Основные принципы системного управления

Как уже отмечалось, управлению в сложных системах принадлежит исключительная роль. Поэтому оценка качества управления является одной из наиболее важных сторон общей оценки эффективности системы. Необходимо отметить, что черты саморегулирования, самоуправления и самоорганизации в той или другой степени присущи не только подавляющей части наблюдаемых в жизни сложных систем, но и многим их элементам. Качество упранзения зависит от многочисленных факторов, из которых выделяются четыре основные группы:

• — факторы, характеризующие качество (полноту и точность) исходной информации,
• — связанные с качеством критериев управления,
• — определяющие частоту управляющих воздействий,
• — связанные с качеством алгоритма управления (оператора).

Очевидно, что достаточная полнота и точность исходной информации являются необходимыми условиями высокого качества управления. Однако чрезмерное увеличение информационных объемов, как правило, создаст перегрузку средств их передачи и обработки, что приводит к дополнительным затратам ресурсов. Вместе с тем недостаток информации, ее неопределенность, вероятностный характер существенно снижают качественные показатели управления.

Параметры системы сч, аг, …, а" в (3.1), воздействием управляющей информации на которые изменяются режимы функционирования управляемых элементов, называются параметрами управления и обозначаются как а’д, а’д, …" а'#. Если речь идет об экстремальном управлении, то значения а), а]₂, … , а_л параметров управления а’д, а’д,…" а';* выбираются такими, чтобы критерий упраатсния Ф (а'д, а’д,…" а’х) имел экстремум Ф* при значениях а- = а)₍, = а'_з, …, a]_t = а]_к.

Редкие управляющие воздействия могут привести к снижению качества упраатсния, так как команды, выдаваемые через большой промежуток времени после получения порождающей их информации, могут уже не соответствовать состоянию системы (стареют). Если для снижения эффекта старения используют прогнозирование, то большая длительность цикла управления приводит к накоплению значительной ошибки экстраполяции. Вместе с тем чрезмерное увеличение частоты управляющих воздействий также может оказать отрицательное влияние на качество процесса управления. Очевидно, что при этом повышаются требования к количеству и качеству используемой в цикле управления информации, к быстродействию систем управления. В этих условиях, как правило, реализуются упрощенные алгоритмы управления, соответствующие более грубым методам обработки информации и принятия решений.

Качество оператора, диспетчера, менеджера связано, прежде всего, с его квалификацией, способностью принимать правильные решения в экстремальных условиях. Качество алгоритма управления определяется высокой точностью решения задач, скоростью переработки информации, обеспечением устойчивой работы при возможных технологических сбоях или ошибках, запаздывания исходной информации.

В сложноорганизованных системах существенное значение приобретают процессы управления, которые заключаются в анализе ситуации, выработке и принятии управленческого решения, организации его выполнения и итогового контроля, который замыкает цикл управления.

Управление:

• 1) совокупность действий субъекта и объекта по переработке информации, формированию решений, обеспечению функционирования системы и руководства системой в целом и ее отдельными подсистемами;
• 2) управление объектом (системой) это воздействие на него (рис. 3.12, а) или взаимодействие с ним (рис. 3.12, б, в) с целью достижения желаемых свойств его поведения.

Рас. 3.12. Виды управления:

а — прямое воздействие; б — взаимодействие; в — взаимодействие через прямую и обратную связи

Когда речь идет об организационном управлении системой, то предполагается, что оно должно быть:

• — гибким, что подразумевает рациональную смену форм управления в зависимости от обстановки;
• — всеситуационным, что означает возможность управления во всех ситуациях, включая чрезвычайные, когда связь с объектами управления на некоторое время может теряться;
• — непрерывным, когда управляющие воздействия осуществляются с целесообразной периодичностью;
• — оперативным — способным своевременно реагировать на изменение обстановки;
• — эффективным, что означает экономичность управленческих решений.

Системы, как объекты управления должны рассматриваться с учетом информационных потоков. Обратные связи, как положительные, так и отрицательные, — необходимые условия большинства форм управления системами. Эти связи представляют собой универсальные механизмы целенаправленного управления поведением практически любых систем в зависимости от рассогласования фактического и желаемого поведения.

Переработка информации приводит к сравнению и оценке действительного и желаемого состояния системы, в результате чего появляется новая информация, необходимая для выполнения управленческого акта (команды). Выполнение ее связано с преобразованием информации обратной связи в физическое (вещественно-энергетическое), финансовое или иное воздействие на объект управления. При этом возникает и развивается адаптационный механизм, определяющий системную инерцию — время, необходимое для перевода системы из одного состояния в другое при заданных параметрах управления.

В промышленной технолога и и технических разработках существует множество задач, в которых требуется оперативное предсказание текущей реализации процесса со случайными изменениями (флуктуациями) воздействующих факторов.

Пример. Рассмотрим два процесса А и В, каждый из которых подавляет другой, причём с некоторым запаздыванием. Это означает, что если интенсивность процесса А нарастает, то через некоторое время (время задержки, инерционность процесса) интенсивность процесса В уменьшается, и наоборот. Если флуктуаций нет, то совместный ход двух процессов можно рассчитать и, как бы эти расчеты ни были сложны, современные ЭВМ в состоянии их выполнить настолько быстро, чтобы успеть вмешаться и направить ход событий в желаемое русло. Картина принципиально меняется, если на детерминированные процессы накладываются случайные флуктуации, даже такие слабые, что при отсутствии взаимной связи между А и В с ними можно было бы не считаться. Пусть в какой-то момент времени интенсивность процесса А случайно увеличилась, а процесса В — уменьшилась. Интенсивность процесса А должна нарастать (из-за уменьшения интенсивности В), а процесса В — уменьшаться. Но в следующий момент времени может возникнуть новая флуктуация, которая изменит ход процессов. При этом какая тенденция победит — неясно. Наличие взаимной связи усиливает флуктуации, и, если коэффициент усиления велик, может начаться спорадический (нерегулярный, эпизодический) непредсказуемый процесс.

Реальное производство включает множество процессов, характер связи между которыми изменяется и зависит от флуктуаций. В процессе эксплуатации сложной системы могут появляться случайные отклонения от нормальных режимов, возникающие внутри системы за счет:

• — ошибок (в пределах допусков, определяемых точностью) в работе различных элементов и контролирующих приборов;
• — внутренних шумов аппаратуры;
• — отказов отдельных элементов системы;

" сбоев вычислительных и управляющих устройств;

— нарушения синхронизации работы отдельных элементов системы и т. д.

Влияние случайных факторов на функционирование сложной системы может проявляться не только в отклонениях от среднего поведения системы, но и в изменении самого среднего. Отсюда следует, что оценка только среднего поведения системы исходя только из средних значений случайных факторов (без учета рассеяния и взаимных влияний) может привести к грубым ошибкам. Последствия таких отклонений служат оценкой помехозащищенности, или помехоустойчивости системы.

Обеспечение высокой эффективности системы при этих условиях оказывается весьма серьезной проблемой. Возникающие трудности усугубляются тем, что мероприятия по компенсации действия различных факторов могут содержать противоположные рекомендации, что порождает противоречивые требования к системе.

Основными источниками случайных воздействий на систему являются факторы внешней среды и отклонения от нормальных режимов функционирования (ошибки, шумы), возникающие внутри ее.

Например, существенное значение имеют случайные колебания нагрузки в электрических системах; непредвиденное перераспределение энергетических, информационных, финансовых ресурсов; пассажиреили грузопотоков.

Поэтому предъявляются повышенные требования к пропускным способностям некоторых связей и перегрузочной способности отдельных элементов системы, к оперативности управления ее функционированием. Эти обстоятельства могут привести к снижению качественных показателей работы системы.

Нормальные условия функционирования сложной системы являются лишь своеобразной идеализацией действительности. Реальные условия всегда отличаются от нормальных (идеальных). Отклонения реальных условий от нормальных называют возмущениями. Часто оказывается удобным рассматривать отклонения от нормальных условий как помехи, снижающие качество функционирования сложной системы.

Внутренние помехи возникают внутри системы и проявляются в виде таких изменений свойств элементов, структурных характеристик и (или) взаимодействий (связей) между элементами, которые приводят к изменению значений параметров сложной системы ct|, аг, …, а" в выражении (3.1). Измененные (возмущенные) значения а' параметров системы а/ представляются в виде.

где а® — значения параметров системы при нормальных условиях функционирования;

Да, — изменения параметров, вызванные действием помех.

Примерами возмущений, вызванных внутренними помехами, могут служить ошибки средств контроля над процессом производства продукции, человеческий фактор, связанный со сложностью управления, непреднамеренные нарушения технологических регламентов производственного процесса, плохая организация труда, недостато*гная квалификация и (или) дисциплинированность основного и вспомогательного персонала и т. п.

Внешние помехи проявляются в отклонениях от нормы воздействий на сложную систему со стороны внешней среды. Они приводят к изменению значений параметров р_ь fo. … p_m, входящих в (3.1). Возмущенные значения Ру параметров системы Ру также можно представить в виде.

где Р®. — значения параметров, характеризующих воздействия внешней среды при нормальных условиях;

ДР_;. — изменения параметров, вызванные действием помех.

Примерами действия внешних помех мог>т быть атмосферные явления; нарушения режимов поставки (отгрузки) сырья (готовой продукции), комплектующих; ограничения по использованию энергоносителей, величины потребляемой электрической и тепловой мощности и (или) энергии, и т. п.

Для любой сложной системы существенный интерес вызывает вопрос о том, как влияют помехи на ее эффективность, или, другими словами, какова помехозащищенность системы — способность эффективно работать в условиях действия помех. Оценить помехозащищенность системы можно при помощи показателей, аналогичных показателям надежности или качества управления.

Структурные свойства системы также могут быть одной из характеристик се эффективности. Другими словами, свойства системы порождаются ее структурными закономерностями.

Наличие свойства целостности подразумевает, что изменение состояния любого элемента системы оказывает воздействие на другие элементы и может вести к изменению состояния всей системы. Поэтому часто невозможно провести декомпозицию системы так, чтобы не потерять ее интегративных свойств. Кроме того, следует учитывать, что при формировании межэлементных связей отдельные свойства (качества) отдельных элементов могут усиливаться, а другие подавляться. Вместе с тем степень подавления, как правило, никогда не бывает полной, в связи с чем при формировании системы возникают не только «полезные» се функции (свойства), обеспечивающие эффективность большинства состояний и сохранение качественных особенностей, но и дисфункции, негативно влияющие на функционирование системы.

Наличие связей (отношений) между элементами системы, превосходящих по силе (мощности) связи (отношения) этих элементов (подсистем) с элементами, не входящими в данную систему, также является одним из системных свойств. С системных позиций определяющими являются лишь существенные связи (отношения), определяющие интегративные свойства системы.

Связь может быть однородной (симметричной) в случае одинаковых элементов и неоднородной (асимметричной), в противном случае. Связь с передачей информации называют коммуникацией.

Как было отмечено, многие сложные системы могут выполнять практически все свои функции при условии, что некоторая часть их элементов и связей между ними находится в нерабочем (или отличающемся в пределах допустимых норм от рабочего) состоянии.

В эволюции развития сложных систем существенную роль играет интеграция. Системная интеграция основана на механизме отбора, сохраняющем, координирующем и усиливающем те связи и отношения, которые увеличивают структурное и функциональное соответствие элементов системы, разрушая и ослабляя неустойчивые соотношения.

Одним из условий существования любой системы является ее устойчивость к возмущающим воздействиям, которым она постоянно подвергается. Термин «.устойчивость», как и многие другие термины теории систем многозначен и представляется в нескольких редакциях в зависимости от вида системы и се состояния, цели исследования и других факторов и параметров.

Устойчивость:

• 1) способность системы сохранять требуемые свойства в условиях действия возмущений;
• 2) способность системы сохранять динамическое равновесие со средой, как способность к изменению и адаптации;
• 3) способность системы реагировать на возмущения внутренних и внешних параметров, сохраняя одно и то же, или близкое к нему состояние (поведение), на протяжении определенного периода времени;
• 4) способность системы самостоятельно поддерживать свой гомеостаз.

Увеличение устойчивости системы также иногда прямо связано с увеличением ее сложности (общего числа элементов и их резервированием), усложнением реакции на возмущения. Для ясности изложения вводятся понятия классической (по А.М. Ляпунову) и структурной устойчивости. Первое используется в задачах исследования результатов внешних воздействий на фиксированные системы, второе — для выявления качественных изменений в траекториях движения (поведении) системы при изменениях ее структуры.

В определении устойчивости, по Ляпунову, возмущения ограничены любой, сколь угодно малой величиной и здесь обычно говорят о статической устойчивости системы. При больших возмущениях параметров режима или системы решаются вопросы динамической устойчивости. При определении практической устойчивости возмущения, как правило, ограничивают заранее фиксированной величиной.

В функционировании и трансформации нелинейных систем с неустойчивым равновесием (или в области неустойчивого равновесия) важную роль играют случайные события. При этом даже ничтожное по своему значению и величине событие из-за положительной нелинейной обратной связи может вызвать существенные и неожиданные по своей эффективности воздействия (часто отрицательные) на систему.

В точках бифуркации начинается процесс ветвления возможных путей развития системы, прогноз хода которого с достаточной точностью невозможен. Эти вопросы находят отражение в «теории хаоса».

Часть параметров системы являются системными (основными, жизненно важными). Они могут быть не только количественными, но и качественными. От их значения зависит ответ на вопрос: возможно ли длительное, устойчивое существование системы, ее живучесть, сохранение ее гомеостаза.

В этой связи существенным свойством становится инерционность процессов, происходящих в системе при внезапных внешних воздействиях. Пример возможного изменения определяющего параметра показан на рис. 3.13.

Начало внешнего воздействия на систему в момент путем резкого увеличения одного или ряда факторов от номинального (наиболее вероятного) значения П_во до П_в 1 может сопровождается плавным, но существенным изменением одного или нескольких параметров режима системы от П_со до П_с, значение которого при большом АП = //" - может даже выходить за пределы границ Ь и р (см. рис. 3.7).

Снятие внешнего воздействия (момент /2) оказывает на систему противоположное воздействие. Значение параметра режима П_с2 также может оказаться недопустимым. При наличии устойчивости в системе сохраняется предыдущий или близкий к нему режим.