VI. Основы теории управления

1. Понятие об управляемой системе. Способы управления.

Термин «управление» можно толковать несколько шире. Мы можем говорить об управлении не только системами, но и процессами, с целью придания им желаемых свойств. Говорят об управлении качеством, управлении безопасностью и т.д.. конечно, в каждом конкретном случае необходимо раскрывать смысл этого управления. Однако, общим является то, что имеется ввиду целенаправленное воздействие на процесс и/или организация этого целенаправленного воздействия. Цель должна присутствовать обязательно. Без цели нет управления. Примером управляемой системы может служить автомобиль с находящимся в нем водителем (любые транспортные средства с человеком или экипажем, осуществляющим управление им), производственная или коммерческая фирма с управляющим или директором, воинское подразделение, человек, рассматриваемый как биологический организм.

В управляемой системе можно выделить «объект управления» (ОУ) – чем управляют и Устройство управления (УУ), субъект управления или систему управления (обозначаемые далее как СУ1, СУ2) – то, что управляет. То, чем воздействует УУ, СУ1 или СУ2 на ОУ будем далее называть Управляющим воздействием (УВ). Например, для автомобиля это поворот рулевого колеса, нажатие на педаль газа или тормоза, переключение скоростей с помощью коробки передач. В управляемой системе присутствует и то, что реализует управляющее воздействие. Этот компонент управляемой системы будем называть Исполнительным устройством. Если в качестве управляемой системы будем рассматривать организацию, то в качестве управляющего элемента будем понимать систему управления. Несомненно одно – в управляемой системе должны присутствовать следующие компоненты:

1. Цель

2. Объект управления

3. Устройство управления или Субъект управления или Система управления

4. Управляющие воздействия

5. Исполнительное устройство

находящиеся в определенном отношении и взаимодействии. Только при наличии этих компонент управляемая система может проявить свойство целостности – эмерджентность: способность достичь цель. Ни автомобиль, ни водитель таким свойством эмерджентности не обладают. Дальнейший анализ управляемой системы показывает, что объект управления испытывает не только воздействия со стороны УУ, СУ1 или СУ2, но и со стороны элементов реального мира, не входящих в состав системы. Совокупность таких элементов будем называть окружающей средой (ОС). Вообще говоря, если ОС не оказывает существенного влияния на ОУ (с точки зрения достижения цели), то влияние ОС можно и не учитывать. Например, для автомобиля на хорошей дороге, небольшой боковой ветер может не приниматься во внимание.

Стрелки, начинающиеся кружочками и оканчивающиеся в СУ, демонстрируют, что СУ для выработки УВ должен обладать информацией (сведениями) о состоянии ОУ – положении относительно цели и воздействии, которое оказывает ОС на ОУ. Будем полагать, что кружочки «измеряют» положение ОУ и воздействие на ОУ со стороны ОС, то есть являются датчиками Д1 и Д2. Стрелки, идущие от датчиков будем называть каналами связи. Прямым каналом связи будем называть стрелку по которой поступает информация о состоянии ОС (вернее о влиянии ОС на ОУ) в СУ, а обратным (обратите внимание на направление этой стрелки на диаграмме) каналом – стрелку,по которой информация о состоянии ОУ поступает в СУ. Будем считать также, что информация о состоянии ОС представлена в виде показателей состояния ОУ – параметров управления. Стрелку от СУ к ОУ будем называть каналом управления и она олицетворяет УВ, прикладываемое к ОУ.

Вообще говоря, для ряда управляемых систем канал управления может по своей сути являться каналом связи, который будем причислять к прямым каналам. Например передача команды по телефону, рации, со связным и т.п. Такой способ организации управления подразумевает наличие в ОУ. исполнительного устройства с функцией реализации управляющего воздействия – в виде материализованного управляющего воздействия, полученного по каналу связи СУ с ОУ.

Управление — функция организованных систем различной природы (биологической, технической, социальной), обеспечивающая сохранение определенной их структуры, поддержание режима деятельности, реализацию их программ и достижение их целей.

в управляемой системе должны присутствовать следующие компоненты:

• Цель

• Объект управления

• Устройство управления или Субъект управления или Система управления

• Управляющие воздействия

• Исполнительное устройство находящиеся в определенном отношении и взаимодействии.

Примеры управляемых систем.

I. Технические системы автоматического регулирования.

А Поплавковая камера карбюратора

B Терморегулятор

С Центробежный регулятор Уатта

примеры регуляторов прямого действия,

принципу обратных связей.

D Банкомат

Пример регулятор-автомат

Принцип программного управления

Е Автоматическая система противопожарной и охранной сигнализации.

Принцип обратной связи и программного управления.

Управление событийное

II. Человек как «биологический автомат»

иерархическая управляемая система

1. сознание

2. подсознание (привычная обстановка)

3. нервно-соматический уровень -уровень безусловных рефлексов. Передаётся по наследству.(глотание)

4. вегетативная нервная система -на этом уровне происходит управление гомеостазиса(постоянные параметры организма)

5. гормональная система.

6. ферментативная система

III. Человеко–машинные системы (эргатические).

Автомобиль+водитель

IV. Примеры управления в организациях (организационных системах)

Университет

Любая организация явл. иерархической управляемой системой.

Принципы: обратной связи, программного управления, управления при наличии модели объекта управления, по методу проб и ошибок.

2. Понятие об управляемой системе. Принципы управления.

3. Понятие об управляемой системе. Формы (или типы) управления.

4. Толкование понятия «управление».

5. Информация, её роль в управлении.

6. Принцип необходимого разнообразия Эшби.

7. Основные понятия управления по принципу обратной связи.

8. Основные понятия управления по программному принципу.

9. Основные понятия управления при наличии модели объекта управления.

Существует 4 принципа управления:

• Управление по принципу обратной связи, при котором выбор управляющего воздействия осуществляется исходя из информации о текущем состоянии ОУ относительно цели.

Для управления по принципу обратной связи характерно наличие так называемого замкнутого контура управления – движение информации с соответствующей трансформацией и изменениями материального носителя от ОУ к СУ и обратно. Этот контур управления изображен на диаграмме в виде кружка со стрелками и помечен «*». Для других принципов управления такого замкнутого контура нет!

• Принцип управления методом проб и ошибок подразумевает управление при полном или частичном незнании поведения ОУ при оказании на него управляющего воздействия. – «Нажми на эту клавишу компьютера и посмотри, что будет дальше». Такой способ управления реализуется СУ, если он например «не обучен» управляющим воздействиям или не представляет закона эволюции ОУ, не знает режим функционирования ОУ, неправильно заданы цели управления. Иногда этот способ управления приводит к печальным или трагическим последствиям. Вспомним Чернобыльскую катастрофу, «перестройку» в России, и т.д.

• Принцип программного управления подразумевает выдачу управляющих воздействий по заранее заданной программе. В этом случае СУ будем называть задатчиком программного управления – ЗПУ. Структурная диаграмма в данном случае упрощается до следующей:

Программный принцип управления широко используется при управлении движением транспортных средств в авиации и морском флоте в виде «управления с помощью автопилота». Интуитивно понято, что, если влияние ОС на ОУ невелико, то мы можем приблизиться к цели достаточно близко, в противном случае отклонения ОУ от цели может быть достаточно велико. Действительно, при создании программы управления невозможно учесть воздействие ОС на ОУ, если оно характеризуется большой степенью случайности.

• Если в нашем распоряжении имеется модель ОУ, адекватно описывающей поведение ОУ при воздействии со стороны ОС и реакции на УВ, то возможно управление при наличии модели. Структурная схема управляемой системы в этом случае примет вид:

Подобный принцип управления характерен для ряда непрерывных производств (химических, и т.д.) или для управления социосистемами, где в качестве модели выделяется группа лиц и только их состояние отслеживается для организации управления (например, система рейтингов на телевидении, социологические опросы населения).

10. Функции управления.

Функции управления.

Под функцией здесь будем понимать относительно обособленный, устойчивый вид деятельности.

Будем выделять:

Первичные функции обработки информации;

Вторичные функции обработки информации – функции подготовки данных для принятия решения;

Функции реализации алгоритма управления;

Функции передачи информации об управляющем воздействии исполнительному устройству.

В настоящее время к основным функциям управления относят:

1. функции сбора информации (данных) о состоянии ОУ;

2. функции передачи данных по каналам связи;

3. функции мониторинга, наблюдения;

4. функции контроля и учета;

5. функции прогнозирования и планирования;

6. функции оперативного, тактического и стратегического управления;

7. функции организации и координации;

8. функции принятия решения;

9. функции стимулирования и мотивации (если речь идет о людях);

10. функции реализации управляющего воздействия;

11. функции анализа эффективности функционирования управляемой системы.

Если мы будем интересоваться техническими управляемыми системами, то список функций управления трансформируется следующим образом:

1. функция целеполагания или целеуказания – формулировка цели или выбор цели, если их несколько, ради которой создается, конструируется, проектируется данная техническая система. Например, регулировка (стабилизация) некоторой характеристики (уровень топлива, скорость вращения), слежение (наблюдение) за состоянием ОУ – система противовоздушной обороны, если отвлечься от наличия людей в этой системе. Если этот пример вызывает настороженность, то можно рассмотреть автоматическую систему слежения за доступом на охраняемый объект;

2. функция мониторинга (контроль) за состоянием ОУ – обобщенное название совокупности функций наблюдения (сложения), описания, оценки состояния (сравнение с эталоном, образцом, идентификация состояния);

3. функция выработки управляющего воздействия;

4. функция реализации управляющего воздействия;

5. функция анализа применения управляющего воздействия.

Если рассматривается программный принцип управления ОУ, то список функций управления преобразуется как:

1. функция целеполагания;

2. функция синтеза управления – создания программы управления ОУ;

3. функция реализации программы управления задатчиком программного управления.

4. функция коррекции состояния ОУ

Если рассматривается управление при наличии модели ОУ, то функции управления аналогичны функциям управления ОУ по принципу обратной связи, если в контуре управления подразумевать модель ОУ вместо ОУ! Однако и в этом случае должна быть добавлена функция коррекции состояния ОУ. Необходимость этого объясняется тем, что модель ОУ нетождественна ОУ, и степень этой адекватности определяет в конечном счете наличие отклонения от желаемого состояния – цели. Иногда эта неадекватность приводит к очень печальным последствиям, например, когда штурман прокладывает курс корабля по морской карте, на которой отсутствуют некоторые мели или скалы! Аналогично можно посочувствовать большой армии телезрителей, которые вынуждены довольствоваться мыльными операми, если некоторая совокупность телезрителей, выбранная в качестве модели телеаудитории соответствующей дирекцией телепрограммы, проявляет повышенную любовь к этому жанру.

11. Задача регулирования (стабилизации). Типы регуляторов.

Технические системы представляют собой материальные системы, которые решают задачи по программам, составленным человеком; сам человек при этом не является элементом таких систем.

Техническая система - это совокупность взаимосвязанных физических элементов.

В качестве связей в таких системах выступают физические взаимодействия (механические, электромагнитные, гравитационные и др.).

Примеры:

В этих примерах управление реализуется без участия человека. В этом случае говорят об автоматическом способе управления.

• Поплавковая камера карбюратора

Служит для регулировки (управления) уровнем бензина в карбюраторе. Целью является поддержания фиксированного уровня бензина.

Принцип работы системы достаточно прозрачен:

1) при уменьшении уровня бензина, поплавок, плавающий в бензине, понижается и воздействует на запорную иглу, которая открывает отверстие подачи бензина из бензобака, что и приводит к повышению уровня бензина;

2) при увеличении уровня бензина поплавок поднимается и запорная игла закрывает отверстие подачи из бензобака, что и приводит к уменьшению уровня бензина.

Такое поведение поплавка приводит в целом к стабилизации уровня бензина в поплавковой камере.

Устройством управления в нашем случае служит поплавок + запорная игла, средством «измерения» уровня — поплавок, исполнительным устройством — запорная игла.

• Терморегулятор

Печь с автоматической регулировкой температуры. Принцип регулирования температуры в камере печи основывается на том, что перекрытие щели для выходящих газов изменяет температуру в камере, увеличение щели — увеличивает. Измеряя длину плеча тяги можно менять значение желаемой температуры в камере.

• Центробежный регулятор Уатта

Это устройство было сконструировано в 1784 году для стабилизации частоты вращения вала парового двигателя.

• Банкомат. Последовательность действий:

1. банкомат запрашивает PIN код клиента

2. банкомат проверяет PIN код клиента (иногда говорят - авторизует клиента)

3. банкомат запрашивает сумма, требуемая клиентом

4. банкомат проверяет состояние счета клиента

5. если состояние счета допускает выдачу запрашиваемой суммы, то подсчитывается эта сумма денег

6. выдается эта сумма клиенту

7. состояние счета уменьшается на выданную сумму денег

8. банкомат выключается

Автоматическая система противопожарной и охранной сигнализации. В отличие от банкомата, эта система должна всегда находиться в рабочем (ждущем, следящем) состоянии и реагировать на возникновение огня или источника дыма, а также на нарушение охраняемого периметра или пространства. В связи с этим, система должна распознать эти объекты или события. Нарушение периметра или пространства, появление огня или дыма будем далее называть «событием», и управление подобными системами будем называть «событийным управлением». В этом случае имеет смысл говорить о форме реализации управления.

Задачи слежения и регулировки (стабилизации).

Под слежением понимается использование замкнутого регулятора, который принуждает состояние системы х(t) или ее выход y(t) следовать заданному переменному координирующему сигналу хk(t) или yk(t). В случае, когда координирующие сигналы изменяются лишь время от времени, являясь кусочно-постоянными, задача слежения превращается в задачу регулирования. Следящая система или регулятор выполняют свою основную функцию с минимизацией некоторого критерия качества V (интеграл квадрата ошибки, затраты энергии и т.д.).

Под регулированием будем понимать процесс поддержания или изменения по заданным условиям некоторой величины (показателя) с помощью целенаправленного воздействия — управления. С задачей регулирования тесно связана задача слежения. В этом случае задающий сигнал (условие) испытывает зависимость от времени.

К необходимости регулировки приводит изменение желаемого режима функционирования системы из-за внешних воздействий со стороны ОС или изменения свойств элементов системы и/или свойств взаимодействия элементов системы между собой.

Если основная задача управления заключается в том, чтобы выходной сигнал системы «следил» за меняющимся задающим сигналом yi= yi(t), то такая система управления называется следящей. Если же основная задача управления заключается в том, чтобы выходной сигнал поддерживался равным или приблизительно равным постоянному задающему сигналу (уставке) yi= const, то такая система управления называется регулятором. Примером системы первого типа может служить система управления противовоздушной обороны, а второго – карбюратор, терморегулятор инкубатора.

Если регулирование происходит без непосредственного участия человека то оно называется автоматическим. При этом функции, которые выполнял человек субъект управления: наблюдение за показателями состояния ОУ, измерение показателей, определение отклонения показателей от заданного критерия, выработка регулирующего воздействия, применение регулирующего воздействия должны реализовываться специально созданным для этого устройством управления – автоматическим регулятором.

При этом на человека уже возлагаются другие функции: контроль за работоспособностью (исправностью) регулятора. Принятия управления «на себя», в случае обнаружения неисправности регулятора. Вызова наладчика для устранения обнаруженного неисправленного регулятора. Выявление неисправности. Приведение устройства в работоспособное состояние – ремонт.

В настоящее время при автоматизации регулирования производственных процессов широко используются компьютерные технологии.

12. Задача слежения, отличие от задачи регулирования.

13. Уровни управления в организации.

14. Управление в эргатических системах. Типы эргатических систем.

15. Управление. Показатели и критерии.

16. Оптимальная форма управления.

Управление – функция организованных систем различной природы (биологической, технической, социальной), обеспечивающая сохранение определенной их структуры, поддержание режима деятельности, реализацию их программ и достижение их целей.

Термин «управление» можно толковать несколько шире. Мы можем говорить об управлении не только системами, но и процессами, с целью придания им желаемых свойств. Говорят об управлении качеством, управлении безопасностью и т.д.. конечно, в каждом конкретном случае необходимо раскрывать смысл этого управления. Однако, общим является то, что имеется ввиду целенаправленное воздействие на процесс и/или организация этого целенаправленного воздействия. Цель должна присутствовать обязательно. Без цели нет управления.

Завершая изучение вопросов управления в организации, рассмотрим вопрос о показателях и критериях управления. Этот вопрос весьма важен с точки зрения постановки "измерения" состояния ОУ – необходимого элемента для выбора эффективного управляемого воздействия (а в некоторых случаях и оптимального!).

Оптимальное управление — это задача проектирования системы, обеспечивающей для заданного объекта управления или процесса закон управления или управляющую последовательность воздействий, обеспечивающих максимум или минимум заданной совокупности критериев качества системы Для решения задачи оптимального управления строится математическая модель управляемого объекта или процесса, описывающая его поведение с течением времени под влиянием управляющих воздействий и собственного текущего состояния.