Общая структура системы управления

После того, как были введены базовые аксиоматические понятия, постулаты и аксиомы, определимся с общей структурой системы управления. Согласно концептуальному подходу, закрепленному в аксиоматике, рассмотрим систему через входящие в нее объекты, связи между этими объектами, а также характеристики связей и соответствующих им воздействий.

Система управления представляет собой особенный вид системы, включающей два объекта, один из которых, испытывая воздействия второго и оценивая эти воздействия, непременно стремится целенаправленно изменить состояние этого второго объекта и осуществляет эти изменения посредством реализации собственных воздействий на него.

Система управления состоит из прямого и обратного контуров. Последний чаще всего называют контуром обратной связи.

Прямой контур представляется объектом управления, а обратный контур – управляющей системой. Эти контуры являются закольцованными друг по отношению к другу, т.е. взаимодействуют по кольцу – прямой контур информационно воздействует на обратный контур, а последний, в свою очередь, на прямой (см. рис. 1.1).

Управляющая система представляет собой совокупность:

- инструментальных (технических и софтверных) средств переработки информации;

- субъектов, участвующих в подготовке управленческого решения и составляющих группу подготовки (обоснования) управленческих решений;

- субъекта или группы субъектов, наделенных правами или обязанностями осуществлять окончательный выбор предпочтительного управленческого решения и санкционировать реализацию управленческих воздействий (лица, принимающего решения – ЛПР). Как правило, субъект управления и ЛПР – это одно и то же лицо;

- субъектов, участвующих в материализации управленческих решений, т.е. в реализации их в виде управленческих воздействий, и составляющих группу реализации управленческих воздействий.

В данном случае субъектом управления может быть признано ЛПР, или же все три упомянутые категории субъектов с учетом подчиненного по отношению к ЛПР характера тех лиц, которые готовят управленческие решения и реализуют управленческие воздействия. Группы подготовки управленческих решений и реализации управленческих воздействий нередко не только пересекаются, но и являются идентичными по своему составу.

Рис. 1.1. Структурные компоненты и связи системы управления

В том случае, если прямой и обратный контуры соединены, то принято говорить о замкнутой системе управления или замкнутом контуре управления. Если же возникает нарушение информационной связи, т.е. взаимные информационные воздействия (информационное взаимодействие) прямого и/или обратного контура прекращаются, возникает так называемый разомкнутый контур управления. Для получения разомкнутого контура управления достаточно нарушить хотя бы одну связь, т.е. лишить объект управления либо наблюдаемости, либо управляемости. В случае разомкнутого контура управления целесообразно исследовать прямой и обратный контуры независимо, т.к. исследование их в варианте неполной взаимосвязанности не позволяет решать проектных и исследовательских задач известного типа.

Разумеется, на систему управления внешняя по отношению к ней среда действует как через объект управления, так и через управляющую систему. Однако чаще всего при организации управления все воздействия внешней среды условно переадресуют на объект управления.

Механизм влияния входов объекта на его выход именуется так называемым процессором (оператором) объекта. Таким образом, процессор может быть также определен как механизм преобразования входов объекта в его выходы. Как правило, процессор представляется в некоторым образом канонизированном, типовом, формализованном виде – например, в виде условной механистической конструкции или информационной системы с внутренним диффундированием и преобразованием данных.

В этом смысле процессор – первый уровень модельной идентификации объекта, т.к. он представляет реальный объект в некотором смысле обязательно упрощенно и в общепринятой форме – например, через общепринятые понятия.

Процессор объекта, в том числе процессор объекта управления, признается детерминированным, если соответствующий механизм имеет детерминированную структуру – состав подмеханизмов и связей между ними и детерминированное правило преобразования входов в выходы для каждого своего подмеханизма или механизма в целом (в последнем случае – если механизм недекомпозируем).

Процессор объекта признается стохастическим, если для соответствующего механизма выполняется хотя бы одно из следующих условий:

- в детерминированной структуре имеется хотя бы одна стохастичность или структура является полностью стохастической;

- среди детерминированных правил преобразования входов подмеханизмов в их выходы имеется хотя бы одно стохастическое правило.

Процессор объекта признается неопределенностным, если для соответствующего механизма выполняется хотя бы одно из следующих условий:

- имеется хотя бы одна неопределенность в структуре;

- имеется хотя бы одно неопределенностное правило.

Соответственно процессор объекта управления предусматривает отображение P_ОУ, такое, что:

P_ОУ : {A, E₁, E₂. D_1нач.} à D₁,

где D_1нач. – начальное состояние объекта управления.

В зависимости от ситуации D_1нач. может относиться к ретроспективному участку различной длительности, определяемому так называемой длиной «памяти» объекта управления, т.е. интервалом времени, на котором предшествующие его состояния еще значимо сказываются на текущем и будущем состояниях, имеется значимая связь между этими состояниями. Длина этого интервала времени может простираться от нуля (объект управления «без памяти») и устремляться к плюс бесконечности (объект управления с бесконечной «памятью»). Промежуточное значение длины этого интервала порождает объекты с «ограниченной» памятью, причем память может иметь нетривиальную избирательность – временной интервал зависимости может иметь сложную природу, то есть, например, зависеть не обязательно от состояний в моменты времени, примыкающие непрерывным кортежом к данному моменту времени.

Таким образом, память объекта может быть определена как зависимость состояния объекта от его состояний в предшествующие моменты времени. «Память» объекта может быть динамической, т.е. ее длина может изменяться со временем.

В свою очередь, отображаемые в пространство D₁ входы A, E₁ и E₂ также могут учитываться с некоторым ретроспективным отставанием (лагом), т.е. состояние объекта управления в некоторые моменты времени, в том числе в будущие, зависит от его состояния в предшествующие моменты времени. В общем случае все переменные, отраженные в процессоре P_ОУ, являются матрицами, т.е. их может быть несколько и они могут быть развернуты каждый во времени.

Аналогичные соображения относительно «памяти» справедливы и для приведенных ниже других процессоров.

Как правило, объект управления удается представить в виде объекта с единичной памятью (т.е. связать его состояние только с его состоянием в предшествующий момент времени), а управляющая система всегда представляет собой объект с бесконечной памятью.

Процессор управляющей системы P_УС является составным и подразумевает три стадии преобразований первичной информации о состоянии объекта управления в управленческие воздействия:

P_УС1 : {D₁, D_2нач.} à D₂;