4.3. Принципы информационного управления

«Познание законов составляет задачу науки». Познание законов обеспечивает возможности для непрерывного прогресса в сферах управления различных отраслей материального производства.

В реализации законов управления используются всё новые принципы. Одним из важнейших стал принцип информационного управления. По своей сути, как уже отмечалось, принципом называют некоторое положение, которым руководствуется субъект управления, для реализации процессов управления.

Сущность методов оптимизации и реализацию принципов в теории информационного управления покажем на простейшем разъяснениях, выбранных из учебника «Методы оптимизации в теории управления» (автор И.Г. Черноруцкий, изд. «Питер» 2004г.)

Основные формализации информационного управления состоят, согласно названному источнику, в следующем.

Под управлением будем понимать процесс такого воздействия на некоторую систему или объект (объект управления), при котором состояние системы или объекта изменяется в нужную сторону. Объектами управления, очевидно, могут быть: техническое устройство (например, автомобиль), экономическая ситуация на предприятии или фирме, экосистема региона, процесс разработки программного проекта, сам программный проект и его характеристики и т. п.

Предполагается, что мы можем не только оказывать воздействие на объект, но и оценивать результаты этого воздействия по некоторым заданным критериям. Например, критериями качества процесса разработки программного проекта могут служить время завершения проекта и его бюджет (стоимость разработки).

Влиять на эти характеристики (управлять ими) мы можем, например, с помощью перераспределения ресурсов между отдельными работами, составляющими данный программный проект.

Общая схема процесса управления приведена на рис. 4.3.1.

Рис. 4.3.1. Система управления

Объект управления рассматривается как сколь угодно сложная система, преобразующая входные управляющие воздействия U(t) в выходные сигналы (траектории) V(t), характеризующие состояние объекта управления в момент времени t. Очевидно, что реальный объект управления может иметь множество входов и выходов, определяющих его функциональное взаимодействие с внешней средой.

64

Объект управления и воздействующее на него устройство управления образуют систему управления.

Предполагается, что на объект управления действуют также возмущения ξ(t), изменяющие, как правило, в непредсказуемом направлении основные характеристики объекта управления.

Мы здесь для определенности будем предполагать, что все функции времени, изображенные на рис. 3.3.1. являются вектор-функциями с вещественными компонентами и заданными размерностями.

Сигнал управления вырабатывается в соответствии с некоторой заданной целью управления, определяемой теми задачами, которые поставлены перед системой управления.

Довольно часто в системах управления для выработки управляющих воздействий оказывается необходимой информация о действительном состоянии объекта управления. Эта информация поступает по цепи обратной связи, показанной на рис. 3.3.1 пунктирной стрелкой.

В качестве примера объекта управления может выступать некоторый завод, перерабатывающий сырье в готовую продукцию. Здесь под управлением может пониматься вся система мероприятий и нововведений, направленная на достижение определенной цели или целей, связанных, например, с качеством и количеством выпускаемой продукции, а также, возможно, с определенными требованиями к срокам выпуска этой продукции.

Как справедливо указывается рядом авторов, описание некоторого объекта как объекта управления и выявление каналов воздействия на него может производиться только исходя из заданной цели управления.

Так, например, тот же завод, с точки зрения служб санэпидемнадзора, или иных экологических служб, является объектом управления, перерабатывающим сырье в промышленные отходы, загрязняющие окружающую среду.

В этом случае управление со стороны этих служб будет направлено на снижение влияния вредных техногенных факторов, а вовсе не на интенсификацию производства, как в первом случае.

Основные задачи, решаемые большинством систем управления и отражающие главные цели управления, могут быть отнесены к одному из следующих типов:

стабилизация, выполнение программы, слежение, экстремальное управление, оптимизация.

Задача стабилизации заключается в поддержании некоторых выходных (управляемых) характеристик объекта управления на заданных уровнях несмотря на постоянно действующие возмущения ξ(t) :

Задачи стабилизации возникают и решаются: в живой природе (поддержание стабильной температуры тела у теплокровных животных), в технических системах (например, стабилизация напряжения и частоты в энергосистемах вне зависимости от нагрузки) и т. д.

Задача выполнения программы, или задача программного управления, возникает, когда необходимо обеспечить наперед заданные траектории V(t) Иначе говоря, необходимо «заставить» объект управления изменять свои управляемые характеристики во времени по заданному закону, по определенной программе *V(t). Например, процесс разработки некоторого технического изделия на заводе должен протекать в соответствии, с заранее разработанным, временным

65

графиком. Метаморфоза насекомых в живой природе также происходит в соответствии с некоторыми биологическими программами развития. Запускаемый космический аппарат обычно выводится на траекторию в соответствии с заранее заданной расчетной траекторией. Легко видеть, что задача стабилизации является частным случаем задачи программного управления.

В задачах слежения основная проблема сводится к формированию такой выходной траектории V(t) ) управляемого объекта, которая бы, как можно более точно, аппроксимировала бы другую, заранее не известную траекторию У* (i). Например: при управлении пушечной турелью оператор (наводчик орудия) при наводке на цель вращает легкие маховички (задавая траекторию *V(t) , а тяжелая пушечная турель отслеживает движение маховичков, изменяя, ориентацию ствола по углу и по азимуту (реализуя соответствующую траекторию *V(t) ).

Задачи экстремального управления, или, как иногда говорят, задачи настройки, возникают довольно часто. Они заключаются в достижении некоторой экстремальной цели, которая к тому же может эволюционировать во времени.

Предполагается, что на траекториях объекта управления задан некоторый функционал, отражающий эту цель (обычно его экстремум соответствует некоторому нормальному, благоприятному или наилучшему режиму работы) и зависящий как от управляемых, так и от неуправляемых параметров объекта.

Требуется, с помощью соответствующих управляющих воздействий добиваться того, чтобы значение целевого функционала в любой момент времени находилось в достаточно малой окрестности экстремума (максимума или минимума) — в зависимости от смысловой интерпретации. Например, при настройке радиоприемника на какую-либо радиостанцию добиваются достижения максимальной громкости.

Автоматические системы экстремального управления часто называются системами автоматической оптимизации, или самонастраивающимися системами.

Задачи экстремального управления являются, в определенном смысле, более сложными, чем ранее перечисленные. Действительно, если, например, в задаче стабилизации достаточно одного измерения стабилизируемой величины для определения направления ее корректировки, то в данном случае для синтеза управляющего воздействия необходимо, как минимум два поисковых измерения целевого функционала, как основного выхода объекта.

При настройке путем поиска — специальным образом организованных пробных движений — находится заранее не известное состояние объекта, соответствующее некоторому оптимальному режиму.

Важно отметить, что задачи экстремального управления являются не только более сложными, но и более общими.

При необходимости практически любую задачу управления можно сформулировать на языке экстремального управления.

Например, задачи стабилизации и программного управления могут быть сформулированы как задачи минимизации невязки (ошибки) между заданными и действительными выходными траекториями объекта. Другое дело — всегда ли оправданы такие формулировки?

Это отдельный вопрос, и ответ на него однозначный — не всегда.

.

Когда мы говорим о задачах оптимизации в теории управления, то подразумеваем задачи реализации некоторых оптимальных (по заданному критерию) выходных траекторий управляемой системы.

66

В частности, может ставиться задача перевода объекта управления из одной точки фазового пространства в другую, например, за минимальное время, при соблюдении заданных ограничений, в том числе фазовых.

Очевидно, такие задачи непосредственно не могут быть отнесены ни к одному из ранее рассмотренных типов задач (стабилизация, выполнение программы, слежение, настройка).

В качестве примера можно рассмотреть теперь уже ставший классическим пример задачи об оптимальном в смысле расхода горючего режиме набора высоты и скорости летательным аппаратом, например, самолетом.

На рис. 4.3.2 показано фазовое пространство самолета как объекта управления. Ось абсцисс является осью высот Н, а ось ординат осью скоростей v Состояние самолета изображается точкой фазового пространства — плоскости vOH

Рис. 4.3.2. Задача о наборе высоты