Страница:
По существу в определениях термина «замкнутая система» такого рода речь идёт о том, что в замкнутых системах информация, на основе которой во всякий момент времени вырабатывается управляющее воздействие, включает в себя и информацию об управляющем воздействии, выработанном некогда в прошлом.
Иными словами, некоторые информационные потоки, проходящие через систему управления, замкнуты в кольцевом контуре их обращения, отсюда и проистекает название термина «замкнутая система».
Однако есть связки «объект + система управления», в которых обратных связей в смысле обусловленности текущего управления управлением, выработанным в прошлом, нет. Такова программная схема управления. А в схеме управления предиктор-корректор некоторые из связей, если их относить к категории «обратных» в традиционном понимании этого термина, замыкаются не через прошлое, а через прогнозируемое будущее в том смысле, что текущее управление включает в себя прогноз поведения управляемого объекта, в который входит и информация о вариантах текущего управления.
При этом в исторически сложившихся технических версиях теории управления нет термина для обозначения связки «объект + система управления» в общем случае рассмотрения. Поэтому, излагая ДОТУ, мы оказываемся перед выбором:
· либо как-то называть эту связку (при этом само слово «связка» явно не подходит вследствие его употребительности в самых разных контекстах);
· либо придать в контексте ДОТУ расширительное толкование терминам «прямые» и «обратные связи», «замкнутая система».
В прошлых редакциях ДОТУ нашёл выражение расширительный подход, однако он не был пояснён, что у некоторой части читателей (особенно знакомых с какими-то техническими версиями теорий управления) вызывало неприятие, недоумение и вопросы.
В настоящей редакции мы сохраняем расширительный подход к толкованию упомянутых терминов, и потому в контексте ДОТУ следует принять определения прямых и обратных связей с подразделением их на внешние (уходящие в средэ) и внутренние (локализованные в пределах объекта управления и системы управления) так, как они даны выше. То же касается определений отрицательных обратных связей как сдерживающих, и положительных как поощряющих.
8. Способы управления: структурный,
В процессе управления замкнутая система и её часть - система управления - образуют структуру, подчинённую вектору целей (обусловленную им) и несущую концепцию управления и составляющие её целевые функции. Качество управления обеспечивается при этом двумя факторами:
· архитектурой структуры, т.е. составом и функциональной нагрузкой её элементов (включая каналы информационного обмена) и упорядоченностью (организацией, иерархией) элементов в структуре;
· характеристиками работоспособности, т.е. функциональной пригодностью самих элементов, входящих в структуру, для осуществления возлагаемых на них функций (своего рода «квалификационным» уровнем элементов).
Ошибки в построении структуры, вызывающие её общее несоответствие вектору целей и множеству допустимых векторов ошибки, могут свести практически на нет высокую функциональную пригодность элементов структуры; поэтому при функционально пригодных (хороших в этом смысле) элементах, образующих структуру, вектор ошибки управления тем не менее, будет вне допустимых пределов.
Если при этом структура создаётся до начала процесса управления, и её архитектура и элементная база не изменяются в его ходе, то характеристики вектора ошибки управления определяются прежде всего соответствием архитектуры структуры вектору целей и множеству допустимых векторов ошибки управления: это даёт основание к тому, чтобы такой способ управления назвать структурным.
При управлении структурным способом происходит адресное распространение функционально ориентированной информации по элементам структуры, неизменной в процессе управления.
Примеры структурного управления в технике:управление самолётом при помощи автопилота, представляющего собой структуру разнородных элементов; командный состав любой воинской части, административный состав любого завода, института, органы государственной власти и их совокупность и т.п. также представляют собой управляющие соответствующими процессами структуры.
При ином взгляде:структура, несущая функцию управления, это - система, т.е. целесообразно выстроенная (иначе говоря, - функционально ориентированная) совокупность взаимосвязанных элементов, определённая как количественному составу каждого из видов входящих в ней функционально своеобразных элементов, так по взаимосвязям элементов в пределах системы.
Понятно, что элементы системы, в свою очередь, могут быть системами иерархически более низкого порядка. Также понятно, что установление взаимосвязей между системами, образующими некоторое множество, может иметь следствием порождение систем более высокого иерархического уровня по отношению к исходным системам.
Т.е. всякая система обладает некоторой внутренней структурой, а множество систем при организации взаимодействия между ними может порождать системы более высокого иерархического уровня по отношению к уровню базовых системы. И потому один из вопросов теории управления состоит в том, как складываются такого рода структуры, вбирающие в себя множество систем.
В разнообразии возможностей, ведущих к тому или иному ответу на этот вопрос, нас в связи с тематикой настоящего раздела будет интересовать только одна.
Предположим, что у нас имеется множество неких элементов, которые обладают следующими свойствами:
1. Все элементы самоуправляемы на основе информационно-алгоритмического обеспечения, хранящегося в их памяти.
2. Каждым из них можно управлять извне, поскольку они могут принимать информацию и алгоритмику в память (по п. 1).
3. Они могут управлять другими элементами (по п. 1 и п. 2), поскольку могут выдавать информацию из памяти другим элементам множества.
Множество элементов, обладающих названными свойствами, мы далее будем именовать «суперсистема».
Бесструктурное управлениевозможно в суперсистемах, состоящих из множества аналогичных в некотором смысле друг другу элементов: требование аналогии, т.е. способности элементов к взаимозаменяемости друг друга в разных процессах в данном случае - дополнительное требование, по отношению к трём характеристическим требованиям, положенным в определение термина «суперсистема», связанное с тем, что, чем ниже параметры взаимозаменяемости, - тем ниже способность суперсистемы к порождению в себе бесструктурного управления.
Предположим, что мы распространяем в суперсистеме информацию - циркулярно, т.е. безадресно, в режиме «для всех, кто способен принять». Циркулярное распространение информации (т.е. одна и та же информация проходит через множество элементов), подчинённое некоторым статистическим характеристикам и разного рода оценкам возможного течения событий, несёт в себе вероятностную предопределённость изменения информационного состояния памяти некоторого подмножества элементов в составе суперсистемы. Вероятностно предопределённое изменение состояния памяти элементов ведёт к изменению статистических характеристик их самоуправления. Если распространение информации в этом множестве и его последствия обладают устойчивой предсказуемостью в статистическом смысле (то есть порождает предсказуемую статистику явлений), то возможно бесструктурное управление этим множеством, а также и его бесструктурное самоуправление.
В таком множестве элементов, обладающих различным информационно-алгоритмическим наполнением их памяти, подчинённым статистическим закономерностям, существует статистическая предопределённость того, что 1) циркулярное безадресное прохождение в среде этого множества информационного модуля определённого содержанияприведёт к тому, что 2) элементы множества на основе самоуправления сложатся в одну или более структур, ориентированных на некий, соответствующий указанному информационному модулю вектор целей в течение вполне приемлемого интервала времени, и 3) вектор ошибки в возникшем процессе управления не выйдет за допустимые пределы.
Другими словами:
При бесструктурном управлении множество более или менее аналогичных один другому самоуправляющихся элементов, способных к взаимодействию друг с другом и средой, вероятностно предопределённо порождает из себя замкнутые системы, отвечающие заданному вектору целей и множеству допустимых векторов ошибки.
Главное отличие бесструктурного управления от структурного:
Структура формируется не директивно-адресно до начала процесса управления, а возникает управляемо (либо самоуправляемо) в порядке реализации статистических предопределённостей в ходе процесса управления на основе преимущественнобезадресного циркулярного распространения информации во множестве элементов, составляющих суперсистему.
Поэтому множество элементов, в котором протекает процесс бесструктурного управления, само является замкнутой системой
[201]иерархически упорядоченных контуров прямых и обратных связей, архитектура которой меняется в ходе процесса управления. При этом это же множество элементов является средой, порождающей из себя структуры в процессе её самоуправления или управления ею извне.
Бесструктурное управление в его существе- управление статистическими характеристиками множественных (массовых) явлений на основе господствующих над множеством элементов вероятностно-статистических предопределённостей хранения, распространения и переработки информации и их оценок на основе чувства меры и статистических моделей.
Яркий пример бесструктурного управления - автобус без кондуктора с кассами. Цель управления:распространение билетов, взимание платы за проезд, оповещение об остановках. Всё это ложится на плечи пассажиров, поскольку в большинстве случаев трансляция в автобусах не работает, кроме того, водителю просто не следует отвлекаться от управления машиной: продавать билеты - тем более на ходу - и объявлять остановки - помеха его работе. Концепция управления включает в себя:приём денег, их размен, выдачу сдачи, вручение билетов, контроль за тем, чтобы не было безбилетников «зайцев», и консультации пассажиров о том, где им надо выйти. Она же - обязанности кондуктора; их исполняет вся совокупность пассажиров автобуса, на основе информации их памяти.
Этот пример показывает, что одна и та же цель управления может быть осуществлена структурным (кондуктор, хоть и один, но всё же структура) и бесструктурным способом. Здесь же виден и субъективизм в оценках качества управления, достигаемых при каждом из способов. Если Вы хотите, чтобы максимальный процент пассажиров ехал с билетами и никто не ошибся в остановке, то кондуктор лучше. Если вас интересует доход с автохозяйства, то в случае, когда экономия на зарплате сокращённых кондукторов компенсирует убытки, возникшие из-за дополнительных «зайцев» и расширения штата контролеров, - лучше ездить с кассами без кондуктора на принципе самообслуживания пассажиров.
Если же вы смотрите на всю систему общественного городского транспорта с точки зрения субъекта-хозяина
[202]государства-суперконцерна, то печатать и распространять билеты - вредная растратакакой-то части общественного фонда рабочего времени и природных ресурсов, поскольку отпечатанный и тут же выброшенный билет не удовлетворяет ни чьих личных потребностей ни в пище, ни в одежде, ни в жилье, ни в Знании - ни в чём ином действительно полезном, чего так не хватает людям, но зато при их производстве и распространении изводится рабочее время, лес, энергия, замусоривается среда обитания.
Управление на основе виртуальных структур.Это - тоже один из процессов, возможных в суперсистемах. Предположим, что:
· «суперсистема № 1» представляет собой подмножество элементов «суперсистемы № 2», т.е. всякий элемент «суперсистемы № 1» является одновременно и элементом «суперсистемы № 2», но не всякий элемент «суперсистемы № 2» является элементом «суперсистемы № 1»;
· «суперсистема № 2» не видна с уровня «суперсистемы № 1»;
· в «суперсистему № 1» проникает структура, несущая некий процесс управления, организованная на уровне «суперсистемы № 2».
При оговоренных условиях, функционирование этой структуры будет восприниматься на уровне «суперсистемы № 1»как ничем не обусловленные «случайные совпадения» в поведении элементов «суперсистемы № 1», но не как проявление деятельности структуры, проникающей в «суперсистему № 1» из «суперсистемы № 2».
Если природа этих не случайныхсовпадений на уровне «суперсистемы № 1» не может быть выявлена, то на уровне «суперсистемы № 1» вся такого рода совокупность «случайных» совпадений - управление на основе виртуальных структур.
Это - один из примеров управления на основе виртуальных структур. В более общем случае любое проникновение структурного управления в суперсистему извне - в ней предстаёт как управление на основе виртуальных структур вне зависимости от того, проникает в суперсистему структурное управление из иерархически равнозначной её суперсистемы, либо это иерархически высшее управление, вплоть до иерархически наивысшего всеобъемлющего управления Вседержителя.
Структурное управление в суперсистемах может возникать как реализация соответствующего этапа полной функции управления - целенаправленное построение структуры, несущей концепцию управления. Но структурное управление в суперсистемах может возникать и из бесструктурного или из управления на основе виртуальных структур, если цели, на которые ориентировалось бесструктурное управление или управление на основе виртуальных структур, достаточно устойчивы, вследствие чего обретают устойчивость и структуры, сложившиеся в бесструктурном управлении или в виртуальном управлении для работы с этими целями.
Иными словами структурное управление может выкристаллизовываться из бесструктурного или из управления на основе виртуальных структур.
Наивысшее качество управления в суперсистемах достигается в сочетании структурного и бесструктурного управления в русле адекватного иерархически высшего управления, протекающего в них на основе виртуальных структур.
9. Балансировочные режимы и манёвры
Теперь вернёмся к замкнутым системам. Устойчиво управляемая система может находиться либо в балансировочномрежиме, либо в режиме манёвра. Один и тот же, реально протекающий режим может быть интерпретирован и как балансировочный, если соотноситься с одним вектором целей, и как режим маневра, если соотноситься с другим вектором целей.
В векторе целей балансировочногорежима контрольные параметры неизменны во времени. В реальном устойчивом балансировочном режиме вектор состояния колеблется относительно неизменного положения в подпространстве контрольных параметров, а свободные параметры могут при этом изменяться по-всякому.
Понятие «балансировочный режим» несколько сродни понятию «равновесие», но шире его, поскольку обыденное сознание воспринимает «равновесие» статично - как неподвижную неизменность во времени. В балансировочном же режиме во времени неизмененпроцесс колебаний системы относительно точки «равновесия», координаты которой неизменны во времени: система проходит через неё, но не может пребывать в ней, хотя бы потому, что отклонения от неё - ниже порога чувствительности средств измерения или управление негибко, обладает конечным быстродействием и не может вовремя остановить объект в точке равновесия.
В векторе целей режима манёвраизменяется хотя бы один из контрольных параметров. При рассмотрении реального процесса устойчивого манёвра в подпространстве контрольныхпараметроввектор состояния отслеживает с некоторой ошибкой управления изменение вектора целей (содержащего только контрольные параметры). На свободные параметры, как и в случае балансировочного режима, ограничения не накладываются.
Режим маневрирования, в котором производные по времени контрольных изменяющихся параметров постоянны (в пределах допустимой ошибки управления), называется установившимся манёвром. Установившийся манёвр сам является балансировочным режимом, из вектора целей которого исключены изменяющиеся в процессе манёвра контрольные параметры.
Если идти от реально протекающего процесса управления и строить по предположению (т.е. гипотетически) вектор целей субъекта, реально управляющего процессом (это называется «идентификация» вектора целей), то один и тот же режим можно интерпретировать в качестве балансировочного режима или устойчивого колебательного манёвра. Так, при отнесении к вектору целей только параметров, колеблющихся относительно средних значений (в зависимости от ограничений на ошибки управления), режим интерпретируется как балансировочный режим; при отнесении к вектору целей хотя бы одного из произвольно меняющихся параметров, режим интерпретируется как манёвр.
Точно также один и тот же режим можно воспринимать как устойчивый, исходя из одних ограничений на вектор ошибки; и как неустойчивый, исходя из более строгих ограничений на вектор ошибки; в этом предложении хорошо видно проявление возможности троякого понимания устойчивости: 1) по ограниченности отклонений, 2) по убыванию отклонений после снятия возмущающего воздействия и 3) по предсказуемости.
Простейший пример балансировочного режима - езда на автомобиле по прямой дороге с постоянной скоростью. Все стрелочки на приборной панели, кроме расхода бензина, подрагивают около установившихся положений; но рулём всё же «шевелить» надо, поскольку неровности дороги, боковой ветер, разное давление в шинах, люфты в подвесках и рулевом приводе норовят увести автомобиль в сторону.
Манёвры в свою очередь разделяются на слабыеи сильные. Это разделение не отражает эффективности манёвра. Понятие слабого манёвра связано с балансировочными режимами. Перевод системы из одного балансировочного режима в другой балансировочный режим - это один из видов манёвра. Некоторые замкнутые системы обладают таким свойством, что, если этот перевод осуществлять достаточно медленно, то вектор состояния системы в процессе манёвра не будет сильно отличаться от вектора состояния в исходном и (или) конечном балансировочном режиме за исключением изменяющихся в ходе манёвра контрольных параметров и некоторых свободных параметров, информационно связанных с контрольными.
Если на корабле положить руль на борт на 3 - 4 градуса, то корабль начнёт описывать круг очень большого диаметра и будет происходить изменение угла курса. Если это делается вне видимости берегов и в пасмурную погоду, то большинство пассажиров даже не заметят манёвра изменения курса. Если же на полном ходу быстроходного корабля (узлов 25 - 30) резко положить руль на борт градусов на 20 - 30, то палуба в процессе перекладки руля дёрнется под ногами в сторону обратную направлению перекладки руля; потом начнётся вполне ощутимое вестибулярным аппаратом человека изменение курса, сопровождающееся вполне видимым креном до 10 и более градусов.
Хотя в обоих случаях изменение курса может быть одинаковым, гидродинамические характеристики корабля в первом случае слабого манёвра не будут сильно отличаться от режима прямолинейного движения; во втором случае, когда корабль начнет входить в циркуляцию диаметром не более 4 - 5 длин корпуса, - будет падать скорость хода, появится значительная по величине поперечная составляющая скорости обтекания корпуса и крен, а общая картина обтекания корпуса и гидродинамические характеристики будут качественно отличаться от бывших при прямолинейном движении или слабых манёврах.
Разделение манёвров на сильные и слабые в ряде случаев позволяет существенно упростить моделирование поведения замкнутой системы в процессе слабого маневрирования без потери качестварезультатов моделирования. Поскольку выбор меры качества всегда субъективен, то и разделение манёвров на сильные и слабые определяется субъективизмом в оценке качества моделирования и управления. Но, если такое разделение возможно, то слабому маневру можно подыскать аналогичный ему (в ранее указанном смысле) балансировочный режим.
10. Понятие о теориях подобия
В практической деятельности - в создании новой техники, в организации управления теми или иными процессами - типичны ситуации, в которых по параметрам какой-то одной замкнутой системы надо судить о процессах и параметрах какой-то другой замкнутой системы, которая от первой может отличаться:
· либо своими размерами при однокачественности природы обеих систем (т.е. однокачественности физических носителей процессов в обеих системах и во внешней среде),
· либо природой.
И то и другое нуждается в пояснении.
Что касается различий однокачественных по своей природе систем, то жизнь полна так называемых «масштабных эффектов».
Масштабные эффекты проявляются в том, что при изменении всех или только некоторых размеров однокачественных по своей природе систем значения параметров, характеризующих процессы в самой системе и во взаимодействии её со средой, изменяются не пропорционально масштабу изменения соответствующих размеров исходной систем.
При этом изменение исходных размеров системы может сопровождаться изменением каких-то параметров, характеризующих поведение новой системы, как в большую, так и в меньшую сторону. В некоторых случаях плавный переход по шкале масштаба к иным размерам системы может сопровождаться ступенчатым увеличением или уменьшением параметров, характеризующих её поведение. В других случаях какие-то параметры, характеризующие поведение системы, оказываются безразличными к изменению масштаба по отношению к исходным размерам. Всё это в природе обусловлено тем, что подавляющее большинство параметров, которыми характеризуется система и её поведение, обусловлены не одним, а множеством факторов (т.е. в математических моделях большинство параметров - функции не одного, а многих аргументов), каждый из которых по разному влияет на изменение характеристических параметров системы при переходе к иному масштабу.
Наличие масштабных эффектов в жизни при оценке однокачественных систем и процессов, протекающих в них и с ними связанных внешних процессов, приводит к вопросу о том: Как пересчитать характеристики одной системы, процессов в ней и с нею связанных внешних процессов к масштабу другой системы, обладающей иными размерами, для того, чтобы можно было судить о достоинствах и недостатках, о соответствии каждой из систем задачам, на неё возлагаемым, о качестве управления (решения) этих задач каждой из сопоставляемых друг с другом систем?
Нахождение ответа на этот вопрос в каждой прикладной отрасли деятельности, в которой он встаёт, - одна из задач соответствующей теории подобия.
Но это - не единственная задача теории подобия. Например, известно, что одними и теми же математическими моделями с приемлемой для практики точностью могут быть описаны процессы, имеющие разную природу. В терминологии триединства материи-информации-меры это означает, что процессы аналогичны друг другу по своим информационно-алгоритмическим характеристикам опираются на разные по своей природе материальные носители. При этом оказывается, что математика умеет решать далеко не все задачи, которые она может поставить. Тем не менее, свойство информационно-алгоритмической аналогичности процессов, протекающих на разных материальных носителях, в случаях, когда выявлена такого рода аналогичность, позволяет не решать задачи методами математики или путём экспериментирования на моделях, идентичных по своему материальному носителю интересующему нас объекту, а построить модель-аналог на основе иных материальных носителей и решать задачи на её основе.
В 1940-е - 1950-е гг. это подход в истории развития техники выразился в создании так называемых «аналоговых вычислительных машин», которые однако ничего не вычисляли, а моделировали на основе протекающих в них процессов, какие-то иные процессы.
Так было выявлено, что дифференциальные уравнения, описывающие динамику самолёта в полёте, могут быть идентичны уравнениям, описывающим процессы электронных схемах. В тот период времени не было вычислительных возможностей для того, чтобы решать такие математические задачи с приемлемой для практики точностью, но была возможность построения электронных схем, процессы в которых по своим информационно-алгоритмическим характеристикам были аналогичны параметрам, характеризующим динамику самолёта в полёте. И многие задачи по обеспечению желательной управляемости летательных аппаратов в ходе проектирования новой авиационной техники были решены на основе создания и варьирования параметров динамически подобных летательным аппаратам электронных схем, на которых и проводились эксперименты по моделированию управляемости будущих летательных аппаратов.
Иными словами, некоторые информационные потоки, проходящие через систему управления, замкнуты в кольцевом контуре их обращения, отсюда и проистекает название термина «замкнутая система».
Однако есть связки «объект + система управления», в которых обратных связей в смысле обусловленности текущего управления управлением, выработанным в прошлом, нет. Такова программная схема управления. А в схеме управления предиктор-корректор некоторые из связей, если их относить к категории «обратных» в традиционном понимании этого термина, замыкаются не через прошлое, а через прогнозируемое будущее в том смысле, что текущее управление включает в себя прогноз поведения управляемого объекта, в который входит и информация о вариантах текущего управления.
При этом в исторически сложившихся технических версиях теории управления нет термина для обозначения связки «объект + система управления» в общем случае рассмотрения. Поэтому, излагая ДОТУ, мы оказываемся перед выбором:
· либо как-то называть эту связку (при этом само слово «связка» явно не подходит вследствие его употребительности в самых разных контекстах);
· либо придать в контексте ДОТУ расширительное толкование терминам «прямые» и «обратные связи», «замкнутая система».
В прошлых редакциях ДОТУ нашёл выражение расширительный подход, однако он не был пояснён, что у некоторой части читателей (особенно знакомых с какими-то техническими версиями теорий управления) вызывало неприятие, недоумение и вопросы.
В настоящей редакции мы сохраняем расширительный подход к толкованию упомянутых терминов, и потому в контексте ДОТУ следует принять определения прямых и обратных связей с подразделением их на внешние (уходящие в средэ) и внутренние (локализованные в пределах объекта управления и системы управления) так, как они даны выше. То же касается определений отрицательных обратных связей как сдерживающих, и положительных как поощряющих.
8. Способы управления: структурный,
в суперсистемах - бесструктурный и на основе виртуальных структур
В процессе управления замкнутая система и её часть - система управления - образуют структуру, подчинённую вектору целей (обусловленную им) и несущую концепцию управления и составляющие её целевые функции. Качество управления обеспечивается при этом двумя факторами:
· архитектурой структуры, т.е. составом и функциональной нагрузкой её элементов (включая каналы информационного обмена) и упорядоченностью (организацией, иерархией) элементов в структуре;
· характеристиками работоспособности, т.е. функциональной пригодностью самих элементов, входящих в структуру, для осуществления возлагаемых на них функций (своего рода «квалификационным» уровнем элементов).
Ошибки в построении структуры, вызывающие её общее несоответствие вектору целей и множеству допустимых векторов ошибки, могут свести практически на нет высокую функциональную пригодность элементов структуры; поэтому при функционально пригодных (хороших в этом смысле) элементах, образующих структуру, вектор ошибки управления тем не менее, будет вне допустимых пределов.
Если при этом структура создаётся до начала процесса управления, и её архитектура и элементная база не изменяются в его ходе, то характеристики вектора ошибки управления определяются прежде всего соответствием архитектуры структуры вектору целей и множеству допустимых векторов ошибки управления: это даёт основание к тому, чтобы такой способ управления назвать структурным.
При управлении структурным способом происходит адресное распространение функционально ориентированной информации по элементам структуры, неизменной в процессе управления.
Примеры структурного управления в технике:управление самолётом при помощи автопилота, представляющего собой структуру разнородных элементов; командный состав любой воинской части, административный состав любого завода, института, органы государственной власти и их совокупность и т.п. также представляют собой управляющие соответствующими процессами структуры.
При ином взгляде:структура, несущая функцию управления, это - система, т.е. целесообразно выстроенная (иначе говоря, - функционально ориентированная) совокупность взаимосвязанных элементов, определённая как количественному составу каждого из видов входящих в ней функционально своеобразных элементов, так по взаимосвязям элементов в пределах системы.
Понятно, что элементы системы, в свою очередь, могут быть системами иерархически более низкого порядка. Также понятно, что установление взаимосвязей между системами, образующими некоторое множество, может иметь следствием порождение систем более высокого иерархического уровня по отношению к исходным системам.
Т.е. всякая система обладает некоторой внутренней структурой, а множество систем при организации взаимодействия между ними может порождать системы более высокого иерархического уровня по отношению к уровню базовых системы. И потому один из вопросов теории управления состоит в том, как складываются такого рода структуры, вбирающие в себя множество систем.
В разнообразии возможностей, ведущих к тому или иному ответу на этот вопрос, нас в связи с тематикой настоящего раздела будет интересовать только одна.
Предположим, что у нас имеется множество неких элементов, которые обладают следующими свойствами:
1. Все элементы самоуправляемы на основе информационно-алгоритмического обеспечения, хранящегося в их памяти.
2. Каждым из них можно управлять извне, поскольку они могут принимать информацию и алгоритмику в память (по п. 1).
3. Они могут управлять другими элементами (по п. 1 и п. 2), поскольку могут выдавать информацию из памяти другим элементам множества.
Множество элементов, обладающих названными свойствами, мы далее будем именовать «суперсистема».
Бесструктурное управлениевозможно в суперсистемах, состоящих из множества аналогичных в некотором смысле друг другу элементов: требование аналогии, т.е. способности элементов к взаимозаменяемости друг друга в разных процессах в данном случае - дополнительное требование, по отношению к трём характеристическим требованиям, положенным в определение термина «суперсистема», связанное с тем, что, чем ниже параметры взаимозаменяемости, - тем ниже способность суперсистемы к порождению в себе бесструктурного управления.
Предположим, что мы распространяем в суперсистеме информацию - циркулярно, т.е. безадресно, в режиме «для всех, кто способен принять». Циркулярное распространение информации (т.е. одна и та же информация проходит через множество элементов), подчинённое некоторым статистическим характеристикам и разного рода оценкам возможного течения событий, несёт в себе вероятностную предопределённость изменения информационного состояния памяти некоторого подмножества элементов в составе суперсистемы. Вероятностно предопределённое изменение состояния памяти элементов ведёт к изменению статистических характеристик их самоуправления. Если распространение информации в этом множестве и его последствия обладают устойчивой предсказуемостью в статистическом смысле (то есть порождает предсказуемую статистику явлений), то возможно бесструктурное управление этим множеством, а также и его бесструктурное самоуправление.
В таком множестве элементов, обладающих различным информационно-алгоритмическим наполнением их памяти, подчинённым статистическим закономерностям, существует статистическая предопределённость того, что 1) циркулярное безадресное прохождение в среде этого множества информационного модуля определённого содержанияприведёт к тому, что 2) элементы множества на основе самоуправления сложатся в одну или более структур, ориентированных на некий, соответствующий указанному информационному модулю вектор целей в течение вполне приемлемого интервала времени, и 3) вектор ошибки в возникшем процессе управления не выйдет за допустимые пределы.
Другими словами:
При бесструктурном управлении множество более или менее аналогичных один другому самоуправляющихся элементов, способных к взаимодействию друг с другом и средой, вероятностно предопределённо порождает из себя замкнутые системы, отвечающие заданному вектору целей и множеству допустимых векторов ошибки.
Главное отличие бесструктурного управления от структурного:
Структура формируется не директивно-адресно до начала процесса управления, а возникает управляемо (либо самоуправляемо) в порядке реализации статистических предопределённостей в ходе процесса управления на основе преимущественнобезадресного циркулярного распространения информации во множестве элементов, составляющих суперсистему.
Поэтому множество элементов, в котором протекает процесс бесструктурного управления, само является замкнутой системой
[201]иерархически упорядоченных контуров прямых и обратных связей, архитектура которой меняется в ходе процесса управления. При этом это же множество элементов является средой, порождающей из себя структуры в процессе её самоуправления или управления ею извне.
Бесструктурное управление в его существе- управление статистическими характеристиками множественных (массовых) явлений на основе господствующих над множеством элементов вероятностно-статистических предопределённостей хранения, распространения и переработки информации и их оценок на основе чувства меры и статистических моделей.
Яркий пример бесструктурного управления - автобус без кондуктора с кассами. Цель управления:распространение билетов, взимание платы за проезд, оповещение об остановках. Всё это ложится на плечи пассажиров, поскольку в большинстве случаев трансляция в автобусах не работает, кроме того, водителю просто не следует отвлекаться от управления машиной: продавать билеты - тем более на ходу - и объявлять остановки - помеха его работе. Концепция управления включает в себя:приём денег, их размен, выдачу сдачи, вручение билетов, контроль за тем, чтобы не было безбилетников «зайцев», и консультации пассажиров о том, где им надо выйти. Она же - обязанности кондуктора; их исполняет вся совокупность пассажиров автобуса, на основе информации их памяти.
Этот пример показывает, что одна и та же цель управления может быть осуществлена структурным (кондуктор, хоть и один, но всё же структура) и бесструктурным способом. Здесь же виден и субъективизм в оценках качества управления, достигаемых при каждом из способов. Если Вы хотите, чтобы максимальный процент пассажиров ехал с билетами и никто не ошибся в остановке, то кондуктор лучше. Если вас интересует доход с автохозяйства, то в случае, когда экономия на зарплате сокращённых кондукторов компенсирует убытки, возникшие из-за дополнительных «зайцев» и расширения штата контролеров, - лучше ездить с кассами без кондуктора на принципе самообслуживания пассажиров.
Если же вы смотрите на всю систему общественного городского транспорта с точки зрения субъекта-хозяина
[202]государства-суперконцерна, то печатать и распространять билеты - вредная растратакакой-то части общественного фонда рабочего времени и природных ресурсов, поскольку отпечатанный и тут же выброшенный билет не удовлетворяет ни чьих личных потребностей ни в пище, ни в одежде, ни в жилье, ни в Знании - ни в чём ином действительно полезном, чего так не хватает людям, но зато при их производстве и распространении изводится рабочее время, лес, энергия, замусоривается среда обитания.
Управление на основе виртуальных структур.Это - тоже один из процессов, возможных в суперсистемах. Предположим, что:
· «суперсистема № 1» представляет собой подмножество элементов «суперсистемы № 2», т.е. всякий элемент «суперсистемы № 1» является одновременно и элементом «суперсистемы № 2», но не всякий элемент «суперсистемы № 2» является элементом «суперсистемы № 1»;
· «суперсистема № 2» не видна с уровня «суперсистемы № 1»;
· в «суперсистему № 1» проникает структура, несущая некий процесс управления, организованная на уровне «суперсистемы № 2».
При оговоренных условиях, функционирование этой структуры будет восприниматься на уровне «суперсистемы № 1»как ничем не обусловленные «случайные совпадения» в поведении элементов «суперсистемы № 1», но не как проявление деятельности структуры, проникающей в «суперсистему № 1» из «суперсистемы № 2».
Если природа этих не случайныхсовпадений на уровне «суперсистемы № 1» не может быть выявлена, то на уровне «суперсистемы № 1» вся такого рода совокупность «случайных» совпадений - управление на основе виртуальных структур.
Это - один из примеров управления на основе виртуальных структур. В более общем случае любое проникновение структурного управления в суперсистему извне - в ней предстаёт как управление на основе виртуальных структур вне зависимости от того, проникает в суперсистему структурное управление из иерархически равнозначной её суперсистемы, либо это иерархически высшее управление, вплоть до иерархически наивысшего всеобъемлющего управления Вседержителя.
Структурное управление в суперсистемах может возникать как реализация соответствующего этапа полной функции управления - целенаправленное построение структуры, несущей концепцию управления. Но структурное управление в суперсистемах может возникать и из бесструктурного или из управления на основе виртуальных структур, если цели, на которые ориентировалось бесструктурное управление или управление на основе виртуальных структур, достаточно устойчивы, вследствие чего обретают устойчивость и структуры, сложившиеся в бесструктурном управлении или в виртуальном управлении для работы с этими целями.
Иными словами структурное управление может выкристаллизовываться из бесструктурного или из управления на основе виртуальных структур.
Наивысшее качество управления в суперсистемах достигается в сочетании структурного и бесструктурного управления в русле адекватного иерархически высшего управления, протекающего в них на основе виртуальных структур.
9. Балансировочные режимы и манёвры
Теперь вернёмся к замкнутым системам. Устойчиво управляемая система может находиться либо в балансировочномрежиме, либо в режиме манёвра. Один и тот же, реально протекающий режим может быть интерпретирован и как балансировочный, если соотноситься с одним вектором целей, и как режим маневра, если соотноситься с другим вектором целей.
В векторе целей балансировочногорежима контрольные параметры неизменны во времени. В реальном устойчивом балансировочном режиме вектор состояния колеблется относительно неизменного положения в подпространстве контрольных параметров, а свободные параметры могут при этом изменяться по-всякому.
Понятие «балансировочный режим» несколько сродни понятию «равновесие», но шире его, поскольку обыденное сознание воспринимает «равновесие» статично - как неподвижную неизменность во времени. В балансировочном же режиме во времени неизмененпроцесс колебаний системы относительно точки «равновесия», координаты которой неизменны во времени: система проходит через неё, но не может пребывать в ней, хотя бы потому, что отклонения от неё - ниже порога чувствительности средств измерения или управление негибко, обладает конечным быстродействием и не может вовремя остановить объект в точке равновесия.
В векторе целей режима манёвраизменяется хотя бы один из контрольных параметров. При рассмотрении реального процесса устойчивого манёвра в подпространстве контрольныхпараметроввектор состояния отслеживает с некоторой ошибкой управления изменение вектора целей (содержащего только контрольные параметры). На свободные параметры, как и в случае балансировочного режима, ограничения не накладываются.
Режим маневрирования, в котором производные по времени контрольных изменяющихся параметров постоянны (в пределах допустимой ошибки управления), называется установившимся манёвром. Установившийся манёвр сам является балансировочным режимом, из вектора целей которого исключены изменяющиеся в процессе манёвра контрольные параметры.
Если идти от реально протекающего процесса управления и строить по предположению (т.е. гипотетически) вектор целей субъекта, реально управляющего процессом (это называется «идентификация» вектора целей), то один и тот же режим можно интерпретировать в качестве балансировочного режима или устойчивого колебательного манёвра. Так, при отнесении к вектору целей только параметров, колеблющихся относительно средних значений (в зависимости от ограничений на ошибки управления), режим интерпретируется как балансировочный режим; при отнесении к вектору целей хотя бы одного из произвольно меняющихся параметров, режим интерпретируется как манёвр.
Точно также один и тот же режим можно воспринимать как устойчивый, исходя из одних ограничений на вектор ошибки; и как неустойчивый, исходя из более строгих ограничений на вектор ошибки; в этом предложении хорошо видно проявление возможности троякого понимания устойчивости: 1) по ограниченности отклонений, 2) по убыванию отклонений после снятия возмущающего воздействия и 3) по предсказуемости.
Простейший пример балансировочного режима - езда на автомобиле по прямой дороге с постоянной скоростью. Все стрелочки на приборной панели, кроме расхода бензина, подрагивают около установившихся положений; но рулём всё же «шевелить» надо, поскольку неровности дороги, боковой ветер, разное давление в шинах, люфты в подвесках и рулевом приводе норовят увести автомобиль в сторону.
Манёвры в свою очередь разделяются на слабыеи сильные. Это разделение не отражает эффективности манёвра. Понятие слабого манёвра связано с балансировочными режимами. Перевод системы из одного балансировочного режима в другой балансировочный режим - это один из видов манёвра. Некоторые замкнутые системы обладают таким свойством, что, если этот перевод осуществлять достаточно медленно, то вектор состояния системы в процессе манёвра не будет сильно отличаться от вектора состояния в исходном и (или) конечном балансировочном режиме за исключением изменяющихся в ходе манёвра контрольных параметров и некоторых свободных параметров, информационно связанных с контрольными.
Если на корабле положить руль на борт на 3 - 4 градуса, то корабль начнёт описывать круг очень большого диаметра и будет происходить изменение угла курса. Если это делается вне видимости берегов и в пасмурную погоду, то большинство пассажиров даже не заметят манёвра изменения курса. Если же на полном ходу быстроходного корабля (узлов 25 - 30) резко положить руль на борт градусов на 20 - 30, то палуба в процессе перекладки руля дёрнется под ногами в сторону обратную направлению перекладки руля; потом начнётся вполне ощутимое вестибулярным аппаратом человека изменение курса, сопровождающееся вполне видимым креном до 10 и более градусов.
Хотя в обоих случаях изменение курса может быть одинаковым, гидродинамические характеристики корабля в первом случае слабого манёвра не будут сильно отличаться от режима прямолинейного движения; во втором случае, когда корабль начнет входить в циркуляцию диаметром не более 4 - 5 длин корпуса, - будет падать скорость хода, появится значительная по величине поперечная составляющая скорости обтекания корпуса и крен, а общая картина обтекания корпуса и гидродинамические характеристики будут качественно отличаться от бывших при прямолинейном движении или слабых манёврах.
Разделение манёвров на сильные и слабые в ряде случаев позволяет существенно упростить моделирование поведения замкнутой системы в процессе слабого маневрирования без потери качестварезультатов моделирования. Поскольку выбор меры качества всегда субъективен, то и разделение манёвров на сильные и слабые определяется субъективизмом в оценке качества моделирования и управления. Но, если такое разделение возможно, то слабому маневру можно подыскать аналогичный ему (в ранее указанном смысле) балансировочный режим.
10. Понятие о теориях подобия
В практической деятельности - в создании новой техники, в организации управления теми или иными процессами - типичны ситуации, в которых по параметрам какой-то одной замкнутой системы надо судить о процессах и параметрах какой-то другой замкнутой системы, которая от первой может отличаться:
· либо своими размерами при однокачественности природы обеих систем (т.е. однокачественности физических носителей процессов в обеих системах и во внешней среде),
· либо природой.
И то и другое нуждается в пояснении.
Что касается различий однокачественных по своей природе систем, то жизнь полна так называемых «масштабных эффектов».
Масштабные эффекты проявляются в том, что при изменении всех или только некоторых размеров однокачественных по своей природе систем значения параметров, характеризующих процессы в самой системе и во взаимодействии её со средой, изменяются не пропорционально масштабу изменения соответствующих размеров исходной систем.
При этом изменение исходных размеров системы может сопровождаться изменением каких-то параметров, характеризующих поведение новой системы, как в большую, так и в меньшую сторону. В некоторых случаях плавный переход по шкале масштаба к иным размерам системы может сопровождаться ступенчатым увеличением или уменьшением параметров, характеризующих её поведение. В других случаях какие-то параметры, характеризующие поведение системы, оказываются безразличными к изменению масштаба по отношению к исходным размерам. Всё это в природе обусловлено тем, что подавляющее большинство параметров, которыми характеризуется система и её поведение, обусловлены не одним, а множеством факторов (т.е. в математических моделях большинство параметров - функции не одного, а многих аргументов), каждый из которых по разному влияет на изменение характеристических параметров системы при переходе к иному масштабу.
Наличие масштабных эффектов в жизни при оценке однокачественных систем и процессов, протекающих в них и с ними связанных внешних процессов, приводит к вопросу о том: Как пересчитать характеристики одной системы, процессов в ней и с нею связанных внешних процессов к масштабу другой системы, обладающей иными размерами, для того, чтобы можно было судить о достоинствах и недостатках, о соответствии каждой из систем задачам, на неё возлагаемым, о качестве управления (решения) этих задач каждой из сопоставляемых друг с другом систем?
Нахождение ответа на этот вопрос в каждой прикладной отрасли деятельности, в которой он встаёт, - одна из задач соответствующей теории подобия.
Но это - не единственная задача теории подобия. Например, известно, что одними и теми же математическими моделями с приемлемой для практики точностью могут быть описаны процессы, имеющие разную природу. В терминологии триединства материи-информации-меры это означает, что процессы аналогичны друг другу по своим информационно-алгоритмическим характеристикам опираются на разные по своей природе материальные носители. При этом оказывается, что математика умеет решать далеко не все задачи, которые она может поставить. Тем не менее, свойство информационно-алгоритмической аналогичности процессов, протекающих на разных материальных носителях, в случаях, когда выявлена такого рода аналогичность, позволяет не решать задачи методами математики или путём экспериментирования на моделях, идентичных по своему материальному носителю интересующему нас объекту, а построить модель-аналог на основе иных материальных носителей и решать задачи на её основе.
В 1940-е - 1950-е гг. это подход в истории развития техники выразился в создании так называемых «аналоговых вычислительных машин», которые однако ничего не вычисляли, а моделировали на основе протекающих в них процессов, какие-то иные процессы.
Так было выявлено, что дифференциальные уравнения, описывающие динамику самолёта в полёте, могут быть идентичны уравнениям, описывающим процессы электронных схемах. В тот период времени не было вычислительных возможностей для того, чтобы решать такие математические задачи с приемлемой для практики точностью, но была возможность построения электронных схем, процессы в которых по своим информационно-алгоритмическим характеристикам были аналогичны параметрам, характеризующим динамику самолёта в полёте. И многие задачи по обеспечению желательной управляемости летательных аппаратов в ходе проектирования новой авиационной техники были решены на основе создания и варьирования параметров динамически подобных летательным аппаратам электронных схем, на которых и проводились эксперименты по моделированию управляемости будущих летательных аппаратов.