Уровни исследования систем управления

В настоящее время имеется целый ряд работ, в которых рассматриваются различные подходы к наименованию и содержанию уровней исследования систем управления.

Так, М. Мессарович предлагает проводить исследование, начиная с верхнего уровня и далее в соответствии с убыванием порядковых номеров, т.е. n-й, (п - 1)-й, ..., и т.д. [2.7]. В справочнике "Эффективность технических систем" вводят концептуальные, операциональные, детальные уровни и др.[2.10]

Однако данные наименования не в полной мере учитывают специфику исследования целенаправленных (управляющих) систем, поэтому остановимся на классификации уровней, предложенной Е.Н. Хохлачевым [2.17], которая учитывает основные принципы анализа и синтеза сложных систем управления.

Выделим следующие уровни анализа и синтеза систем управления: 1-й -внешний; 2-й -- исходный; 3-й — общесистемный; 4-й, 5-й, ..., п-й системные уровни.

Общее число уровней может быть различным в зависимости от принятой степени детализации объекта исследования.

Дадим краткую характеристику каждому уровню исследования.

На внешнем уровне анализируется сверхсистема (надсистема), в состав которой входит исследуемая система управления. Основные задачи исследования сверхсистемы:

o определение целей и задач сверхсистемы;

o выделение (в сверхсистеме) подсистем (функций, задач), в интересах которых применяется система управления;

o уточнение показателей и критериев данных подсистем; а определение внешних свойств и соответствующих показателей системы управления, которые могут повлиять на эффективность сверхсистемы.

На исходном уровне исследуемая система управления выделяется как отдельный целенаправленный элемент сверхсистемы, которая включает различные, в общем случае, противоположные по интересам подсистемы. Основные задачи исследования на исходном уровне: п выделение исследуемой системы в виде отдельного целенаправленного элемента (ЦНЭ);

o выявление входных целезадающих, обеспечивающих и помеховых (разрушающих) воздействий, поступающих от различных подсистем сверхсистемы на ЦНЭ;

o установление показателей и критериев эффективности ЦНЭ, которые характеризуют внешние свойства системы управления и ее влияние на сверхсистему.

ЦНЭ рассматривается без учета внутренней структуры, в виде модели элемента "вход — состояние — выход".

Сверхсистема в любой произвольный момент времени t может формировать вектор входных воздействий x(t) = (c(t), r(t), v(t)},где c(t) — целе-задающие; r(t) — обеспечивающие; v(t)— помеховые (разрушающие) частные воздействия, поступающие от различных подсистем.

Целезадающие воздействия c(t) включают информацию, необходимую для уяснения ЦНЭ поставленной перед ним общей цели. При этом в отдельных случаях ЦНЭ может самостоятельно корректировать, уточнять и формировать цели управления. Целезадающие воздействия формируются теми подсистемами, в интересах которых функционирует ЦНЭ.

Обеспечивающие воздействия r(t) также формируются подсистемами, заинтересованными в достижении поставленной цели, и включают дополнительные материальные, энергетические, людские, денежные и другие ресурсы, необходимые для успешного функционирования ЦНЭ. Обеспечение воздействия могут отсутствовать, если ЦНЭ имеет достаточное количество своих внутренних ресурсов.

Помеховые (разрушающие) v(t) воздействия формируются в основном теми подсистемами сверхсистемы, которые препятствуют достижению поставленной перед ЦНЭ, или могут формироваться хаотически «тральными подсистемами.

Под влиянием перечисленных воздействий ЦНЭ совершает движение Z(t) к намеченной цели и формирует вектор ответных реакций

y(t) = {c'(t), r'(t), v'(t)}.

Целекорректирующие реакции c'(t) воспринимаются сверхсистемой для коррекции ранее намеченной цели и формируются ЦНЭ в зависимости от достигнутых промежуточных результатов.

Целеобеспечивающие реакции r'(t) формируются для улучшения свойств или повышения качества и эффективности подсистем, в интересах которых функционирует ЦНЭ.

Нейтрализующие реакции v'(t) обеспечивают подавление помеховых (разрушающих) воздействий и могут совпадать с целеобеспечивающими реакциями.

На исходном уровне формируются показатели и критерии эффективности ЦНЭ и исследуются его внешние свойства, обеспечивающие наилучшее достижение поставленной цели.

На общесистемном уровне производится детализация ЦНЭ на управляющую систему (УС) и объект управления (ОУ).

Основные задачи исследования на общесистемном уровне:

§ декомпозиция ЦНЭ на управляющую систему и объект управления;

§ формирование управляющих воздействий;

§ определение маршрутов движения к цели;

§ определение показателей, раскрывающих структуру системы и эффективность управляющих воздействий.

УС и ОУ рассматриваются как отдельные элементы, описываемые моделями "вход — состояние — выход". При этом УС исследуется как элемент, формирующий управляющие воздействия u(t) в момент t на основании заданного начального движения ₀, t_o помеховых воздействий v_t, состояний z_t на соответствующих интервалах и характеристик цели и имеет вид:

u(t) = (t, t₀, ₀, z_t, v_t, z_t, с).

Объект управления (ОУ) как элемент, совершающий движение к намеченной цели

z(t) = (t, t₀, ₀, u_t, v_t),

вырабатывает ответные выходные реакции

y(t) = (t, t₀, ₀, z_t , v_t ).

На основании полученных соотношений уточняются показатели и критерии выделенных элементов системы управления.

В качестве показателей эффективности могут использоваться показатели

q_k = q_k[z(t_k)],

зависящие только от конечного состояния объекта управления z(t_k) и хаэактеризуюшие результат управления в конечный момент времени t_k, и интегральные показатели

зависящие от значений текущего показателя эффективности q_t и соответственно всех состояний объекта управления на интервале [t₀, t_k],и характеризующие суммарный результат управления на данном интервале.

На системных уровнях осуществляется дальнейшая декомпозиция УС и ОУ путем выделения отдельных элементов и связей между ними. При этом для сложных иерархических систем управления возможно выделение частных пар "УС—ОУ" и соответствующих частных целей и задач управления с повторением для них исследований общесистемного уровня. Для системных уровней характерны углубленное исследование частных свойств системы управления и возрастающее число анализируемых показателей.