образом: "Количество исходов управляемой системы, если оно минимально, может быть еще уменьшено только за счет соответствующего увеличения разнообразия управляющей системы". Это значит, что для решения задачи управления необходимо, чтобы информационная мощность управляющей системы (или ее собственное информационное разнообразие) была не меньше разнообразия объекта управления (т е. решаемой задачи управления).

Если разнообразие задачи управления, измеряемой количеством информации, определить как V, а информационную мощность управляющей системы W, то для осуществления перехода управляемого объекта из состояния в некоторое состояние u(t+1): u(t) u(t+1) необходимо, чтобы в каждый момент времени t выполнялось условие W(t) V(t).

217

В реальных системах управления "полное" разнообразие объекта управления и воздействий внешней среды настолько велико, что последнее условие, вообще говоря, не выполняется. Поэтому управляющая система формирует гомоморфную модель, использует принцип управления воздействием на "главный" фактор, прибегая к агрегированию, линеаризации связей, аппроксимируя стохастические зависимости детерминированными и пр.

К перечисленным условиям существования системы управления следует добавить:

динамичность, выражающуюся в зависимости всех параметров (управления, отклика, возмущений) от времени;

наличие прямых и обратных связей, обеспечивающих причинно-

следственные зависимости в системе управления; наличие цели управления, которая формализуется в виде макрофунк-

ции управляемой системы Ф = Ф(y);

управляемость, состоящую в том, что можно найти такое управляющее воздействие m, которое за конечное число шагов переводит систему в искомое состояние, обеспечивающее достижение цели.

Поскольку система управления имеет обратную связь, закон (алгоритм) управления, характеризующий значение в любой момент времени управляющего воздействия m(t), может быть определен через состояния системы в соответствующий момент времени.

Принцип, в соответствии с которым входные воздействия должны вычисляться через состояния, был сформулирован Р.Беллманом, указавшим на его первостепенную значимость. В этом принципе заключена важнейшая идея теории управления. Это научная интерпретация принципа "обратной связи", составляющего основу любого управления.

Существенно, что в текущем состоянии системы содержится вся информация, необходимая для определения требуемого управляющего воздействия, поскольку, по определению динамической системы будущее поведение системы полностью определяется его нынешним состоянием и будущими управляющими воздействиями.

Оптимальное управление заключается в выборе и реализации таких управлений и U, которые являются наилучшими с точки зрения эффективности достижения цели управления.

Степень достижения цели управления характеризует критерий эффективности. Виды критериев эффективности и способы их формирования описаны в цитированном учебнике автора "Разработка управленческих решений".

Виды связей в системах управления

Вид соединения элементов, при котором выходное воздействие одного элемента передается на вход другого элемента, называется прямой связью. Прямая связь между двумя элементами системы может осуществляться непосредственно или через другие ее элементы. В случае опосредованного воз-

218

действия выходной сигнал одного элемента поступает на вход другого с передаточным коэффициентом промежуточного элемента.

Вид соединения элементов, при котором выходное воздействие одного элемента передается на вход того же самого элемента, называется обратной связью. Обратная связь может осуществляться либо непосредственно от выхода элемента системы на его вход, либо через другие элементы данной системы. Обратная связь бывает двух видов – внешняя и внутренняя. Внешней, или главной, называется такая связь, посредством которой осуществляется передача части выходного сигнала всей системы управления на ее вход. Внутренние, или местные, обратные связи соединяют выход отдельных элементов или групп последовательно соединенных элементов с их входом.

Различают положительную и отрицательную обратную связь. Если под действием обратной связи первоначальное отклонение управляемой величины у, вызванное входными воздействиями, уменьшается, то считают, что имеет место отрицательная обратная связь. В противном случае говорят о положительной обратной связи. Следовательно, положительная обратная связь усиливает действие входного сигнала отрицательная - ослабляет.

Положительная обратная связь используется во многих технических устройствах для увеличения коэффициента передачи. В экономике на принципе положительной обратной связи основаны системы материального стимулирования. Положительными являются обратные связи в схеме межотраслевого баланса. Примером использования отрицательной обратной связи является термостат.

Обычно положительная обратная связь приводит к неустойчивой работе системы, т.к. соответствует увеличению возникшего в системе отклонения. Отрицательная обратная связь способствует восстановлению равновесия в системе. Поэтому системы с отрицательной обратной связью являются относительно устойчивыми.

Если сигнал обратной связи пропорционален установившемуся значению входной величины и не зависит от времени и скорости изменения, то такая обратная связь называется жесткой. Сигналы гибкой обратной связи пропорциональны скорости изменения входной величины. Мерой величины об-

ратной связи служит коэффициент обратной связи.

Обратная связь является одним из важнейших понятий кибернетики, оно помогает понять многие явления, происходящие в системе управления любой природы. В организационных системах обратные связи, поддерживаемые подсистемой контроллинга, используются для выработки управляющих сигналов, для выработки критерия эффективности управления и оценки качества управления. В биологических системах обратная связь обеспечивает поддержание в нормальном состоянии основных показателей жизнедеятельности: температуры и массы тела, уровень сахара и гемоглобина в крови, другие. В экономических системах обратная связь, обеспечиваемая социологическим мониторингом, играет важную роль в создании и поддержании эффективного управления.

219

Иерархические системы управления. Важный класс систем управле-

ния образуют системы произвольной природы (технические, экономические, биологические, социальные) и назначения, имеющие многоуровневую структуру в функциональном, организационном или каком-либо ином плане. Характерными признаками иерархических систем управления (ИСУ) являются: вертикальная декомпозиция системы на подсистемы, приоритет подсистем верхнего уровня по отношению к нижележащим, наличие обратных связей между уровнями. Следует иметь в виду, что при декомпозиции на лю-

бых уровнях иерархии можно выделить описанную ранее триаду: управляющую систему (субъект управления), управляемую систему (объект управления) и исполнительную систему (исполнительные органы).

Широкое использование и универсальность ИСУ обусловлены рядом преимуществ по сравнению с системами радиального (централизованного) управления:

свобода локальных действий в рамках наложенных ограничений;

возможности целесообразного сочетания локальных критериев функционирования отдельных подсистем и глобального критерия оптимальности системы в целом;

возможности сжатого, агрегированного предоставления по каналам обратной связи актуальной информации о результатах управления;

повышенная надежность системы управления, наличие управляемости, адаптивности, организованности и ряда других свойств, специфичных для конкретных систем;

универсальность концепции управления и подходов к решению задач управления в ИСУ;

экономическая целесообразность по сравнению с системами управления иной структуры. Последнее качество требует обоснования в каждом конкретном случае.

Теория управления ИСУ включает следующие основные разделы:

структурный анализ и синтез ИСУ;

проблема координации в ИСУ;

оптимизация функционирования ИСУ.

Принцип иерархичности управления является выражением цело-

стности систем; он, предопределяя организованность, позволяет найти способы управления сложными системами. Если организованность системы отсутствует, невозможно определить задачи управления даже для простых объектов.

Этот принцип предусматривает способ расчленения системы на элементы и взаимодействующие подсистемы и многоступенчатого построения управляющих систем, в которых функции управления распределяются между соподчиненными частями. В расчлененной системе одна часть оказывается "вложенной" в другую и является ее структурной составляющей. В такой системе существует взаимосвязь подсистем по одним отношениям и их свойствам и независимость по другим.