2.6.Контрольные вопросы
Чем отличается гомеостаз от гомеокинеза?
Всегда ли нарушение гомеостаза ведёт к нарушению целостности?
Каким образом связаны развитие и деградация систем?
В каком случае возникает критическая ситуация при функционировании систем?
Как определяется эффективность управления?
Что такое энтропия и как она связана с организованностью систем?
Как можно объяснить связь негэнтропии с информацией о системе?
К чему должна стремиться система: к росту энтропии или организованности?
Что такое синергетика?
Какие факторы обеспечивают самоорганизацию систем в природе?
Приведите пример точки бифуркации?
Как называется свойство системы самопроизвольно менять своё состояние под воздействием внешней среды?
Какое свойство материи является источником развития систем?
Какие системы являются наиболее приспособленными к изменениям окружающей среды?
Какие принципы функционирования систем Вы можете назвать?
Как реализуется принцип сосредоточения функций?
Что такое дисфункция в системе и как с ней бороться?
Какие системы являются более приспособленными и эффективными, сложные или простые?
Может ли кризис принести пользу системе?
Как связано развитие с кризисом?
При каких условиях наступает катастрофа системы?
Какой синоним Вы можете предложить для катаклизма системы?
3.Управление в сложных системах
3.1.Основы теории управления
Управление – воздействие субъекта (СУ), направленное на достижение абстрактной, но корректируемой цели в сложившихся рамках определённых правил, которые изменяются тогда, когда субъект познаёт реальность, с которой сосуществует [9].
Теория управления – наука о принципах и методах управления различными системами, процессами и объектами [9].
Основами теории управления являются кибернетика и теория информации.
Суть теории управления: на основе системного анализа составляется математическая модель объекта управления (ОУ), после чего синтезируется алгоритм управления (АУ) для получения желаемых характеристик протекания процесса или целей управления.
Данная область знаний хорошо развита и находит широкое применение в современной технике. В социально-экономических системах теория управления посвящена приемам и методам анализа, прогноза и возможностям регулирования деятельности различных общностей людей (мирового сообщества, региональных объединений, наций, общественно-хозяйственных групп). Теория управления, как любая наука, имеет свою методологию и методическое обеспечение. Однако в области естествознания и техники теория управления имеет гораздо больше успехов, чем в социально-экономической сфере, где, очевидно, действует ограничение, вытекающее из принципа – «система не может объяснить саму себя».
Методы управления, рассматриваемые теорией управления техническими системами и другими объектами, базируются на фундаментальных принципах: принцип разомкнутого управления, принцип компенсации (обратной связи), принцип управления по возмущению.
Управление можно разделить на два вида:
стихийный: воздействие происходит в результате взаимодействия субъектов (синергетическое управление);
сознательный: планомерное воздействия объекта (иерархическое управление).
При иерархическом управлении цель функционирования системы задается её надсистемой.
Современные методы управления:
нелинейное управление;
теория катастроф;
адаптивное управление;
оптимальное управление;
управление на основе теории игр;
интеллектуальное управление.
3.2.Принципы управления
3.2.1.Принцип разомкнутого управления. Сущность принципа состоит в том, что алгоритм управления строится только на основе заданного алгоритма функционирования и не контролируется по фактическому значению управляемой величины. Схема управления имеет вид разомкнутой цепи.
Рис.27. Схема разомкнутого управления
Близость х к х0 обеспечивается жесткостью характеристик схемы. При наличии значительных возмущающих воздействий f величина х может заметно отклониться от заданной, при этом управление станет непригодным и следует использовать другие принципы управления.
Такая схема получила распространение, в основном, в вычислительной технике.
3.2.2.Принцип компенсации. Принцип управления по отклонению является одним из наиболее ранних и широко распространенных принципов управления. В соответствии с этим принципом система управления наблюдает за объектом, на который воздействуют возмущающие факторы. В результате, в поведении объекта возникают отклонения. Система управления отслеживает наблюдаемые параметры (переменные) и на основе наблюдений создает алгоритм управления. Особенность этого принципа заключается в том, что система управления начинает действовать на объект только после того, как факт отклонения уже свершился под действием обратной связи (см. п.2.5.2). Схема управления изображена на рисунке:
Рис.28. Схема управления по обратной связи
При такой схеме полная компенсация влияния возмущающих воздействий невозможна. Тем не менее, благодаря своей простоте схема управления с обратной связью получила наибольшее распространение на практике.
3.2.3.Принцип управления по возмущению. Принцип управления по возмущению – принцип предварительной компенсации. Поскольку отклонение регулируемой величины зависит не только от возмущающего воздействия, но и от управления, то принцип управления по возмущению основывается на том, что система управления наблюдает за возмущающими факторами и, учитывая их, строит алгоритм управления так, чтобы действие этих факторов на систему компенсировалось. Такая схема управления показана на рис.29.
Рис.29. Схема управления по возмущению
Схема применяется если влияние возмущающих воздействий существенно, и их учет необходим для нахождения системы в целевом состоянии. Но такой подход не всегда применим, поскольку практически невозмождно учесть все возмущения и крайне сложно выработать своевременные и достаточные управляющие воздействия на основе неполных сведений о состоянии среды.
3.3.Современные методы управления
3.3.1.Нелинейное управление. Нелинейное управление – раздел теории управления, изучающий нелинейные системы. Поведение нелинейных систем не может быть описано линейными функциями состояния или линейными дифференциальными уравнениями. Для линейных систем существует мощный и удобный математический аппарат, позволяющий проводить их анализ и синтез, однако все эти методы неприменимы или ограниченно применимы для нелинейных систем. Динамика нелинейных систем описывается нелинейными дифференциальными или разностными уравнениями [9].
3.3.2.Теория катастроф. Теория катастроф – раздел теории управления, изучающий бифуркации с исследованием критических точек (репетиций) потенциальной функции на основе дифференциального счисления и разложения в ряды Тейлора. Философскую основу теории катастроф составляет закон перехода количественных изменений в качественные в переломные моменты времени. При этом математически исследуются процессы, происходящие в момент смены состояний системы (кризиса, катастрофы или катаклизма – см. 2.5.2 и [34]).
3.3.3.Адаптивное управление. Адаптивное управление – совокупность методов теории управления, позволяющих синтезировать системы управления, которые имеют возможность изменять параметры или структуру регулятора в зависимости от изменения параметров объекта управления или внешних возмущений, действующих на объект управления. Подобные системы управления называются адаптивными. Адаптивное управление широко используется во многих приложениях теории управления [9].
3.3.4.Оптимальное управление. Оптимальное управление – это задача проектирования системы, обеспечивающей для заданного объекта управления или процесса закон управления или управляющую последовательность воздействий, обеспечивающих максимум или минимум заданной совокупности критериев качества системы [9].
Суть оптимального управления состоит в том, что формируется модель (некоторая машина, прибор или процесс, снабжённые управляющими механизмами). Манипулирование управляющими механизмами определяет движение объекта. Анализ поведения объекта при том или ином способе управления, позволяет определить закон движения, описывающий динамические свойства рассматриваемого объекта и устанавливающий для каждого избираемого правила манипулирования эволюцию состояния объекта. Возможности управления объектом лимитируются не только ресурсами управления, но и тем, что в процессе движения объект не должен попадать в состояния, физически недоступные или недопустимые с точки зрения конкретных условий его эксплуатации.
Для решения задачи оптимального управления строится математическая модель объекта управления, описывающая его поведение с течением времени под влиянием управляющих воздействий и собственного текущего состояния.
3.3.5.Управление на основе теории игр. Теория игр – математический метод теории управления, изучающий оптимальные стратегии при помощи моделирования игр. Под игрой понимается процесс, в котором участвуют две и более сторон, ведущих борьбу за реализацию своих интересов. Каждая из сторон имеет свою цель и использует некоторую стратегию, которая может вести к выигрышу или проигрышу — в зависимости от поведения других игроков. Теория игр помогает выбрать лучшие стратегии с учётом представлений о других участниках, их ресурсах и их возможных поступках [9].
3.3.6.Интеллектуальное управление. Интеллектуальное управление – методы управления, которые используют различные подходы искусственного интеллекта, такие как искусственные нейронные сети, нечеткая логика, машинное обучение, эволюционные вычисления, генетические алгоритмы и другие методы [9].