Глава 1. Проблема адаптации

Каждый успех наших знаний ставит больше проблем, чем решает.

Де Бройль

В этой главе формулируется проблема адаптации как способа управления объектом в обстановке неопределенности среды и самого объекта. Последняя неопределенность связана прежде всего со сложностью объекта, препятствующей получению адекватной его модели. Адаптация выступает в качестве средства управления объектом при отсутствии его точной модели. Далее показано, что адаптация эквивалентна поисковой оптимизации в обстановке помех, связанных с неопределенностью среды и объекта. Адаптация противопоставляется компенсации, для реализации которой необходимо иметь адекватную модель объекта. Как всякое управление, адаптацию удобно классифицировать по способам изменения объекта. Если изменяются его параметры, то это параметрическая адаптация, а при изменении структуры — структурная.

§ 1.1. Адаптация в процессах управления сложным объектом

В процессах управления сложными объектами адаптация занимает почетное место. (Определение сложного объекта будет дано во второй главе, здесь же достаточно интуитивного представления о сложном объекте.) Дело в том, что без адаптации совершенно невозможно эффективно управлять сложным объектом (простым — можно), т. е. цели управления без адаптации не достигались бы. Не будь адаптации, пришлось бы ограничить управление самыми простыми объектами, типа объектов автоматического регулирования [265, 266].

Для того чтобы показать это, рассмотрим специфику управления сложным объектом. Прежде всего о термине «управление» [172].

1.1.1. Управление и его атрибуты

Под управлением будем понимать процесс организации такого целенаправленного воздействия на объект, в результате которого этот объект переводится в требуемое (целевое) состояние.

Объектом управления будем называть ту часть окружающего нас мира, состояние которой нас интересует и на которую можно целенаправленно воздействовать — управлять. Состояние объекта изменяется под воздействием среды, в которой он находится. Пусть X

— состояние среды, взаимодействующей с объектом, состояние объекта (рис. 1.1.1). Тогда объект можно представить как преобразователь состояния среды в состояние объекта:

где — пока неизвестный оператор связи входа X и выхода объекта, характеризующий специфику его работы. (Здесь X уже выступает как вход, как выход объекта.)

Говоря об управлении как о целенаправленном процессе, нельзя обойти того, чьи цели реализуются в процессе управления. Для этого необходимо ввести понятие «субъекта», который является источником целей, реализуемых управлением. Эти цели возникают у субъекта под давлением потребностей, связанных с его жизнедеятельностью и взаимодействием со средой и объектом управления. Заметим, что под субъектом совершенно необязательно подразумевать какую-то личность; это может быть группа людей, объединенная по какому-то признаку, и даже все человечество, если рассматривается управление глобальными объектами — такими, как окружающая среда, космос и т. д.

Если состояние объекта удовлетворяет потребностям субъекта, взаимодействующего с этим объектом и эксплуатирующего

Рис. 1.1.1. Блок-схема объекта как преобразователя причины X в следствие

Рис. 1.1.2. Блок-схема взаимодействия субъекта и объекта

его, то никакого управления не нужно. Если же состояние объекта почему-либо не удовлетворяет потребностей субъекта, то последний должен организовать такое воздействие на объект, которое перевело бы объект в новое состояние, удовлетворяющее субъекта. Это и есть управление.

Так как фигура субъекта важна для управления, «выделим» его из среды (рис. 1.1.2). Здесь и — система «датчиков» (его рецепторы, сенсоры), с помощью которых он воспринимает среду и объект. Информация образует сенсорную среду субъекта, т. е. ту часть среды которую он способен воспринять своими сенсорами.

Удобно (хотя это и не соответствует действительности) считать, что субъект всегда по поводу любого объекта формулирует свою цель (цели) реализация которой в объекте приведет, по мнению субъекта, к удовлетворению его потребностей. Эта цель представляет собой набор требований, предъявляемых субъектом к состоянию У объекта. Будем обозначать выполнение целевых требований в объекте равенством

а невыполнение — неравенством

В последнем случае (при отсутствии управления) цели субъекта не реализуются. В результате субъекту приходится решать дилемму:

1) либо смириться с существующим положением, выраженным неравенством (1.1.3), и тем самым терпеть определенный ущерб, связанный с неудовлетворением своих потребностей;

2) либо создать систему управления, которая реализовала бы его цели в объекте, т. е. добиваться выполнения равенства (1.1.2), но при этом затратить неизбежные средства и усилия на ее создание и эксплуатацию.

Если цели важные (т. е. потребности, их породившие, насущны), то субъект идет на создание системы управления. Для этого ему прежде всего необходимо определить, каким образом можно воздействовать на объект, т. е. назначить каналы управления. Такими каналами могут быть отдельные входы объекта X, поддающиеся целенаправленному изменению. Но этого обычно бывает мало и приходится создавать новые, до сих пор не существовавшие каналы воздействия на объект (например, изменять те параметры объекта, которые были постоянными, менять его структуру и т. д.).

Во всяком случае, для реализации управления необходима создать каната управления с помощью которого можно влиять на состояние объекта управления:

где — по-прежнему оператор работы объекта, но учитывающий наличие фактора управления Теперь можно создавать систему управления, под которой будем понимать совокупность алгоритмов обработки информации и средств их реализации, объединенных для достижения заданных целей управления в объекте. (Заметим, что система управления далеко не всегда воплощается «в металле». Она может представлять собой систему правил, договоров и обязательств, которые реализуются в процессе управления.)

Блок-схема системы управления показана на рис. 1.1.3. Здесь — датчики, измеряющие состояние среды и объекта соответственно. Результаты измерений

поступают на управляющее устройство которое вырабатывает команды управления Эти команды должны быть обработаны исполнительными механизмами с тем чтобы изменить состояние управляемого входа объекта.

Для функционирования управляющего устройства ему нужно сообщить цель управления (к чему следует стремиться в процессе управления), а также алгоритм управления — указание, как добиваться поставленной цели, располагая информацией о состояниях среды, объекта и цели:

Как видно, управление связано прежде всего с целями которые поступают извне в систему управления. Эти цели образует (генерирует) субъект, который и является потребителем будущей системы управления объектом. Субъект выступает в качестве заказчика и потребителя создаваемой системы управления.

Рис. 1.1.3. Блок-схема системы управления объектом.

Рис. 1.1.4. (см. скан) Последовательность этапов управления сложным объектом

Прежде чем принимать решение о создании системы управления, необходимо рассмотреть все этапы управления, независимо от того, с помощью каких материальных средств будут реализованы эти этапы. Такой алгоритмический анализ управления является основой для принятия решения о создании системы управления, форме ее реализации и степени автоматизации.