1.1.2. Этапы управления сложным объектом

Управление сложным объектом можно подразделить на следующие этапы (рис. 1.1.4).

I. Формулировка целей управления. На этом этапе определяются цели (множество целей), которые должны быть реализованы в процессе управления. Слово «цель» - здесь используется в смысле модели потребного будущего субъекта, т. е. некоторого определенного состояния среды, которое желательно потребителю и которое в определенном смысле «неестественно», т. е.

нереализуется естественным образом без вмешательства извне (без управления).

Субъект в процессе общения с окружающей средой фиксирует свое внимание на тех ее параметрах, которые, с одной стороны, определяют состояние его потребностей, а с другой — могут быть им изменены, т. е. субъект располагает средствами для такого воздействия на среду, при котором эти параметры изменяются в нужную ему сторону. Будем считать, что субъект, образуя цели, реагирует только на эти параметры. Параметры среды, которые определяют его потребности, но не могут быть изменены субъектом, вообще говоря, косвенно влияют на его поведение при целеобразовании. Здесь, по-видимому, вступает в действие механизм эмоций, что не может не оказать влияния на процесс образования цели. Однако этот механизм мы рассматривать не будем.

Таким образом, субъект воспринимает окружающую среду;как конечный или бесконечный набор ее параметров

каждый из которых интересует субъекта и может быть им изменен. Иначе говоря, воспринимаемая субъектом ситуация всегда управляема:

где - управление субъекта.

Введем понятие пространства ситуаций которое образуется указанными параметрами Каждая точка этого пространства определяет какую-то конкретную ситуацию, сложившуюся вокруг субъекта (рис. 1.1.5). Через это ситуационное пространство субъект и воспринимает окружающие его среду и различные объекты. Естественный дрейф ситуации, вызванный изменением (эволюцией) среды, связанным, возможно, с действиями других субъектов, приводит к смещению точки вдоль какой-то траектории (см. сплошную линию на рис. 1.1.5).

Однако свои цели субъект формулирует не в терминах среды субъекту удобнее оперировать иными, свойственными ему понятиями (назовем

Рис. 1.1.5. Пространство ситуаций.

их целевыми). Пусть эти целевые понятия описываются вектором

где каждый целевой параметр однозначно определяется ситуацией т. е.

а функции определяют связь состояния среды I и целевого параметра . В векторной форме эта связь выражается в виде

где

— некоторая определенная вектор-функция.

Преобразование информации в форму необходимо еще и потому, что субъект обычно формулирует свои цели в терминах к понятиях, связанных с измеряемыми, но не тождественных им. В частном случае может оказаться, что но это бывает редко. Например, при управлении температурным режимом объекта достаточно измерять температуру, т. е. так как цель сформулирована в терминах измерений. Однако при создании оператору комфортных условий необходимо измерять температуру и влажность, в то время как цель формулируется в виде определенного ограничения на определенную их комбинацию.

Рассмотрим -мерное пространство целей которое образуется точками (1.1.9). Это пространство удобно субъекту тем, что по поводу каждой координаты он может высказать свое требование (цель), выполнение которого, по мнению субъекта, приведет к удовлетворению какой-то одной или нескольких его потребностей. Свою цель субъект формулирует в виде вектор-цели

где требование к состоянию среды выраженное с помощью функции Эти цели - требования могут иметь различный характер, но форма их должна быть унифицирована.

Рассмотрим унифицированный вид целей Они могут выражаться различным образом. Однако для формализации их необходимо свести к одной из следующих форм:

1) («приравнять»): - это требование означает, что целевая переменная должна быть равна заданной величине

2) («ограничить»): это требование, накладыва емое на целевую переменную, — она не должна быть меньше заданного порога ,

3) («минимизировать») целевая пере менная должна быть минимальной.

Если цели субъекта не могут быть сведены к этим формам, то нельзя говорить о создании формальной системы управления для достижения этих целей.

Однако практика показывает, что к такого рода требованиям («приравнять», «ограничить», «минимизировать») можно свести почти все ситуации, которые встречаются субъекту, особенно в научно-технической сфере.

Таким образом, процесс формулировки целей субъекта связан, во-первых, с определением вектор-функции , во-вторых, с выработкой требований, накладываемых на каждую составляющую этого вектора.

Рассмотрим, как отражается цель в пространство ситуаций Для этого достаточно рассмотреть область, определяемую системой целевых требований:

где

Точка или область удовлетворяющая этим требованиям, и является тем состоянием среды, которого добивается субъект. Удастся ли субъекту достичь такого состояния среды, зависит его возможностей воздействовать на среду, т. е. от вида зависимости

и от ресурсов выделяемых на управление:

Эти ресурсы определяют энергетические, материальные, временные и другие возможности управления

Теперь рассмотрим взаимодействие целевой зоны и траектории изменения среды под воздействием внешних факторов (см. рис. 1.1.5), т. е. дрейф ситуации. Если траектория дрейфа проходит через зону, никакого управления субъекту не нужно. Ему остается ждать, когда внешние обстоятельства приведут к тому, что принадлежит Однако рассчитывать на подобное маловероятное совпадение неразумно, хотя в принципе оно

возможно. Именно поэтому субъект предпочитает управлять ситуацией, т. е. целенаправленно воздействует на среду:

и изменяет ее так, чтобы

т. е. чтобы достигались цели управления. В этих выражениях время обозначает дрейф свойств среды.

Таким образом, управление необходимо субъекту для того, чтобы:

1) добиться поставленной цели управления т. е. реали зовать условие (1.1.18);

2) компенсировать дрейф ситуации, который, как правило, нарушает целевое условие (1.1.18).

Именно поэтому всякое управление следует рассматривать с двух точек зрения: во-первых, как средство добиться поставленных целей и, во-вторых, как средство компенсации неблагоприятных изменений в среде, нарушающих выполнение этих целей.

Заметим, что под параметрами среды здесь и в дальнейшем подразумеваются измеряемые параметры собственно среды X и параметры объекта взаимодействующего со средой. Таким образом,

Однако дифференциация 5 возникает лишь после выделения объекта из среды. Процедура такого выделения представляет собой следующий этап управления сложным объектом.

II. Определение объекта управления связано с выделением той части среды, состояние которой интересует потребителя в связи с реализацией сформулированных им целей.

Цели и ресурсы управления позволяют выделить ту часть пространства, состояние которой необходимо контролировать и на которую следует воздействовать, для того чтобы выполнить заданные цели управления.

Иногда, когда границы объекта очевидны, такой проблемы не возникает. Это бывает в случаях, когда объект достаточно автономен (самолет, корабль, любой прибор, автомашина и т. д.). Однако в других случаях связи «объекта» со «средой» настолько сильны и разнообразны, что порой очень трудно понять, где кончается объект и начинается среда. Именно это обстоятельство и заставляет выделять процесс определения объекта в самостоятельный этап управления.

Задача заключается в том, чтобы для заданного множества целей и ресурсов определить такой вариант объекта, который по критерию достижимости этих целей окажется лучше всех.

Если бы мы располагали формальным описанием среды, то процесс выделения объекта из этой среды в принципе не представлял бы трудностей. Действительно, «высекая» различные «куски» среды и называя их объектом, мы всегда могли бы проверить на модели, достигаются ли цели управления в данном объекте или нет. Если нет, то можно было бы оценить численно, какова степень неуправляемости этого варианта объекта. Повторив эту процедуру для других вариантов высечения, мы остановились бы на том, который позволяет получить максимальную (желательно 100%-ную) управляемость.

Однако формального описания среды нет и этот путь закрыт. Тем не менее направление поиска довольно очевидно. Всегда, когда нет (или пока нет) формального аппарата решения проблемы, за решением (хотя и очень приближенным) обращаются к экспертам. На стадии определения объекта это единственно возможный подход. Для этого следует экспертно синтезировать несколько вариантов объекта, а затем также с помощью экспертов оценить их по критерию и выбрать наилучший.

III. Структурный синтез модели [178]. Под структурой будем понимать вид, характер зависимости состояния объекта У от его входов — неуправляемого X и управляемого

В общем случае зависимость определяется некоторым алгоритмом (правилом, инструкцией), который указывает, как, располагая информацией о входах X и определить выход У. Вид этого алгоритма с точностью до его параметров и определяет структуру Условно можно считать, что модель состоит из структуры и параметров:

где - структура модели — ее параметры. Таким образом, целью третьего этапа является определение структуры объекта управления. Например, категории линейности, статичности, детерминированности, дискретности являются структурными категориями. Так, линейная статичная непрерывная детерминированная структура однозначно определяет следующий вид для причем на стадии структурного, синтеза конкретные значения параметров пока неважны. Важен лишь вид зависимости от этих параметров и входов объекта.

Сам по себе структурный синтез модели является сложным и многоэтапным процессом и подразумевает следующие подэтапы:

1. Определение входов и выходов объекта, т. е. синтез модели на уровне «черного ящика».

2. Экспертное ранжирование входов и выходов объекта.

3. Декомпозиция модели.

4. Выбор структурных элементов модели.

Экспертный метод решения перечисленных задач является основным.

IV. Параметрический синтез модели связан с определением параметров модели

где выбранная на предыдущем этапе структура отражена в модельном операторе

Для определения параметров С модели, очевидно, необходимо иметь информацию о поведении входов и выхода У объекта. В зависимости от того, как получена эта информация, различают два подхода — идентификацию и планирование экспериментов с объектом.

IV. 1. Идентификация [178] параметров модели объекта связана с оценкой численных значений искомых параметров в режиме нормального функционирования объекта, т. е. без организации специальных управляющих воздействий на него. Исходной информацией для идентификации являются структура и наблюдения за поведением входа и выхода объекта при его взаимодействии со средой.

Таким образом, пара

полученная в режиме нормального функционирования объекта, является основным источником информации при идентификации. Однако не все входы объекта (X и U) изменяются в процессе его нормальной эксплуатации. Так, наверняка не изменяются те параметры из на которые не влияет состояние среды. Для выяснения зависимости выхода объекта У от параметров такого рода необходимо преднамеренно их варьировать, т. е. необходим эксперимент с объектом. Однако всякого рода эксперименты нарушают режим нормального функционирования объекта, что всегда нежелательно. Поэтому эксперимент, которого нельзя избежать, следует проводить, минимально возмущая объект, но так, чтобы получить максимальную информацию о влиянии варьируемых параметров на выход объекта. Здесь приходят на помощь методы планирования эксперимента.

IV.2. В процессе планирования эксперимента синтезируется специальный план эксперимента, позволяющего в заданных ограничениях с максимальной эффективностью определить параметры С модели объекта управления. Например, для статического объекта этот план представляет собой набор состояний управляемого входа объекта принадлежащих заданной допустимой области варьирования, в которых определяется его выход Полученные пар являются исходной информацией для определения необходимых параметров модели.

Поскольку в процессе проведения экспериментов на объекте получается новая информация, то могут измениться представления о структуре модели (например, первоначальная гипотеза о линейности модели сменится на нелинейную). Это обстоятельство заставляет снова обращаться к структурному синтезу, точнее, вводить коррекцию структуры модели. Сказанное несколько «размывает» понятие этапа планирования эксперимента, распространяя его и на процессы выбора и коррекции структуры.

После того как выяснено влияние на выход объекта неуправляемого X и управляемого входов, задачу синтеза модели, которой были посвящены два последних этапа (третий и четвертый), можно считать выполненной. Полученная модель является исходной для процесса синтеза управления.

V. Синтез управления связан с принятием решения о том, каково должно быть управление чтобы в сложившейся си туации достигнуть заданной цели управления в объекте. Это решение опирается на имеющуюся модель объекта за данную цель полученную информацию о состоянии среды X и объекта У, а также на выделенные ресурсы управления, ко торые представляют собой ограничения, накладываемые на управление в связи со спецификой объекта и возможностями си стемы управления. Синтез управления сводится к решению вариационной задачи, которая получается из (1.1.14) путем соот ветствующих преобразований и свертки, необходимых для преодоления многокритериальности.

Полученное управление должно быть оптимально с точки зрения целей управления и представляет собой, вообще говоря, программу изменения управляемых параметров во времени, т. е.

VI. Реализация управления связана с процессом отработки объектом программы, полученной на предыдущем этапе. Такой процесс для неактивных объектов решается методами теории следящих систем, отрабатывающих заданную программу. Значи тельно более сложна реализация управления активной системой.

Однако эти трудности должны быть преодолены на стадии синтеза модели объекта управления, учитывающей его активность. Тогда отработка программы будет такой же, как и при управлении пассивным объектом.

Если управление реализовано, а его цель не достигнута (напомним, что рассматривается управление сложным объектом), приходится возвращаться к одному из предыдущих этапов. Даже в самом лучшем случае, когда поставленная цель достигнута, необходимость обращения к предыдущему этапу вызывается изменением состояния среды X или сменой цели управления Z. Таким образом, при самом благоприятном стечении обстоятельств следует обращаться к этапу синтеза управления (стрелка 1 на рис. 1.1.4), на котором определяется новое управление, отражающее новую, сложившуюся в среде ситуацию. Так функционирует стандартный контур управления, которым пользуются при управлении простыми объектами.

VII. Специфика сложного объекта управления требует расширения описанного цикла за счет введения этапа адаптации, т. е. коррекции всей системы управления или, точнее, — всех этапов управления. Адаптация здесь выступает в роли более глубокой обратной связи, улучшающей процесс управления сложнюй системой. Рассмотрим ее подробнее.