Целесообразные системы. Управление системой.

Система не может быть полно­стью описана без введения дополнительных понятий, что следует из определения системы, используемого в систем­ном анализе: «Системой называют совокупность объектов, объеди­ненных некоторым регулярным взаимодействием или некоторой взаимной зависимостью и действующих совместно с целью выпол­нения заранее поставленной задачи».

Иногда системы, действующие с целью выполнения заранее поставленной задачи, считают частным случаем систем вообще и называют целесообразными системами. Например, сталеплавильный цех с точки зрения разливщика стали можно рассматривать как систему, производящую стальные слитки; с точки зрения работника шлакового отвала - как поставляющую шлак, а с точки зрения сотрудника санитарной инспекции - как за­грязняющую атмосферу дымом.

Выполнять свою задачу система может только в случае, когда осуществляется управление этой системой. В процессе функционирования система осуществляет движение, т. е. переходит из одного состояния в дру­гое. Обычно существует множество возможных движений и для того, чтобы система выполняла свое назначение, нужно в некоторые моменты времени выбирать одно из них. Вмешатель­ство в процесс функционирования системы для внесения изменения называют актом управления или управляющим воздействием, а все правила и принципы, на основе которых совер­шается акт управления- стратегиями.

Процесс управления является информационным процессом. Под информацией понимают наличие сведений о состоянии системы и внешней среды.

Рассмотрим в общем виде технологию управления, как информационный процесс. Различают следующие этапы этого процесса:

· Первый этап - сбор и подготовка информации о состоянии объекта. Если речь идет об управле­нии мартеновским цехом, то прежде, чем принимать какие-либо решения, нужно выяснить ситуацию в цехе- фактические периоды плавок на печах, загруженность обслуживающих механизмов, заданный график работы цеха, ресурсы шихты, кислорода и др.

· Второй этап - переработка полученной информации с целью нахождения нужных решений. Здесь должна быть известна цель управления - критерий оптимальности управления. При управле­нии цехом с помощью системы оперативного управления такой целью может являться, например, обеспечение минимума суммы квадратов отклонений фактического хода плавок на печах от за­данного графика. Для выбора нужного продолжения процесса с помощью компьютера просчитывают несколько вариантов дальнейшего хода процесса в цехе, и из них выбирают тот, который обеспечивает минимум указанной суммы. При управлении производством могут быть и такие критерии качества управления, как максимизация производительности, минимизация производственных потерь и др. Совокупность логических и математических действий, которые нужно произвести при принятии решения о дальнейшем ходе производственного процесса по пути, наиболее полно удовлетво­ряющему цели управления, называют алгоритмом управления.

· Третий этап управления как информационного процесса - выдача исполнителям командной информации на основе полученных решений. Если оператор, управляющий цехом, согласился с рекомендацией компьютера о дальней­шем продолжении производственного процесса, то он обеспечивает передачу в посты управления печами и отдельными технологиче­скими участками соответствующей командной информации (на­пример, на некоторую печь сообщается о переходе на новый тепло­вой и кислородный режим; какому-то крану дается команда о необходимости обеспечить разливку металла, выпущенного с опре­деленной печи и т. д.).

Таким образом, управление - это выдача командной информа­ции на основе принятых решений, полученных путем переработки поступившей информации.

Информационный процесс управления нужно осуществлять с помощью какого-либо материального устройства. Такое устройство и называется упра­вляющей системой. Основные элементы упра­вляющей системы:

1. контролируемый параметр или состояние;

2. чувствительный элемент (датчик) или метод измерения дан­ного параметра;

3. блок управления или устройство, сравнивающее полу­ченные результаты измерений с эталоном и управляющее механизмом коррекции;

4. блок воздействия или механизм, способный осуществлять изменения в управляемой системе.

Блок управления может не являться частью системы, которой он управляет, а может и принадлежать ей. В первом случае систему управления называют разомкнутой, во втором замкнутой.

Примером разомкнутой системы может служить обычная на­стольная лампа. Управляющее воздействие, а именно, включение, и выключение лампы осуществляется человеком. Другим примером такой системы служит светофорная система, в которой выдача сигналов на запрет или разрешение движения автотранспорту осуществляется с помощью часового механизма через определенные промежутки времени, т. е. является заранее запрограммированной.

Примеры показывают, что в разомкнутой системе акты управления формируются без учета значений параметров основной системы. В общем случае речь может идти как о всех параметрах системы, так и о некоторой части параме­тров (так называемых, управляемых параметрах). Рассмотренную выше светофорную систему можно было бы усовершенствовать, добавив использующий фотоэлементы блок, учитывающий скопление транспорта на перекрестках. Тогда бы все четыре элемента управляющей системы принадлежали одной системе «уличное движение», т.е. управляющая система стала бы замкнутой.

Более наглядным примером замкнутой системы явля­ется устройство Уатта для управления скоростью вращения вала паровой машины. Это устройство, несомненно, составляет единое делое с той системой, которой оно управляет. В первом примере управляемым параметром является поток транспорта, а во вто­ром - скорость вращения вала.

Как в первом, так и во втором примере процесс управления осуществляется с учетом получаемой через обратную связь инфор­мации об управляемых параметрах- эта особенность характерна для всех замкнутых систем. Информация о значении параметров системы может быть известна и без обратной связи. Например, пусть речь идет об управлении двухступенчатой ракетой. Если задан закон, по которому расходуется топливо ракеты, то легко заранее определить, когда кончится запас топлива в первой ступени ракеты и когда необходимо включить вторую ступень. Соответствующую команду можно с помощью часового механизма подать в заранее известный момент времени, но тогда система управления будет разомкнутой.

Обязательным элементом замкнутой системы управления является обратная связь. При регулировании величины какого-либо параметра осуществляется измерение фактического значения этого параметра и устанавливается его отклонение от заданного уровня. Это отклонение иногда называют рассогласованием. В том случае, когда управляющий механизм усиливает обнаружен­ное рассогласование- имеет место положительная обратная связь, а когда уменьшает- отрицательная. Отрица­тельная обратная связь используется, например, в регуляторе Уатта, а положительная- в некоторых тормозных системах.

Использованию обратной связи для управления в кибернетике уделяется большое внимание- регулятор с обратной связью является достаточно универсальным. При использовании такого регулятора нет необходимости знать причину возникновения возмущения определенного вида, чтобы в зависимости от нее искать рецепт регулирования.

Пример. Пусть речь идет о регулировании темпера­туры жидкости, находящейся в каком-либо сосуде. Обратная связь позволяет компенсировать колебания температуры жидкости вне зависимости от того, каким источником или потребителем тепла они вызваны. В кибернетике имеют дело с системами, часто неподдающимися детальному описанию. Управлять такими системами можно, только используя принцип обратной связи.

При рассмотрении обратной связи мы встретились с одним из методов управления, называемым регулированием. В природе и, в частности, в биологических системах существуют естественные механизмы управления, представляющие собой гомеостаты. Гомеостатом называют устройство, предназначенное для поддержания значений любой переменной в заданных пределах. Примерами гомеостазиса (приспособительных реакций) могут служить гомеостазис, управляющий численностью животных и насекомых в природе, гомеостазис температуры крови живых существ и др. В гомеостате управляемая переменная поддерживается на требуе­мом уровне механизмом саморегулирования, обеспечивающим целенаправленное приспособление системы к возмущениям.