ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ и КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

Для студентов специальности «МЕНЕДЖМЕНТ»

НОВОСИБИРСКОГО ИНСТИТУТА ЭКОНОМИКИ И МЕНЕДЖМЕНТА

Составил к.т.н., доцент Б.Р. Шегал

ПРОЦЕСС УПРАВЛЕНИЯ. СУЩНОСТЬ, СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ

Традиционная теория управления техническими объектами, выросшая из теории авторегулирования, имеет дело с такими объектами, для которых процедура управления в общем виде представлена на рис. 1 /1/.

Рис. 1

На управляемый объект воздействуют (n+r) входов. Значения входов x можно оценить в каждый момент времени, а для входов w такая возможность отсутствует. Объект имеет m выходов. Между входным вектором <X, W> и выходным Y есть некоторая связь Y=f(X, W). Значения Y небезразличны некоторому лицу, которое в дальнейшем будем называть лицо, принимающее решения (ЛПР). Для ЛПР важно добиться получения определенных значений Y при любых X и W. На векторы X и W оно влиять не может. Поэтому система управления строится так, чтобы получить интересующие значения Y с помощью специальных управляющих воздействий U. Они подаются от системы управления на объект управления. Вместо соотношения Y=f(X, W) возникает соотношение Y=F(X, U, W). Задача ЛПР - сделать систему управления такой, чтобы при наличии информации о текущих значениях X, добиться таких значений Y, которые устраивают ЛПР. Это означает, что система управления реализует некоторую зависимость вида U=Ф(X, Y), с помощью которой она на ходит необходимые управляющие воздействия. Если ЛПР не удовлетворен системой, то он может внести коррективы с помощью вектора Z. В крайнем случае можно сменить систему управления.

Итак, для построения системы управления ЛПР должен знать:

- множество предпочтительных векторов Y;

- как задано отображение f.

Отображение f описывает функционирование объекта, а знание предпочтительных значений Y говорит о понимании целей его функционирования и критериев - показателей степени достижения цели. Зная эти две вещи, он может сформулировать закон управления в виде отображения Ф. Оно может быть различным: максимизация каких-то значений Y, их поддержание в заданных пределах, недопущение некоторых комбинаций значений и т.п.

Возникает цепочка: описание объекта управления - формирование цели и закона управления - проектирование и создание системы управления. Как правило, в технических системах усилия прилагались лишь к поиску процедуры управления. Сам объект и цель и критерий управления им были уже описаны в точных терминах. Оптимизация управления была центральной проблемой традиционной теории автоуправления. Лишь с переходом к управлению сложными организационными (социальными, экономическими) объектами специалисты обратили внимание на проблему описания объекта и проблему выявления критериев управления им. Но здесь возник ряд трудностей, связанных с тем, что объектами управления стали системы, для которых традиционные приемы оказались неприменимыми. Что это за объекты ?

Это так называемые плохо определенные или слабоструктурированные объекты. Перечислим их основные свойства /1/.

1. УНИКАЛЬНОСТЬ. Каждый объект обладает такой структурой и функционирует так, что система управления им должна строиться с учетом всех его качеств. К нему нельзя применить типовую процедуру управления. Если, например, удалось спроектировать систему управления движением автомобиля ВАЗ-2106, то она пригодна для любого конкретного автомобиля такой модели. Если же спроектирована система управления распределения бюджетных средств для московской области, то ее нельзя перенести без изменений на новосибирскую область. При переносе надо учесть все индивидуальные особенности нового объекта управления. Это обстоятельство резко удорожает процедуру построения системы управления. Ибо фактически нужно создать столько систем управления, сколько объектов мы хотим автоматизировать.

2. ОТСУТСТВИЕ ФОРМАЛИЗУЕМОЙ ЦЕЛИ СУЩЕСТВОВАНИЯ. Для традиционных объектов автоуправления всегда было ясно зачем создан объект, управление которым мы строим. Станок должен производить обработку заготовок, поезд перевозить грузы и пассажиров. Но не для всех объектов можно также четко сформулировать цель существования. Управляя городами, регионами, отраслями, различными организационными системами трудно однозначно задать цель. Каковы, например, цели существования городов ? На такой вопрос очень трудно ответить. А это приводит к большим сложностям в формировании критерия управления. В традиционных системах он был тесно связан с целью существования объекта. Например, при перевозке грузов - это показатель количества груза, перевезенного за единицу времени, который нужно максимизировать. В связи с нечеткой, слабоструктурированной целью для новых объектов, возникает потребность в формировании различных критериев, действующих одновременно.

3. ДИНАМИЧНОСТЬ. Рассматриваемые объекты с течением времени могут менять свою структуру и механизм функционирования. Они как бы эволюционируют во времени. И эта динамичность должна быть учтена в системах управления. Они поневоле должны быть адаптивными.

4. НЕПОЛНОТА ОПИСАНИЯ. Никакой коллектив экспертов, знающих объект управления, не в состоянии сразу же обеспечить информацию, которой бы хватило для создания системы управления. Существует несколько причин, почему это происходит.

а. Описывая объект управления старого типа (САУ), управленец всегда знал о тех допущениях, которые он принял, строя описание. Он мог предполагать, что передаточная функция имеет тот или иной вид, что запаздывание не играет роли, что влиянием возмущений можно пренебречь. И если созданная СУ оказалась не слишком хорошей, то он знал от каких допущений надо отказаться. Но при работе с ОУ новой природы эти допущения нельзя сформулировать столь ясно и просто. Управленец в этом случае целиком полагается на экспертов, знающих объект. Тот или иной уровень допущений фактически предлагают они. Но, не будучи специалистами по СУ, эксперты не могут оценить тот главный аспект описания и уровень его полноты, который нужен специалисту по управлению. Ведь само описание, вычленение его особенностей тесно связано с задачей управления. Это не всегда может уловить человек, смотрящий на объект глазами технолога. Тут важно все: о чем говорится, с каким уровнем детализации, на каком языке. Несходство взглядов иногда приводит к полному непониманию друг друга.

б. Другая важная причина неполноты описания - незнание некоторых сторон его функционирования самим технологом. Некоторые ситуации, никогда не встречавшиеся им ранее, естественно, нельзя сообщить и проектировщику СУ. Чаще всего это всевозможные аварийные ситуации.

в. Отсутствие у самого технолога четкого понимания функционирования объекта. Выдавая управленцу большое количество информации, он тем не менее не сообщает ему самой главной, по которой сам оценивает объект. Делает он это не сознательно, т.к. "самая главная информация" учитывается им только на уровне собственной интуиции. Например, Всемирная организация здравоохранения распространила в ряде стран истории болезней нескольких больных из скандинавских стран. И попросила ведущих психиатров дать заочный диагноз заболевания на основе историй болезней. В СССР последние были размножены и разосланы значительному количеству специалистов. Через некоторое время все они собрались в Москве для обсуждения диагнозов. Была вывешена сводная таблица, в которой для всех больных были указаны диагнозы всех врачей. Почти для каждого случая имелся разброс диагноза от "практически здоров" до "заболевание Х в тяжелой форме". Авторы диагнозов выходили на трибуну и обосновывали свои точки зрения. Привлекая одни и те же данные, они приходили к почти противоположным выводам. Споры прекратились после выступления одной уважаемой специалистки. Она сказала:" Коллеги, о чем мы спорим? Ведь мы знаем, что как только к нам на прием придет пациент, мы в первую же секунду определим, болен он или нет. Только мы не можем сказать как это у нас получается." И все согласились. Т.е., часто СУЩЕСТВЕННЫЕ знания не могут быть выражены явно, формально. А имеющаяся явная информация интерпретируется на базе этих знаний.

г. И, наконец, еще одна причина. Многие особенности функционирования объекта не могут быть описаны количественно. Они допускают лишь качественное описание. Неоднозначность смысла качественных понятий ведет к непониманию между экспертами

и управленцами при обмене информацией. Кроме того, переход от качественных описаний к некоторым формальным представлениям представляет сложную проблему, которая не всегда может быть решена управленцем.

5. НАЛИЧИЕ СВОБОДЫ ВОЛИ. Во многих объектах управления люди являются элементами их структуры. Это так называемые организационные системы. В отличие от других элементов, интересы и цели людей могут отличаться от целей ЛПР. Их индивидуальное поведение практически невозможно учесть при создании системы управления. Требуются специальные приемы для нейтрализации их воздействий на объект.

Основной задачей системы управления является выбор определенного управляющего воздействия, которое затем необходимо реализовать. Эта задача решается посредством системного анализа объекта. Поскольку системный анализ является методологией, основанной на общей теории систем, то, прежде чем переходить к его изучению, рассмотрим основы теории систем.

Основы теории систем, как базы системного анализа.

Определение и свойства систем

В методологическом плане для разработки методов системного анализа весьма важен вопрос о природе систем. Само по себе понятие система - абстракция, но она отражает объективно присущие предметам и явлениям системные качества и свойства. Системы выступают и как абстракции, и как конструкции, созданные для решения проблемных ситуаций. Системы многообразны. Они существуют не только в объективном мире, но и в мышлении. Не только даны природой и обществом, но и создаются людьми.

Наибольшие разногласия всегда вызывало определение понятия система. По-моему, наиболее четким является следующее: "Система есть множество связанных между собой компонентов той или иной природы, упорядоченное по отношениям, обладающим вполне определенными свойствами; это множество характеризуется единством, которое выражается в интегральных свойствах и функциях множества". В этом определении присутствует наиболее существенный признак системы - целостность. Естественно, что определение столь сложного понятия как система не может быть полным и однозначным. Оно должно быть дополнено перечнем свойств, присущих системе, и объяснением характера отношений в системе.

Кроме целостности, система обладает структурой, иерархичностью, функциональностью, управляемостью, целенаправленностью, самоорганизацией, бесконечностью и целым рядом других свойств. Рассмотрим эти свойства.

ЦЕЛОСТНОСТЬ системы означает принципиальную не сводимость ее свойств к сумме свойств составляющих элементов и не выводимость свойств целой системы из свойств элементов. Категория целостности - одна из важнейших философских категорий - приобретает в теории систем конструктивное выражение. В теории систем исходным моментом является предположение о существовании целого, которое затем можно членить на компоненты. Первичность целого - основной постулат теории систем, который дает ключ к понятию СТРУКТУРЫ.

Под структурой будем понимать совокупность элементов, связей и отношений между этими элементами, определяющую внутреннее строение и организацию объекта как целостной системы. При исследовании системы структура выступает как способ описания ее организации, т.е. как некоторая абстракция, созданная исследователем. Вместе с тем декомпозиция системы на элементы и связи, т.е. структуризация объекта, определяется не произволом исследователя, а внутренними свойствами системы. С помощью структуры исследователь отражает реальную организацию объекта в необходимом аспекте и с необходимой подробностью.

С понятием структуры органически связано понятие ИЕРАРХИЧНОСТИ. Иерархичность системы означает, что каждая ее компонента, в свою очередь, может рассматриваться как система, а сама исследуемая система представляет собой лишь один из компонентов более широкой системы. Многоуровневая организация системы отражается в ее иерархической структуре. Из свойства иерархичности следуют основные принципы содержательного и формального описания систем.

Основополагающим свойством системы является ФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ. Все элементы системы непрерывно действуют и взаимодействуют в рамках своего функционального назначения. Именно непрерывным функционированием элементов и системы в целом определяются структура и свойства конкретных систем. Система существует пока функционирует.

Системам свойственна ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННОСТЬ. Это означает, что система как целое имеет цели своего функционирования. Достижению этой общей цели подчинено организованное функционирование элементов системы, совокупное взаимодействие которых направлено на достижение этой цели.

Сознательная организация целенаправленного функционирования системы и ее элементов называется управлением. Всем социально-экономическим и техническим системам свойственна УПРАВЛЯЕМОСТЬ.

Организация целенаправленного функционирования системы возможна только тогда, когда среда, в которой находится система, удовлетворяет условиям ПРЕДСКАЗУЕМОСТИ И ОБУСЛОВЛЕННОСТИ. Предсказуемость означает, что среда развивается по определенным законам и эти законы достаточно известны, чтобы был возможен прогноз взаимодействия системы со средой. Обусловленность-это возможность целенаправленного воздействия системы на среду, в которой она функционирует. Предполагается, что среда, в свою очередь, воздействует на систему.

В процессе своего развития система постоянно сталкивается с изменением внутренних и внешних условий своего существования (среды). В соответствии с этими условиями она меняет свою организацию и корректирует цели. Это свойство систем называется САМООРГАНИЗАЦИЕЙ. Чем лучше и быстрее система адаптируется к меняющимся условиям, тем лучше ее устойчивость и выше эффективность.

Важным свойством системы является ее БЕСКОНЕЧНОСТЬ. Под бесконечностью сложной системы понимается невозможность ее полного познания и всестороннего описания конечным множеством характеристик. Осознание относительности, неоднозначности и неполноты любого описания сложной системы имеет принципиальное значение для понимания системных исследований и разработки предметных системных теорий.

Системам свойственно стремление к сохранению целостности и качественной определенности в процессе функционирования. Это называется УСТОЙЧИВОСТЬЮ.

Рассмотренные свойства систем определяют содержание методов системного анализа слабоструктурированных систем. Прежде чем перейти к задачам СА остановимся на вопросах описания систем вообще.

Представление системы

Введем ряд понятий. СА широко оперирует понятием сложная система. По современным воззрениям сложность системы определяется через характеристики информационного взаимодействия ее элементов. Любая система подразумевает, что между ее подсистемами происходит обмен сигналами. В системах типа вычислительных машин эти сигналы имеют однозначную интерпретацию. Каждый блок воспринимает поступающий сигнал как однозначно определенную команду. Реакция блока заранее предусмотрена конструктором. Более того, эта реакция зависит от принимающего блока- одна и та же последовательность нулей и единиц имеет одну интерпретацию, когда поступает в арифметическое устройство по каналу числовых данных, и совсем другую, когда поступает в устройство управления как команда.

Таким образом, один и тот же текст, т.е. последовательность нулей и единиц, циркулирующий в вычислительной машине, имеет различный смысл или семантику в зависимости от того, по какому каналу он передается. Зато попав в определенное место, он интерпретируется ровно одним способом. Тем самым текст не имеет никакого присущего ему инвариантного смысла (не обладает семантикой). Также нельзя говорить о его прагматике или реакции получателя, т.к. реакция предопределена текстом. Фактически в таких системах связь между блоками построена по функциональному принципу. Теперь рассмотрим текст, циркулирующий в системе человеческих коммуникаций. Он обладает определенным смыслом, не зависящим от способов кодирования и канала передачи информации. Зато адресаты способны выдавать на этот текст весьма разнообразные реакции. Текст не просто воздействует на приемник функциональным способом, но и осваивается приемником, интерпретируется им. Смысл текста и интерпретация его адресатом - это две разные категории. Первая относится к семантике, а вторая к прагматике.

Предлагаемое противопоставление сложных и простых систем можно сформулировать так :

Сложная система имеет семиотическую (полноценно языковую)природу информационных связей между подсистемами в противовес простым системам, где имеется функциональная сигнализация.

Или, другими словами, в сложной системе обмен информацией происходит на семантическом уровне в противовес простым системам, где все информационные связи осуществляются на уровне синтаксических правил, т.к. сигнал лишен семантики.

Будем понимать под элементом системы то наименьшее звено декомпозиции в принятой структуре системы, внутреннее строение которого не рассматривается на выбранном уровне анализа.

Система, как правило, может быть разделена на несколько частей, рассматриваемых как самостоятельные системы. Это деление обычно носит функциональный характер. Части системы, внутреннее строение которых рассматривается на выбранном уровне анализа, назовем подсистемами.

Все элементы систем управления удобно разделить на координирующие, управляющие и исполнительные.

Координирующий элемент - это звено системы управления, согласовывающее действия нижестоящих звеньев.

Управляющие элементы непосредственно воздействуют на исполнительные элементы и образуют самый нижний уровень управления.

Под исполнительным элементом будем понимать наименьшую составную часть, принятую в данной декомпозиции системы, которая выполняет определенную функцию, например производит продукт.

Каждая качественная или количественная характеристика системы, ее подсистем и элементов - есть параметр системы.

Зафиксированные на какой - либо момент времени значения параметров системы будем называть ее состоянием.

Целенаправленное изменение состояния системы во времени называется функционированием.

Цели системы представляют собой некоторую область в пространстве состояний, которую желательно достичь в процессе функционирования.