Лекции 7-8-9. Математические модели и методы анализа и синтеза структуры систем управления Вопросы лекции

1. Общее описание двухуровневой системы

2. Формализация основных понятий в теории иерархических систем

Стратифицированные системы

Иерархия слоев

Многоэшелонная (организационная) иерархия

1. Общее описание двухуровневой системы

На рис. 10 представлена блок-схема некоторой двухуровневой системы. Отдельные блоки изображают подсистемы, а их взаимное расположение отражает иерархическую структуру всей системы.

Система, изображенная на рис. 10, имеет (n+2)основных подсистем: вышестоящую управляющую системуС₀ , nнижестоящих управляющих системС₁ ,..., С_nи управляемый процессP. Отметим два вида вертикального взаимодействия между подсистемами. Один - это передача вниз "командных" сигналов; сигналы от нижестоящих управляющих системС₁ ,..., С_nк процессу будут называться управляющими воздействиями (входами), тогда как сигналы от вышестоящей к нижестоящим управляющим системам будут называться координирующими сигналами (входами) или вмешательствами.

Другой вид вертикального взаимодействия - это передача наверх информационных сигналов, или сигналов обратной связи, различным управляющим системам иерархии. Эти передачи сигналов представлены на блок-схеме пунктирными линиями.

Рис. 10. Двухуровневая система

Простейший способ описания подсистем двухуровневой системы связан с использованием терминальных переменных: входов и выходов. При этом удобно описывать подсистемы как функциональные в том смысле, что входы однозначно определяют выходы; можно рассматривать эту ситуацию как ситуацию, в которой задано текущее состояние.

Поэтому каждый из блоков на рис.10 представляет собой отображение. Когда мы будем описывать подсистемы, введем соответствующие названия для различных объектов, чтобы подчеркнуть концептуальную роль каждого из них в функционировании двухуровневой системы.

Рассмотрим сначала процесс Р, как некую управляемую систему, к которой поступают управляющие воздействия от систем: управления нижнего уровняС₁ ,..., С_n. К нему приходят входные сигналы двух видов:

управляющие сигналы (управляющие входы) m, m  M,гдеМназывается множеством управляющих сигналов,

и сигналы (входы) ω, ω  Ω , представляющие собой внешние возмущения, поступающие из окружающей среды.

Символом y, y  Y,мы будем обозначать "выход" процессаРи соответственно будем называть множествоYмножеством выходов процессаР.

Будем представлять процесс Рв виде отображения

Р : M * Ω → Y

Поскольку имеется nнижестоящих (локальных) управляющих системС₁ ,..., С_n, удобно представить множество управляющих сигналовМдля процессаРв виде декартова произведенияnмножеств

M = M₁ * ... * M_n

причем i-я локальная управляющая системаС_iимеет полномочия выбиратьi-ю компонентуm_iуправляющего сигналаm, оказывая тем самым соответствующее воздействие на процесс.

Рассмотрим далее i-ю локальную систему управленияС_i. Здесь мы будем считать ее просто системой вход - выход. К системеС_iтакже поступают входные сигналы двух видов: координирующий сигналγ , γ  Γ, поступающий от вышестоящей управляющей системы, и информационный сигналz_i(сигнал обратной связи), поступающий от процесса. ВыходомС_iявляется (локальное) управлениеm_i ,выбираемое из множестваM_i. Будем считать, что с помощью рассматриваемой системы реализуется отображение

C_i : Γ * Z_i → M_i

где Z_i- множество информационных сигналов (сигналов обратной связи)Z'_i , z_i  Z_i.

Мы будем обращаться в дальнейшем к множеству Γ, называя его множеством координирующих сигналов, а его элементыγ- соответственно координирующими сигналами, так как с помощью этих сигналов управляющая системаC₀воздействует на нижестоящие, локальные управляющие системыС₁ , С₂ ,..., С_n. Поскольку каждая нижестоящая управляющая система могла бы интерпретировать поступивший координирующий сигналγсвоим особым образом, мы, чтобы избежать этого, будем считать координирующие сигналыγизΓ n-мерными векторами( γ₁ ,..., γ_n ), так что на входi-й управляющей системы поступает толькоi-я компонентаγ_i.

Управляющую систему С₀будем также называтькоординатором, так как ее выходные сигналыγ , γ  Γявляются координирующими сигналами для системС₁ ,..., С_n. Мы будем рассматривать только один вход для системыС₀- информациюw, получаемую посредством обратной связи от нижестоящих управляющих систем и используемую для формирования координирующих воздействий (координирующих сигналов)γ. В таком случае мы вправе считать, что управляющая системаС₀по сути дела осуществляет отображение

С₀ : W → Γ,

где Wпредставляет собой множество информационных сигналовw, с помощью которых реализуется обратная связь.

Для того чтобы завершить описание двухуровневой системы, мы должны уточнить характер информации, поступающей по каналам обратной связи. Сигналы обратной связи z_iпоступающие на вход локальной управляющей системыС_iсодержат информацию относительно поведения процессаP; поэтому мы предположим, что они связаны функциональной зависимостью с управляющим сигналомm, внешним возмущениемωи выходому. Эту зависимость мы будем представлять в виде отображения

f_i : M * Ω * Y → Z_i.

Аналогично поступающий по каналам обратной связи информационный сигнал wнаправляется в вышестоящую управляющую системуС₀и содержит в себе информацию относительно поведения нижестоящих управляющих систем; поэтому он по определению задается отображением

f₀ : Γ * Z * M → W,

где Z = Z₁ * ,..., * Z_n,Wявляется функцией координирующего сигналаγ, информационных сигналов обратной связиz = ( z₁ ,..., z_n ), получаемых нижестоящими управляющими системами, и их управляющих воздействийm = ( m₁ ,..., m_n ). На рис.2.4.1 информация, поступающая по каналам обратной связи, представлена совокупностьюw информационных сигналовw = ( w₁ ,..., w_n )гдеw_i- информационный сигнал обратной связи, поступающий от управляющей системыC_i.

Относительно указанных взаимосвязей между подсистемами следует сделать два замечания:

В явном виде не предусматривается прямая коммуникация между нижестоящими управляющими системами. В этом находит отражение тот факт, что мы, прежде всего, интересуемся только отношениями между смежными уровнями иерархии. Тем не менее, некоторые из полученных далее результатов можно интерпретировать, исходя из коммуникаций между нижестоящими системами через посредство вышестоящей системы. В таких случаях вышестоящая управляющая система действует как передатчик информации между нижестоящими системами.

Вышестоящая управляющая система непосредственно не взаимодействует с процессом. Впрочем, это только видимость, так как на самом деле любая нижестоящая управляющая система может передать вышестоящей всю информацию о ходе протекания процесса.

Далее мы рассмотрим случай, в котором вышестоящая система получает информацию не только от нижестоящих управляющих систем, но также и непосредственно прямую информацию о ходе протекания процесса.