Кибернетический подход к описанию информационных систем

Учебные вопросы:

Управление как процесс.

Система управления.

Этапы управления сложной системой.

Представление систем в виде «черного ящика».

Управление как процесс

Кибернетический подход к описанию систем состоит в том, что всякое целенаправленное поведение рассматривается как управление. Управление – в широком, кибернетическом смысле – это обобщение приемов и методов, накопленных разными науками об управлении искусственными объектами и живыми организмами. Язык управления – это использование понятий «объект», «среда», «обратная связь», «алгоритм» и т.д.

Среда

объект

субъект

Рис. 4.1. Кибернетический подход к процессу управления

Под управлением будем понимать процесс организации такого целенаправленного воздействия на некоторую часть среды, называемую объектом управления, в результате которого удовлетворяются потребности субъекта, взаимодействующего с этим объектом.

Анализ управления заставляет выделить тройку – среду, объект и субъект, внутри которой разыгрывается процесс управления (рис. 4.1). В данном случае субъект ощущает на себе воздействие среды Х и объекта У. Если состояние среды Х он изменить не может, то состоянием объекта У он может управлять с помощью специально организованного воздействия U. Это и есть управление.

Состояние объекта Y влияет на состояние потребностей субъекта. Потребности субъекта где - состояние i-й потребности субъекта, которая выражается неотрицательным числом, характеризующим насущность, актуальность этой потребности. Свое поведение субъект строит так, чтобы минимизировать насущность своих потребностей, т. е. решает задачу многокритериальной оптимизации:

(4.1)

где R – ресурсы субъекта. Эта зависимость выражает неизвестную, но существующую связь потребностей с состоянием среды Х и поведением U субъекта.

Пусть - решение задачи (4.1), т. е. оптимальное поведение субъекта, минимизирующее его потребности А. Способ решения задачи (4.1), позволяющий определить , называется алгоритмом управления

(4.2)

где j - алгоритм, позволяющий синтезировать управление по состоянию среды Х и потребностей А_t. Потребности субъекта изменяются не только под влиянием среды или объекта, но и самостоятельно, отражая жизнедеятельность субъекта, что отмечается индексом t.

Алгоритм управления j, которым располагает субъект, и определяет эффективность его функционирования в данной среде. Алгоритм имеет рекуррентный характер:

т. е. позволяет на каждом шаге улучшать управление. Например, в смысле

т. е. уменьшения уровня своих потребностей.

Процесс управления как организация целенаправленного воздействия на объект может реализовываться как на интуитивном, так и на осознанном уровне. Первый используют животные, второй – человек. Осознанное удовлетворение потребностей заставляет декомпозировать алгоритм управления и вводить промежуточную стадию – формулировку цели управления, т. е. действовать по двухэтапной схеме:

На первом этапе определяется цель управления , причем задача решается на интуитивном уровне:

где j₁ – алгоритм синтеза цели Z* по потребностям А_t и состоянию среды X. На втором этапе определяется управление , реализация которого обеспечивает достижение цели Z*, сформированной на первой стадии, что и приводит к удовлетворению потребностей субъекта. Именно на этой стадии может быть использована вся мощь формального аппарата, с помощью которого по цели Z* синтезируется управление

где j₂ – алгоритм управления. Этот алгоритм и есть предмет изучения кибернетики как науки.

Таким образом, разделение процесса управления на два этапа отражает известные стороны науки – неформальный, интуитивный, экспертный и формальный, алгоритмизуемый алгоритм. Если первая пока полностью принадлежит человеку, то вторая является объектом приложения формальных подходов.

Естественно, что эти различные функции выполняются разными структурными элементами. Первую функцию f₁, выполняет субъект, а вторую f₂ - управляющее устройство (УУ). На рис. 4.2 показано взаимодействие этих элементов. Штриховой линией выделена система управления (СУ), выполняющая функцию реализации целей управления U*, формируемых субъектом.

Объект

YY(f₂)

Субъект

f₂

Среда

Объект

D_x

ИМ

X’

D_y

Y’

f₂

Ряс. 4.2. Взаимодействие Рис. 4.3. Структурная схема

элементов системы управления. системы управления.

Система управления

Система управления сложный объект управления. Структурная схема СУ приведена на рис. 4.3. Здесь D_x и D_y – датчики, измеряющие состояние среды и объекта соответственно. Результаты измерений Х'=D_x(Х) и У'=D_y(У) образуют исходную информацию J = {X', У'} для УУ, которое на этой основе вырабатывает команду управления U, являющуюся лишь информацией о том, в какое положение должны быть приведены управляемые входы объекта. Следовательно, управление U есть результат работы алгоритма

Как видно, управление в широком смысле образуется четверкой

{ .}

В качестве примера рассмотрим основные понятия управления в технических и организационных системах.

Управление – целенаправленная организация того или иного процесса, протекающего в системе. В общем случае процесс управления состоит из следующих четырех элементов:

n получение информации о задачах управления (Z*),

n получение информации о результатах управления (т. е. о поведении объекта управления У’);

n анализ полученной информации и выработка решения (J = {х'. У'}),

n исполнение решения U т. е. осуществление управляющих воздействий U').

Процесс управления – это информационный процесс (рис. 4.4), заключающийся в сборе информации о ходе процесса, передаче ее в пункты накопления и переработки, анализе поступающей, накопленной и справочной информации, принятии решения на основе выполненного анализа, выработке соответствующего управляющего воздействия и доведении его до объекта управления. Каждая фаза процесса управления протекает во взаимодействии с окружающей средой при воздействии различного рода помех. Цели, принципы и границы управления зависят от сущности решаемой задачи.

Система управления – совокупность взаимодействующих между собой объекта управления и органа управления, деятельность которых направлена заданной цели управления (рис. 4.5).

Рис. 4.4. Процесс управления как информационные процесс

Входной материальный поток

Выходной материальный поток

Информационная связь с АСУ более высокого уровня

Информация об объекте

Объект управления

Управляющее воздействие

Орган управления

Окружающая среда

Цель управления

Окружающая среда

Информационные отображающие ситуации

Технические средства

Принятие решения

Технические средства

Реализация

Технические средства

Объект управления

Канал связи

Помехи

Рис. 4.5. Системы управления как совокупность объектов

В СУ решаются четыре основные задачи управления: стабилизация, выполнение программы, слежение, оптимизация.

Задачами стабилизации системы являются задачи поддержания ее выходных величин вблизи некоторых неизменных заданных значений, несмотря на действие помех. Например, стабилизация напряжения U и частоты f тока в сети вне зависимости от изменения потребления энергии.

Задача выполнения программы возникает в случаях, когда заданные значения управляемых величин изменяются во времени заранее известным образом.

В системах оптимального управления требуется наилучшим образом выполнить поставленную перед системой задачу при заданных реальных условиях и ограничениях. Понятие оптимальности должно быть конкретизировано для каждого отдельного случая.

Прежде чем принимать решение о создании СУ, необходимо рассмотреть все его этапы, независимо от того, с помощью каких технических средств они будут реализованы. Такой алгоритмический анализ управления является основой для принятия решения о создании СУ и степени ее автоматизации. При этом анализе следует обязательно учитывать фактор сложности объекта управления:

- отсутствие математического описания системы;

- стохастичность поведения;

- негативность к управлению;

- не стационарность, дрейф характеристик;

- невоспроизводимость экспериментов (развивающаяся система все время как бы перестает быть сама собой, что предъявляет специальные требования к синтезу и коррекции модели объекта управления).

Особенности сложной системы часто приводят к тому, что цель управления таким объектом в полной мере никогда не достигается, как бы совершенно ни было управление.

Системы управления делятся на два больших класса: системы автоматического управления (САУ) и автоматизированные системы управления (АСУ). В САУ управление объектом или системой осуществляется без непосредственного участия человека автоматическими устройствами. Это замкнутые системы. Основные функции САУ: автоматический контроль и измерения, автоматическая сигнализация, автоматическая защита, автоматические пуск и остановка различных двигателей и приводов, автоматическое поддержание заданных режимов работы оборудования, автоматическое регулирование. В отличие от САУ в АСУ в контур управления включен человек, на которого возлагаются функции принятия наиболее важных решений и ответственности за принятые решения. Под АСУ обычно понимают человеко-машинные системы, использующие современные экономико-математические методы, средства электронно-вычислительной техники (ЭВТ) и связи, а также новые организационные принципы для отыскания и реализации на практике наиболее эффективного управления объектом (системой).

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 789 10 11 12 Следующая ⇒