Лекція Поняття управління та системи управління

« Назад

1. Поняття керованої системи та кібернетичної системи

Навколишній нас світ є надзвичайно складною системою, в якій різноманітні події виникають як результат взаємодії між собою безлічі різноманітних елементів. Впливаючи на хід одних подій, ніколи не можна бути впевненим в тому, що це не приведе до такої реакції всієї системи, яка зведе нанівець всі зусилля по досягненню поставлених цілей. Проте без втручання в зовнішнє оточення взагалі не варто сподіватися, що цілі коли-небудь будуть досягнуті. Тому для збільшення шансів на сприятливий результат необхідна активна дія на хід подій і структуру наших відносин з ними, іншими словами, необхідне управління.

Кібернетика як наука про управління вивчає не всі системи взагалі, а тільки керовані системи. Разом з тим область застосування кібернетики розповсюджується на системи різноманітної природи: технічні, біологічні, економічні, в яких здійснюється управління.

Однією з характерних особливостей керованої системи є здатність змінювати свою поведінку, переходити в різні стани під впливом різних управляючих дій. Так, автомобіль може займати різні положення в просторі, може рухатися в різних напрямах і з різною швидкістю залежно від того, як ним управляють. Військове угрупування під впливом певних команд виконує певний маневр, відмінний від маневрів, які воно здатне виконувати під впливом інших команд. Температура в холодильній шафі може знижуватися або підвищуватися залежно від того, включений або вимкнений холодильний агрегат.

В керованих системах завжди існує деяка множина станів системи, з якої проводиться вибір переважного стану, якщо йдеться про керовану систему. Де немає вибору, там немає і не може бути управління.

Оскільки всі об'єкти, явища і процеси в світі взаємозв'язані і впливають один на одного, виділяючи який-небудь об'єкт, ми повинні врахувати вплив середовища на цей об'єкт і його вплив на навколишнє середовище. Тому вивчення поведінки будь-якої керованої системи також повинне проводитися з урахуванням її зв'язків із зовнішнім середовищем.

Кожна кібернетична система характеризується, таким чином, властивостями тих об'єктів, які складають цю систему і зв'язками, що відображають взаємозалежність даної системи і середовища. Конкретна кібернетична система складається з конкретних об'єктів (наприклад, машин, природних ресурсів, людей і т. п.), її зв'язки з навколишнім середовищем виражаються у вигляді певних параметрів (сил, потоків енергії або матерії, і т. п.).

Необхідна поведінка керованої системи досягається за допомогою управляючих дій, під впливом яких система приймає кращий (в певному значенні) стан, ніж вона приймала б за відсутності управляючих дій.

Так, якщо йдеться про штучну керовану систему, створену людиною і використовуваною в його цілях, поведінка системи оцінюється її творцем. У такому разі поняття «краще» має сенс кращого по відношенню до цілей суб'єкта - творця системи. Біологічні керовані системи сформувалися в процесі еволюційного розвитку живої природи і при їх розгляді практично неможливо вказати суб'єкта, що має певну мету, заради досягнення якої здійснюється управління. Проте і для біологічних систем поняття «краща поведінка» має значення. Вона полягає в тому, що характер поведінки організму в навколишньому його природному середовищі робить істотний вплив на його виживання і розмноження. Тому оцінка поведінки організму як керованої системи визначається взаємовідношеннями його з середовищем, і кращим є така поведінка, яка підвищує шанси даного організму вижити і породити потомство.

Деякі зовнішні впливи на систему, а саме ті, якими можна розпоряджатися при управлінні нею, є управляючими діями. Дія на поведінку системи може досягатися як шляхом дій на її входи, так і шляхом зміни параметрів самої керованої системи - об'єкту управління. Так, наприклад, збільшення прибутку виробництва може бути досягнуте закупівлею дешевшої сировини (вхідний матеріальний потік) або оптимізацією об'ємів продукції, що випускається (управляюча дія менеджменту організації). Разом з тим, збільшення прибутку може бути одержано і при зміні структури виробництва, включаючи заміну устаткування більш вчиненим, що є зміною параметрів, внутрішніх властивостей самої організації.

Можливості управління тим ширше, а управління може здійснюватися тим ефективніше, чим ширший діапазон значень, які можуть приймати управляючі дії в процесі управління. Проте необхідно зважати на ту обставину, що в реальних системах діапазон зміни кожної управляючої дії обмежений. В приведеному прикладі управління ціни закупівель сировини обмежені, як обмежені ресурсами і об'єми виробництва; небезмежні і можливості вдосконалення структури виробництва.

Оскільки управління яким-небудь об'єктом може здійснюватися за допомогою декількох управляючих дій, кожне з яких обмежене деякими граничними значеннями, то в просторі управляючих дій Z₁, Z₂, ..., Z_m може бути виділена область Q, усередині якої лежать точки, що зображають всі можливі управляючі впливи. Цю область називатимемо множиною можливих впливів.

 

2. Управляюча система та алгоритм управління

Часто управляючі дії можуть приймати тільки скінчене число фіксованих значень або за умов задачі повинні розглядатися як такі величини. Тоді область можливих управляючих впливів міститиме скінчене число можливих управляючих дій. Температура в холодильній шафі, наприклад, може підтримуватися близькою до заданого її значення шляхом включення і виключення холодильного агрегату. Множина можливих впливів на таку систему складається з двох управляючих дій «включено» і «вимкнено».

Для того, щоб управляти яким-небудь об'єктом, потрібно певним чином змінювати управляючі дії на цей об'єкт. Така зміна управляючих дій може здійснюватися за допомогою сигналів управління, які несуть повідомлення про необхідні значення управляючих дій.

Сукупність елементів системи, що виробляє сигнали управління, називається управляючим пристроєм (суб'єктом управління, управляючою системою).

Якщо наперед відомі необхідна поведінка, умови роботи об'єкту, а також його властивості, то в управляючий пристрій може бути наперед введена інформація про послідовність управляючих дій у вигляді програми управління. В інших випадках, коли відсутні відомості, необхідні для попереднього складання програми управління, формування управляючих дій може бути організовано в управляючому пристрої на підставі інформації про обстановку, що складається в процесі функціонування системи. Такою інформацією можуть служити дані про стан керованої системи, про необхідний її стан, про збурюючі впливи, про характеристики керованої системи. Переробка цієї інформації в системі управління за певними правилами може слугувати для формування управляючих дій.

Сукупність правил, у відповідності до яких інформація, що поступає в систему управління, переробляється в сигнали управління, називається алгоритмом (законом) управління.

Необхідно відзначити, що управління буває потрібне не тільки для нормального функціонування системи, але також і для забезпечення її розвитку в необхідному напрямі: для розвитку організму із зародка, для розвитку підприємства, для розвитку транспортної системи і т.п. Управління розвитком полягає у формуванні плану розвитку об'єкту і в реалізації цього плану. План розвитку живих організмів закладений в спадковій інформації, вираженій у вигляді структури ДНК, що входить до складу ядра клітки. План розвитку якої-небудь економічної системи є документом, що містить інформацію про дії (у вигляді капіталовкладень, перетворень об'єктів і т. п.), що приводять до необхідної зміни в часі її функцій і структури.

Наявність управління є істотною ознакою складної системи, що забезпечує одну з головних властивостей системи - цілісність.

 

3. Визначення поняття «управління» та системи

На підставі розглянутого, можна таким чином визначити поняття «управління»:

Управління - це цілеспрямована дія однієї системи (суб'єкта управління), на іншу (об'єкт управління), вибрана з множини можливих дій на підставі наявної інформації, для зміни її стану (поведінки) відповідно до умов змінюваного у часі зовнішнього середовища, і поліпшення функціонування чи розвитку функціонування об'єкта управління.

Поняття управління є базовим в кібернетиці, оскільки визначає предмет дослідження цієї науки. Будь-яку систему, яка є об'єктом кібернетичного дослідження, можна представити у вигляді системи управління.

Об'єкт управління і управляюча система утворюють систему управління.

Нехай х характеризує вхід, що впливає на мету функціонування системи управління S. Управляюча система (суб'єкт управління) СУ виробляє сигнали управління (систему команд) т, направлені на управління об'єктом управління - системою ОУ. На систему S діють збурюючі впливи ω. Для того, щоб сигнали управління т, що виробляються управляючим пристроєм на підставі обробки інформації х, могли змінювати управляючі дії Z, необхідні органи, що змінюють управляючі впливи відповідно до сигналів управління - виконавчі органи (виконавча система) ВС.

Результати роботи системи у по каналу зворотного зв'язку поступають на вхід системи управління, аналізуються і використовуються для вироблення подальших управляючих дій (рис. 1).

Отже, система управління, що складається з об'єкта управління (керованої системи), суб'єкта управління (управляючої системи) і виконавчих органів (виконавчої системи), - це організована динамічна система із зворотним зв'язком, в якій реалізуються зв'язки за допомогою каналів управління і зворотного зв'язку.

Вищевикладене дозволяє виконати формалізацію, яка визначає правила функціонування системи управління S.

Вищевикладене дозволяє зробити формалізацію, яка визначає правила функціонування системи управління S.

На початку процесу управління: СУ виробляє сигнали управління m =F(y), виходячи з мети управління і апріорної інформації про закони функціонування системи в зовнішньому середовищі. Виконавчі органи трансформують сигнали управління в управляючу дію Z Реакція об'єкту управління під дією управління Z і збурюючих впливів ω полягає у відгуку у.

На наступному кроці: підсистема СУ при ухваленні рішень використовує дані про у (фактичному) і прогнозні значення ω.

 

4. Основні типи задач управління

У системах управління розв'язуються чотири основні типи задач управління: стабілізація, виконання програми, стеження і оптимізація.

Задачами стабілізації системи є задачі підтримки деяких її вихідних величин - керованих величин у поблизу деяких незмінних заданих значень у₀, не дивлячись на дію збурень ω , що впливають на у. Так, в системах енергопостачання повинні бути стабілізовані напруга і частота струму в мережі незалежно від зміни споживання енергії.

Задача виконання програми виникає у випадках, коли задані значення керованих величин у₀ змінюються у часі наперед відомим чином. Наприклад, при управлінні балістичною ракетою її висновок на задану траєкторію повинен відбуватися за наперед відомою програмою у_о(t) зміни її положення в просторі і швидкості. При управлінні положенням труби телескопа з метою компенсації обертання Землі також потрібно переміщати її за певною програмою. Аналогічна задача виникає у виробництві при виконанні робіт згідно наперед визначеного графіка. В біології яскравими прикладами дій «виконання програми» є сезонні перельоти птахів, метаморфоза комах. тощо.

Задача стеження, тобто якомога точнішого дотримання відповідності між поточним станом системи у(t) і значенням у₀(t), виникає в тих випадках, коли зміна заданих значень керованих величин наперед невідома. Необхідність в стеженні виникає, наприклад, при управлінні виробництвом товару в умовах змін попиту, що не передбачаються, ритм і глибина дихання повинні слідувати за змінами фізичного навантаження на організм, антена радіолокатора повинна стежити за рухами маневруючого літака, що не передбачаються.

Задачі оптимізації - встановлення оптимального, в певному зрозумінні, режиму роботи керованого об'єкта зустрічаються досить часто. До них відносяться: управління економічною системою з метою максимізації прибутку, управління технологічними процесами з метою мінімізації втрат сировини і напівфабрикатів і багато інших.