2. Понятие управления. Принципы управления

Под управлением понимается целенаправленное воздействие управляющей подсистемы на управляемую подсистему (объект управления). Процессом управления называется пара управляющее воздействие (управление) и движение (процесс изменения состояния). Задача управ­ления, рассматриваемая в широком плане, охватывает большой круг проблем структурного, информационного, эвристического и алгоритмического характера, как правило, увязываемых с определенной целью управления. Как следует из определения, в структуре системы, в которой имеет место процесс управления, прежде всего, следует различать управляемую и управляющую подсистемы. Каждая из этих подсистем может принадлежать к классу технических систем или организационных систем или к различным классам (например, человеко-машинные системы управления).

Управляющая подсистема в случаях, когда в явном виде осу­ществляется определение состояния по данным измерений, может быть разделена на подсистему наблюдения (измерения) и собственно систе­му управления, формирующую управляющее воздействие.

Если от управляемой подсистемы систематически поступает инфор­мация к управляющей подсистеме о результатах управления, то гово­рят, что в системе существует обратная связь, через которую замы­кается контур управления. Сложные системы характеризуются со струк­турной точки зрения наличием нескольких контуров, а сверхсложные (большие) – нескольких уровней (иерархий) управления.

Принципы управления отражают основные идеи, положенные в ос­нову различных видов управления. Принцип программного управления выражается в формировании управляющего воздействия на некотором от­резке времени в функции от времени и известного начального состоя­ния системы. Принцип управления с обратной связью предполагает по­строение управления в функции от текущих значений выходов систем или от оценок состояния, определяемых по этим значениям. Принцип управления по возмущениям состоит в создании условий для компенсации действия на систему тех или иных возмущений на основе их изме­рения. Важнейшее место среди перечисленных принципов занимает прин­цип управления с обратной связью. Существует несколько вариантов применения этого принципа. Следует различать управление с обрат­ной связью по выходу и управление по состоянию. Наиболее распрост­раненным случаем управления по выходу является регулирование [I],

Регулирование по отклонению – такой простейший вид управления, при котором управляющее воздействие вырабатывается на основе опре­деления рассогласования между некоторым задающим желаемое поведе­ние выхода входным сигналом и сигналом на выходе системы. В случае постоянства задающего воздействия система управления называется стабилизирующей, а в случае переменности этого воздействия – следящей.

Другой вид управления по выходу характеризуется направлен­ностью подбора управляющего воздействия" на достижения экстремума (максимума или минимума) некоторой выходной величины.

Наиболее широкие возможности для реализации сложных видов уп­равления с обратной связью, в частности оптимального управления, создаются в случаях, если при формировании управляющего воздейст­вия используются оценки состояния. Однако реализация последнего ви­да управления связана со значительным усложнением подсистемы управ­ления.

Принцип управления по возмущениям нашел меньшее применение, чем другие принципы, и иногда используется в сочетании с ними. Один из вариантов принципа управления по возмущениям состоит в создании структур, обеспечивающих частичную или полную инвариантность к тем или иным возмущениям.

Остановимся несколько на свойствах систем и дадим определения [1,2] с содержательной точки зрения. Основным определяющим свойством системы является ее целостность, которая проявляется, с одной стороны, во взаимосвязи между элементами систем – связанности, с другой – в возникновении в системе новых свойств, которыми элементы системы не обладают. Членимость – это свойство системы делиться на подсистемы (элементы) и в то же время выступать в качестве подсистемы (элемента) некоторой другой системы [4, 6]. Чувствительность в широком смысле – свойство реакций состояния и выхода (выходов) системы на изменения ее параметров, начального состояния, а также на возмущающие и управляющие воздействия. Чувствителъностью в узком смысле называется параметрическая чувствительность, т.е. свойство системы изменять свое состояние в результате малых изменений ее параметров [1,4]. Параметрическая чувствительность в количественном отношении характеризуется матрицей чувствительсти, число строк равно числу компонент состояния, а число столбцов соответствует числу параметров. Каждый элемент этой матрицы характеризует интенсивность изменения определенной компонен­та состояния под воздействием изменения некоторого параметра.

Инвариантность – независимость компонент состояния или выходов от тех или иных возмущений на выходных полюсах или изменений параметров системы. Инвариантность может трактоваться как нулевая в широком смысле чувствительность (малая чувствительность) по отношению к тем или иным внешним возмущающим воздействиям или парамет­рам. Параметрическая инвариантность в малом легко исследуется на основе матрицы чувствительности.

Устойчивостью системы называется свойство системы сохранять состояние равновесия или некоторого движения при воздействии на нее факторов, вызывающих определенные начальные отклонения состояния. A. M. Ляпуновым [1, 4] и его последователями предложено большое количество методов исследования устойчивости систем. В основу теории стохастической устойчивости положено предположение о марковских свойствах процесса изменения состояния системы [4, 5].

Наблюдаемость (идентифицируемость) состояний – свойство, характери-зующее принципиальную возможность определения начального (наб-людаемость) или текущего (идентифицируемость) состояния системы по данным, снимаемым с входных и выходных полюсов [1, 4]. Свойство наблюдаемость связано с реакцией выхода системы на изменение ее состояния. Однако наличие даже интенсивной реакции еще не гарантирует наблюдаемость. Последняя имеет место лишь в том случае, если существует единственность решения задачи определения состояния по дан­ным наблюдений этой реакции. Если единственность существует во всем пространстве состояний, то система называется полностью наблюдае­мой в пространстве состояний.

Управляемость (достижимость) – принципиальная возможность пе­ревода системы из состояний, принадлежащих некоторому множеству, в другие-состояния, принадлежащие этому же или другому множеству, с помощью управляющего воздействия, выбранного из класса допустимых управлений [1, 43]. Так как любое состояние всегда можно принять в качестве нулевого, то обычно рассматривают возможности перевода системы из произвольного состояния в начало координат или из нача­ла координат в различные состояния. Если этот перевод оказывается возможным во всем пространстве состояний, то система называется пол­ностью управляемой.

Идентифицируемость – это принципиальная возможность определе­ния типовых характеристик, параметров или структуры системы по данным, снимаемым с ее выходных и входных полюсов. Система является полностью параметрически идентифицируемой, если все неизвестные ее параметры могут быть определены по данным измерений выходов при из­вестных входах или при включении неизвестных параметров входных воздействий в число определяемых параметров.

Свойства наблюдаемости, управляемости, идентифицируемости име­ют потенциальный характер. Последнее означает, что их наличие у абстрактной модели лишь определяет принципиальную возможность решения задач наблюдения, управления, идентификации в реальной сис­теме, является необходимым условием решения этих задач, но не пред­определяет их действительное решение.