Принцип программного управления 2 страница

16. Ситуационное управление. Логико-лингвистические модели в управлении.

1. Не все цели управления могут быть представлены в количественном виде;

2. Между параметрами управления не удалось установить точных количественных зависимостей;

3. В многошаговых процессах управления содержание каждого шага не может быть заранее однозначно определено;

4. Существующие способы описания объектов и протекающих в них процессов приводят к столь громоздким конструкциям, что исключает их практическое использование.

Если под объектом управления фигурируют социальные или экономические объекты, процессы, то:

5. Цель существования объекта не может быть строго формализована;

6. В результате эволюции меняется структура и функции самого объекта, что должно отражаться и на эволюции процесса управления;

7. Элементы, входящие в структуру ОУ, могут иметь активную природу: их поведение может противоречить целям управления.

При учете этих причин пришлось отказаться от классических методов теории управления и обратиться к таким моделям, в которых решающее значение имеют описания действий в виде текстов на естественном языке, в которых зафиксирован опыт человека-оператора.

Под логико-лингвистической моделью (ЛЛМ) управления будем понимать модель управления сложным объектом, в которой используется семантическая (смысловая, качественная) информация.

Вообще говоря, мы не фиксировали тип модели, описывая принцип управления при наличии модели ОУ, и можно было бы сказать, что описываемое нами управление при помощи ЛЛМ попадает и в эту схему. Но это не так! В нашем случае речь идет о модели алгоритма управления, а не о модели ОУ! Такое управление принято называть ситуационным.

В этом случае опыт человека-оператора может быть зафиксирован в виде текста на естественном языке. Этот опыт человека и требуется использовать в системе управления. Зачастую этот опыт не может быть реализован в виде алгоритма управления субъекта управления из-за того, что состояние объекта управления характеризуется столь большим числом параметров и может зависеть от столь большого количества ситуаций, что невозможно заранее определить содержание каждого шага управления. Именно в таких случаях вместо алгоритма, предписывающего на каждом шаге его реализации некоторое однозначное решение, можно использовать совокупность указаний, представленных в виде некоторого исчисления.

Под исчислением понимают или составную часть некоторых разделов математики, определяющих правила вычислений и оперирования с объектами того или иного типа (дифференциальное, интегральное, вариационное) или дедуктивную систему.

Дедуктивной системой называется способ задания множества путем указания:

1. исходных элементов (аксиом исчисления):

2. правил вывода, описывающих, как строить новые элементы из исходных.

В этом случае структура управляемой системы примет вид:

Модель знаний М содержит описание (знание) об ОУ – М_о и описание (знание) о среде ОУ - М_s.

Знания делятся на уровни – уровень фундаментальных (неизменных знаний), уровень актуальных знаний – зависящих от данной конкретной ситуации.

Механизм порождения решения F анализирует состояние (ситуацию), в котором находятся ОУ и среда и вырабатывает некоторое решение, воздействующее на ОУ.

Существенное отличие семиотической (знаковой или ЛЛМ системы управления от традиционной) – 2 момента:

I. Наличие модели знаний, использующей декларативное представлений знаний, в отличие от процедурного способа предоставления знаний в виде алгоритма управления для традиционной СУ. Модель знаний отделена от блока F, что удобно, так как заменить информацию в М гораздо легче, чем написать новые процедуры для блока F.

II. Наличие интерпретатора 1 – этот блок, отражающий изменение блока М, содержимое которого меняется в процессе функционирования объекта управления: обновляется, уточняется и наполняется.

Первым случаем применения ЛЛМ в управлении принято считать концепцию ситуационного управления.

В основе этой концепции лежит гипотеза о том, что: вся необходимая информация об управлении объектом, которым до создания системы управления плохо или не очень управляли люди, может быть получена из непосредственного наблюдения за их работой или из их словесных объяснений.

В конце 70-х – начале 80-х годов прошлого века управленцами было осознано, что в теории управления есть ряд задач, для решения которых классические методы управления малоэффективны. В сферу автоматизации управленческих процессов вовлекаются объекты сложной структуры, для которых: а)Не все цели управления могут быть представлены в количественном виде; б)Между параметрами управления не удалось установить точных количественных зависимостей; в)В многошаговых процессах управления содержание каждого шага не может быть заранее однозначно определено; г)Существующие способы описания объектов и протекающих в них процессов приводят к столь громоздким конструкциям, что исключает их практическое использование. Если под объектом управления фигурируют социальные или экономические объекты, процессы, то: 1)Цель существования объекта не может быть строго формализована; 2)В результате эволюции меняется структура и функции самого объекта, что должно отражаться и на эволюции процесса управления; 3)Элементы, входящие в структуру ОУ, могут иметь активную природу: их поведение может противоречить целям управления. При учете этих причин пришлось отказаться от классических методов теории управления и обратиться к таким моделям, в которых решающее значение имеют описания действий в виде текстов на естественном языке, в которых зафиксирован опыт человека-оператора. Под логико-лингвистической моделью (ЛЛМ) управления будем понимать модель управления сложным объектом, в которой используется семантическая (смысловая, качественная) информация. В нашем случае речь идет о модели алгоритма управления, а не о модели ОУ! Такое управление принято называть ситуационным. Многие задачи управления сложными объектами без труда решаются человеком, но в силу разных обстоятельств: 1)Опасность для человека выполнения тех или иных функций, нахождение человека в опасном месте; 2)Недостаточная надежность или быстродействие их выполнения человеком. требуют автоматизации. В этом случае опыт человека-оператора может быть зафиксирован в виде текста на естественном языке. Этот опыт человека и требуется использовать в системе управления. Зачастую этот опыт не может быть реализован в виде алгоритма управления субъекта управления из-за того, что состояние объекта управления характеризуется столь большим числом параметров и может зависеть от столь большого количества ситуаций, что невозможно заранее определить содержание каждого шага управления. Именно в таких случаях вместо алгоритма, предписывающего на каждом шаге его реализации некоторое однозначное решение, можно использовать совокупность указаний, представленных в виде некоторого исчисления. Под исчислением понимают или составную часть некоторых разделов математики, определяющих правила вычислений и оперирования с объектами того или иного типа (дифференциальное, интегральное, вариационное) или дедуктивную систему. Дедуктивной системой называется способ задания множества путем указания: а)исходных элементов (аксиом исчисления): б)правил вывода, описывающих, как строить новые элементы из исходных. Языком этого исчисления выбирается язык, называемый языком предоставления знаний, в качестве аксиом исчисления используется описание объекта управления, среды, начальных условий объекта управления.Существенное отличие семиотической (знаковой или ЛЛМ системы управления от традиционной) – 2 момента: 1)Наличие модели знаний, использующей декларативное представлений знаний, в отличие от процедурного способа предоставления знаний в виде алгоритма управления для традиционной СУ. Модель знаний отделена от блока F, что удобно, так как заменить информацию в М гораздо легче, чем написать новые процедуры для блока F. 2)Наличие интерпретатора 1 – этот блок, отражающий изменение блока М, содержимое которого меняется в процессе функционирования объекта управления: обновляется, уточняется и наполняется. Первым случаем применения ЛЛМ в управлении принято считать концепцию ситуационного упрвления. В основе этой концепции лежит гипотеза о том, что: вся необходимая информация об управлении объектом, которым до создания системы управления плохо или не очень управляли люди, может быть получена из непосредственного наблюдения за их работой или из их словесных объяснений. Если считать, что поведение людей в процессе управления можно описать на некотором естественном языке, модель управления объектом может быть получена на основании специальной обработки текстов, в которых описан достаточно большой опыт управленцев (наверное, по этой причине для будущего управленца важно читать автобиографические повести известных знаменитых менеджеров!). Основная задача, решаемая при построении алгоритма управления модели управления формулируется так: Пусть l – число управляющих воздействий СУ, будем считать, что – это множество управляющих воздействий. Задача управления будет решена, если множество ситуаций может быть разбито на l классов, при котором любая ситуация будет отнесена к какому-то определенному классу K_i, которому однозначно соответствует некоторое решение P_i. И это разбиение обладает свойством полезности с точки зрения цели управления. Однако в некоторой конкретной ситуации S(t) может оказаться, что нельзя указать единственное решение P_i, наиболее полезное в данной ситуации. Таких решений может быть несколько, и разные специалисты по управлению данных ОУ будут предлагать разные из этих решений. Это соображение (на практике почти всегда имеющее место!) приводит нас к постановке задачи не разбиения на классы, а к постановке задачи о нахождении покрытия множества ситуаций совокупностью классов K_i. В этом случае допускается такое положение, при котором некоторым ситуациям S(t) будут соответствовать несколько управленческих решений P_i из разных классов-покрытий K_i. Требуется только, чтобы любая конкретная ситуация S(t) принадлежала хотя бы одному классу K_i. Суть ситуационного управления состоит в построении метода, позволяющего на основании описания ситуации S(t) на естественном языке строить систему обобщенных описаний классов K_i.

17. Управляемые системы: технические, эргатические, организационные. Примеры управляемых систем различной природы, сходства и отличия.

1) 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!

Принципы управления: Структурная диаграмма демонстрирует управление по принципу обратной связи, при котором выбор управляющего воздействия осуществляется исходя из информации о текущем состоянии ОУ относительно цели. В этом случае процесс управления может быть описан как процесс, состоящий из шагов: 1)Получение информации о состоянии ОУ; 2)Анализ состояния ОУ относительно цели; 3)Выбор управляющего воздействия из списка допустимых управляющих воздействий; 4)Применение управляющего воздействия к объекту управления. И в целом процессе управления можно мыслить как циклический процесс, состоящий из реализации этих шагов. Совокупность этих шагов будем называть командным циклом, а его длительность будем называть быстродействием системы управления. Быстродействие системы управления является важнейшей характеристикой системы управления. 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.

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». Но 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). Следует отметить, что только при управлении по принципу обратной связи, реализуется замкнутый контур управления. В программном управлении и управлении при наличии модели ОУ замкнутого контура нет и необходимы периодические коррекции состояния ОУ по принципу обратной связи.

18. Свойства управляемых систем. Примеры управляемых систем

Свойство 1. Наличие цели управления.

Управление есть навязывание системе занять желаемое состояние, управление процессом есть придание ему желаемых свойств. Следовательно, управление предполагает целенаправленное воздействие. Без цели нет и управления!

Под формулировкой цели управления будем мыслить решение задачи целеполагания или целеуказания, если предполагаемых целей может быть много. В ряде случаях это сделать просто, в других – достаточно сложно.

Свойство 2. Наличие возможности описать состояние системы, в нашем случае – объекта управления (ОУ).

Под состоянием ОУ будем понимать конечную совокупность параметров, однозначно его определяющих. Если этих параметров n -штук, то можно говорить о множестве состояний объекта управления как подмножестве арифметического пространства Rⁿ. В этом случае состояние ОУ изображается точкой Rⁿ –точкой фазового пространства - пространства состояний системы. Чем меньше размерность фазового пространства, тем, как правило, легче организовать управление системой.

Примером трудностей, возникающих при сложностях описания состояния ОУ, являются квантово-механические системы, где работает принцип неопределенности Гейзенберга: либо мы знаем положение частицы, но не знаем ее импульса, либо наоборот!

Свойство 3. Наличие у ОУ возможности изменять свое состояние.

Если у объекта или процесса такой возможности нет, то говорить об управлении бессмысленно.

Свойство 4. Наличие некоторой совокупности воздействий на ОУ, реализация которых приводит к изменению состояния системы.

Если мы хотим управлять кем-то или чем-то, то необходимо эту совокупность выявить. Эту совокупность далее будем называть множеством управляющих воздействий. Выявление такой совокупности есть один из этапов решения задачи анализа управляемой системы. Если мы проектируем управляемую систему, т.е. решаем задачу синтеза управляемой системы, то мы должны эту совокупность действий предусмотреть или сконструировать.

Свойство 5. Наличие наблюдаемости, то есть регистрации (измерения) состояния ОУ (в той или иной мере: частичная, периодическая).

Здесь предполагается возможность получения информации о текущем состоянии ОУ. Эта информация может носить качественный или количественный характер.

По аналогии с физическим демоном Максвелла, можно говорить и о демоне управления – задвижке, которая реализует пропуск более «быстрых» молекул в одну из камер.

Если бы это удалось, то мы бы получили дешевый и достаточно продолжительный источник энергии. Действительно, демон управления сортировал бы молекулы по их скорости, создавая перепад давления между камерами. Это позволило бы крутить генератор! На самом деле здесь возникают проблемы, связанные с наблюдаемостью. Эта система квантово-механическая.

Свойство 6. Наличие возможности (или алгоритма) выбора управляющего воздействия.

Если есть множество управляющих воздействий, но нет способа их выбора, то, естественно, нет и управления.

Свойство 7. Наличие в управляемой системе ресурсов управления, обеспечивающих реализацию управленческих воздействий.

Под ресурсами управления в той или иной ситуации понимается, например: мускульная сила, нервы, выдержка, достижения цели, административный ресурс и т.д.

Свойство 8. Наличие возможности оценки степени достижения цели управления.

Для оценки степени достижения цели могут быть введены критерии эффективности управления, которые являются условиями на параметры – показатели управления. Критерий – это греческое слово, означающее мерило (измерение) чего-либо.

Может рассматриваться обобщенный критерий управления (качество управления) – степень достижения цели управляемой системы. Могут рассматриваться частные критерии, описывающие эффективность использования ресурсов, если мы достигли одного и того же состояния ОУ. Например:

Может рассматриваться критерий по времени достижения желаемого состояния, с этим критерием связывают такое понятие как «быстродействие системы управления», критерий по устойчивости управляющего воздействия – небольшая вариация управляющего воздействия должна приводить к незначительному изменению конечного состояния ОУ после реализации управляющего воздействия.

Анализ большого количества управляемых систем и процессов позволяет выявить в технических, человеко-машинных и организационных системах ряд общих свойств. В некоторых учебниках по теории управления эти свойства называют аксиомами управления. Свойство 1. Наличие цели управления. Управление есть навязывание системе занять желаемое состояние, управление процессом есть придание ему желаемых свойств. Следовательно, управление предполагает целенаправленное воздействие. Без цели нет и управления! Под формулировкой цели управления будем мыслить решение задачи целеполагания или целеуказания, если предполагаемых целей может быть много. В ряде случаях это сделать просто, в других – достаточно сложно. Свойство 2. Наличие возможности описать состояние системы, в нашем случае – объекта управления (ОУ). Под состоянием ОУ будем понимать конечную совокупность параметров, однозначно его определяющих. Если этих параметров n -штук, то можно говорить о множестве состояний объекта управления как подмножестве арифметического пространства Rⁿ. В этом случае состояние ОУ изображается точкой Rⁿ –точкой фазового пространства - пространства состояний системы. Чем меньше размерность фазового пространства, тем, как правило, легче организовать управление системой. Примером трудностей, возникающих при сложностях описания состояния ОУ, являются квантово-механические системы, где работает принцип неопределенности Гейзенберга: либо мы знаем положение частицы, но не знаем ее импульса, либо наоборот! Свойство 3. Наличие у ОУ возможности изменять свое состояние. Если у объекта или процесса такой возможности нет, то говорить об управлении бессмысленно. Свойство 4. Наличие некоторой совокупности воздействий на ОУ, реализация которых приводит к изменению состояния системы. Если мы хотим управлять кем-то или чем-то, то необходимо эту совокупность выявить. Эту совокупность далее будем называть множеством управляющих воздействий. Выявление такой совокупности есть один из этапов решения задачи анализа управляемой системы. Если мы проектируем управляемую систему, т.е. решаем задачу синтеза управляемой системы, то мы должны эту совокупность действий предусмотреть или сконструировать. Свойство 5. Наличие наблюдаемости, то есть регистрации (измерения) состояния ОУ. Здесь предполагается возможность получения информации о текущем состоянии ОУ. Эта информация может носить качественный или количественный характер. По аналогии с физическим демоном Максвелла, можно говорить и о демоне управления – задвижке, которая реализует пропуск более «быстрых» молекул в одну из камер.

Если бы это удалось, то мы бы получили дешевый и достаточно продолжительный источник энергии. Действительно, демон управления сортировал бы молекулы по их скорости, создавая перепад давления между камерами. Это позволило бы крутить генератор! На самом деле здесь возникают проблемы, связанные с наблюдаемостью. Эта система квантово-механическая. Свойство 6. Наличие возможности (или алгоритма) выбора управляющего воздействия. Если есть множество управляющих воздействий, но нет способа их выбора, то, естественно, нет и управления. Свойство 7. Наличие в управляемой системе ресурсов управления, обеспечивающих реализацию управленческих воздействий. Под ресурсами управления в той или иной ситуации понимается, например: мускульная сила, нервы, выдержка, достижения цели, административный ресурс и т.д. Свойство 8. Наличие возможности оценки степени достижения цели управления. Для оценки степени достижения цели могут быть введены критерии эффективности управления, которые являются условиями на параметры – показатели управления. Критерий – это греческое слово, означающее мерило (измерение) чего-либо.Может рассматриваться обобщенный критерий управления (качество управления) – степень достижения цели управляемой системы. Могут рассматриваться частные критерии, описывающие эффективность использования ресурсов, если мы достигли одного и того же состояния ОУ. Например:

, .

Может рассматриваться критерий по времени достижения желаемого состояния, с этим критерием связывают такое понятие как «быстродействие системы управления», критерий по устойчивости управляющего воздействия – небольшая вариация управляющего воздействия должна приводить к незначительному изменению конечного состояния ОУ после реализации управляющего воздействия. Если говорить об управлении в экономике или военном деле, то можно говорить о критерии оперативности – требовании того, как быстро можно реализовать управляющее воздействие. Если только в военном деле, то большую роль играет, например, критерий скрытности управления – как незаметно для противника можно накопить (перебросить) ресурсы для достижения цели. Еще один критерий управления относится не только к системам военного назначения – критерий живучести – способность сохранить свойства управляемой системы и системы управления – например, после нанесения боевого удара со стороны неприятеля. Как Критерий надежности – как долго элементы системы не выходят из строя. Современная действительность требует пересмотра основ управления, а, следовательно, и свойств управляемых систем. Например, в связи с террористической деятельностью рассматривается возможность создания системы управления полетами самолетов из космоса. Эта система будет в экстренных случаях отбирать возможность управления у пилота и управлять полетом вплоть до принудительного приземления самолета. Исторически управление самолетом идет от управления морским судном – все управление замыкается на капитана. Это известный принцип управления в организационных системах – единоначалие. Есть такая точка зрения среди управленцев, что ни один из современных капитанов от этого принципа не откажется. А следовательно на борту самолета экипажа быть не должно!

19. Структура и элементы управляемой системы: объект управления, субъект (система, устройство) управления.

Управляемая система - система целенаправленная и создаваема для достижения какой-нибудь цели. Анализ систем, могущих претендовать на звание управляемых и приведенных в качестве примеров подобных систем, демонстрирует некую общность, присущую этим системам. Действительно, во всех нижеследующих примерах можно увидеть сходную общую структуру управляемой системы. 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. Однако, при увеличении скорости ветра, скорости автомобиля и уменьшения коэффициента сцепления шин с дорогой, боковой ветер, безусловно, заслуживает пристального внимания со стороны водителя – Субъекта управления, при выборе управляющего воздействия. В частности, это должно проявляться в большой плавности перекладывания рулевого колеса, плавности торможения и работы с дроссельной заслонкой на скользкой дороге. Таким образом, способ реализации и само УВ оказывается зависящим от воздействия ОС на ОУ. Ну а сам выбор УВ, естественно, должен определяться текущим состоянием ОУ относительно цели. Имея в виду, что ОУ «перерабатывает» объекты реального мира, структурную диаграмму, изображающую управляемую систему, можно представить в виде: