4.2.6. Модели функции оперативного управления

Известно, что общая структурная схема системы с управлением может быть представлена в виде, показанном на рис. 4.10. В зависимости от наличия, объема и неопределенности информации в управляющей системе о внешней среде и управляемом объекте общая структурная схема оперативного управления может преобразовываться в системы различных типов. Рассмотрим возможные типы систем относительно реализуемых ими принципов оперативного управления.

Основные типы систем с управлением сведены в табл. 4.2.

Перечисленные структуры имеют широкий диапазон применений и множество различных интерпретаций в аспекте управления. Одной из наиболее известных интерпретаций является представление этих структур как моделей оперативного управления (регулирования), изучаемых в теории автоматического управления.

Такие системы называются регуляторами, реализующими задачи выполнения программы, стабилизации и слежения. Цель таких систем заключается в сохранении требуемого состояния или подмножества состояний переменных Y несмотря на возмущения, представленные переменными N. Переменные X выполняют функции управляющих воздействий (командная информация); элементы S^l, S² являются регулируемыми и регулирующими элементами соответственно.

Системы с управлением, относящиеся к типам 1-3 (см. табл. 4.2), называются разомкнутыми, так как в управляющих системах отсутствует информация о состоянии объектов управления. Остальные системы называются замкнутыми.

Задача управления по программе реализуется в системах типа 1 и заключается в жестком выполнении заранее составленной и введенной в систему последовательности управляющих воздействий {x_t}, i=l, 2,... , п, заданных на весь период достижения поставленной цели Т. Эти воздействия выдаются объекту управления через определенные интервалы времени t_i i=l, 2, ... , и, без учета его фактического состояния.

Программный способ управления распространен в системах, на которые внешняя среда влияет несущественно: баллистические ракеты, учебные заведения, проводящие обучение в рамках одного учебного плана, ЭВМ, выполняющая обработку информации по «жесткой программе».

При изменениях внешней среды программный способ управления оказывается неэффективным.

Для повышения эффективности управления при изменениях внешней среды в разомкнутых системах используется способ, основанный на компенсации действия возмущений на управляемые объекты.

При управлении по возмущениям в системах типов 2 и 3 управляющая система производит измерения возмущений и с их учетом формирует управляющие воздействия. К таким системам, например, относятся системы кондиционирования, режимы работы которых выбираются в соответствии с изменениями температуры вне помещения.

В зависимости от полноты информации о внешней среде системы управления по возмущениям могут обладать важным свойством: управление по возмущениям с полной информацией обеспечивает полную компенсацию воздействий внешней среды. Системы, в которых достигается полная компенсация, называются инвариантными. В них управляющее воздействие поступает в объект управления одновременно с воздействием внешней среды, нейтрализуя его.

Однако в открытых системах предусмотреть все возможные возмущения затруднительно. Так, например, невозможно заранее предугадать тип вирусной атаки на распределенную программную среду для ее немедленного отражения. Кроме того, функциональные зависимости между возмущающими и управляющими воздействиями могут быть неизвестны. Поэтому управление по возмущениям с неполной информацией приводит к накоплению ошибок.

Такие системы управления применяются, если диапазон изменений внешней среды ограничен.

В остальных случаях применяется управление с обратной связью, как показано в табл. 4.2 (типы 4 - 10). Эти системы позволяют реализовать принцип управления по состоянию.

Благодаря обратной связи в управляющей системе имеется информация о состоянии объекта управления. На основе этой информации определяется отклонение текущего состояния ОУ от требуемого и вырабатывается управляющее воздействие в зависимости от задачи управления.

В задачах стабилизации управление обеспечивает поддержание текущего состояния в заданных пределах изменения значений выходных переменных. К таким системам относятся стабилизаторы напряжения (тока), системы автоматической подстройки частоты (фазы, уровня) в системах передачи информации, организмы теплокровных животных, у которых поддерживается постоянная температура тела, давление и состав крови.

В задачах слежения управление направлено на соблюдение соответствия между текущим состоянием системы с управлением и состоянием другой системы, изменения состояний которой заранее не известны. Системами слежения являются, например, средства радиоразведки, радиолокаторы в режиме сопровождения воздушной цели, живые организмы, режим и глубина дыхания которых следуют за изменениями физической нагрузки.

К недостаткам замкнутых систем следует отнести их усложнение за счет введения каналов обратной связи и наличие неустранимого отклонения между фактическим и требуемым состоянием управляемых объектов, обусловленного тем, что управляющие воздействия вырабатываются только с появлением отклонений.

Для ослабления влияния неустранимых отклонений между фактическим и требуемым состоянием управляемых объектов при оперативном управлении в системах с неполной информацией может использоваться принцип необходимой иерархии: чем менее формализованы зависимости управляющих воздействий от возмущений среды или состояний объектов управления и чем больше неопределенность при принятии решений, тем более высокая иерархия необходима для управления.

Из этого принципа следует, что недостаточные возможности управления можно до некоторой степени компенсировать с помощью построения управляющей системы как иерархической многоцелевой структурированной системы типа 10 (см. табл. 4.2). Здесь обозначения S^l, S², N, N', X, Y, Y соответствуют обозначениям на рис. 4.1; S³ -, управляющая система более высокого уровня иерархии; N - информация о состоянии внешней среды, находящаяся в управляющей системе S³; X-командная (управляющая) информация системы S², имеющаяся в системе S³; X' - командная информация системы S ³; Y -информация о состоянии объекта управления, содержащаяся в системе S³.

Наиболее часто иерархические системы применяются там, где информация о состоянии, находящаяся в управляющей системе, не полностью соответствует реальному состоянию среды и объекта управления ( N  N и Y  У), число переменных и диапазоны изменений их значений велики, сами эти переменные могут быть как качественными, так и количественными, их взаимозависимости слабо формализованы и изменяются с течением времени. Это типично, например, для организационно-технических систем, где высокая неопределенность при принятии решений снижает возможности по оптимальному управлению.

В таких системах управление не может ограничиваться только функциями регулирования. Важную роль начинают играть процессы, связанные с контролем, учетом, анализом и другими функциями управления.

При этом управляющая система S ² решает задачи оперативного управления (регулирования), как и в системах других типов. На систему S³ возлагаются остальные функции управления, не связанные непосредственно с регулированием. Например, целеполагание, прогнозирование, планирование.

Подобные системы рассматриваются как системы, принимающие решения. Элементы S^l и S² становятся элементами реализаций решения, a S³ - элементом принятия решения. При таком представлении управляющая система решает задачу оптимизации. Состояния входных переменных N соответствуют внешним обстоятельствам, возможным перемещениям противника, определенным характеристикам некоторого вида, ограничениям и т.п. Состояния переменных в множестве Y представляют альтернативы, на которых определена функция полезности. Цель системы заключается в максимизации функции полезности. C помощью переменных X выбираются варианты из множества решений, положительно воздействующие на выходы. В соответствии с их ролью эти переменные можно, например, назвать переменными принятия решения или выбора.

Кроме собственно управления другая интерпретация целенаправленных систем (см. табл. 4.2) заключается в рассмотрении их как обучающихся. Элементы S ^l и S ² являются соответственно обучающимися и обучающими. Цель заключается в получении требуемой реакции (состояний переменных в множестве Y) на отдельные раздражители (состояния переменных в множестве N), которые рассматриваются (определены) как правильные. Воздействие переменных X в этом случае представляется как своего рода усиление положительных и ослабление отрицательных реакций. Можно описать и некоторые другие интерпретации целенаправленной системы с управлением, например системы, корректирующие ошибки, адаптивные или самоорганизующиеся системы.