Что такое управление? Что такое система управления? Классификация систем управления

  В этом материале рассмотрим некоторые вопросы из теории систем и системного анализа, а именно - что такое управление, что такое система управления, классифкация систем управления 

 Что такое управление и система управления ?

Управление - это воздействие на какую-то систему с целью достижения желаемых изменений в ее состоянии или поведении.
Всякое управление предполагает наличие цели, т.е. модели желаемых изменений. Система, на которую оказываются целенаправленные воздействия, называется управляемой или – объектом управления. Носителем цели управления является субъект управления.

Обобщенная схема системы управления показана на рис. 1.4. Такую систему еще называют системой с управлением. В ней выделяется две подсистемы: та, которая управляет – управляющая система и та, которой управляют – управляемая система. Для обозначения управляемой системы чаще используется термин «объект управления».

Система, в которой есть эти две части, т.е. есть само управление называется "система управления" или системой с управлением. Часто на практике используют более узкое толкование - система управления воспринимается как именно управляющая система.

Рис. 1.4. Обобщенная структура системы управления (с обратной связью)

На рис.1.4. используются следующие обозначения: УС – управляющая система; СУ – субъект управления (говорят также «управляющий орган»); ИМ – исполнительный механизм (исполняющий орган); ОУ – объект управления (управляемая система); U – прямая управляющая связь для передачи управляющих воздействий (УВ); Iос – обратная информационная связь.

Этапы процесса управления

В общих чертах процесс управления с обратной связью можно представить следующими основными этапами:
- сбор и анализ информации, необходимой для управления;

- выбор УВ (принятие решения о целесообразном управляющем воздействии);

- реализация решения – выработка и применение к ОУ управляющих воздействий;

- контроль за состоянием и реакцией ОУ (по существу, этот этап есть циклический переход к первому этапу сбора и анализа информации).

В технических устройствах возможна схема управления без обратной связи (разомкнутое управление). В этом случае управление реализуется по заранее заданному алгоритму без анализа состояния ОУ, т.е. считается, что ОУ реагирует на управляющие воздействия однозначным образом – так, как задумано в программе управления. Примеры систем с разомкнутым управлением:
- устройства запуска или остановки (например, запуск телевизора по таймеру);
- станки с программным управлением обработкой деталей;
- автоматические конвейеры и т.п.

Отметим, что показанные на рис. 1.4 элементы «цель» и « ресурсы» имеют принципиальное значение для управления. Наличие цели является необходимым по определению понятия "управление". Остается уточнить, что в системе управления цель может быть сформулирована по-разному:

- достичь определенного состояния на объекте управления, т.е. перевести объект управления в целевое состояние;

- поддержать объект управления в заданном состоянии. В соответствии с такой целью, например, работают различные технические регуляторы (автоматическая регулировка частоты или громкости в радиоприемниках, регулировка температуры в системах климат-контроля и др.);

- минимизировать затраты системы управления при достижении целевого или при поддержании заданного состояния.

Имеющиеся в распоряжении УС ресурсы определяют ее возможности при выборе стратегии управления. Кроме собственно ресурсов на выбор УВ влияют и иные ограничения, характерные для данной системы управления. Так, при управлении в организационно-экономической системе такие ограничения могут порождаться нормативно-технической документацией, законами, отраслевыми или корпоративными стандартами, нормами и правилами поведения и др.

Аксиомы управления

На основании проведенного исследования обобщенной схемы системы управления можно сформулировать несколько условий, которые в литературе известны как аксиомы теории управления. Выполнение этих условий предполагается обязательным при создании системы управления.

Аксиома управления 1. Наличие наблюдаемости объекта управления, т.е. возможность получения информации о состоянии объекта управления, его реакциях на внешнюю среду и УВ.

Аксиома управления 2. Наличие управляемости ОУ, т.е. способность ОУ переходить в требуемое состояние под воздействием УВ.

Аксиома управления 3. Наличие цели управления и достижимость цели, т.е. наличие цели управления, обозначенной через некоторый набор показателей, желаемых свойств ОУ

Аксиома управления 4. Наличие выбора управляющих воздействий (аксиома свободы выбора). Необходимый объем множества УВ зависит от самой цели управления и сложности объекта.

Существует известный принцип необходимого разнообразия Эшби, который применительно к системам управления формулируется так: «Разнообразие управляющей системы должно быть не меньше, чем разнообразие объекта управления».

Это означает, что в идеале на каждое возможное состояние объекта управления в системе должно быть предусмотрено как минимум одно воздействие, приводящее ОУ в желаемое состояние.

Аксиома управления 5. Наличие критерия эффективности управления, т.е. наличие способа оценить степень достижения цели (подробнее о критериях см. в гл. 2)

Аксиома управления 6. Наличие ресурсов управления, т.е. возможность реализовать выбранные УВ при имеющихся ресурсах и заданных ограничениях.

Классификация систем управления

В зависимости от степени участия человека в процессе управления различают следующие виды систем управления.

1. Системы ручного управления. В этих системах человек выполняет все функции управления. При этом не исключается применение механизмов для реализации управляющих воздействий, каких либо инструментов для сбора информации (например, измерения параметров ОУ).

2. Системы автоматического управления (САУ). В этих системах управляющая часть – УС не содержит в себе человека, выработка управляющих воздействия выполняется автоматически на основе запрограммированных алгоритмов поведения системы. Человек присутствует на этапе создания алгоритмов и программ, которые и отражают в себе цель управления.

Первыми автоматическими системами управления были автоматические регуляторы температуры паровых котлов на паровозах, которые отслеживали значение контролируемых параметров и вносили поправку при отклонении их от заданной величины. Характерными и достаточно сложными примерами современных САУ являются автоматические системы управления полетами, применяемые в гражданской или военной авиации.

Однако, несмотря на сложность взаимосвязей с различными бортовыми и наземными системами, здесь в основном также используется принцип работы регулятора – задается и отслеживается выполнение программы полета воздушного судна. Перспективы развития САУ связаны с использованием в них методов искусственного интеллекта, позволяющих осуществлять автоматическое управление в сложных, изменяющихся условиях, при недостатке или неточности имеющейся информации, подстраиваясь под особенности окружающей среды и объекта управления.

3. Автоматизированные системы управления (АСУ). В АСУ человек остается главным действующим лицом процесса управления. Можно выделить два основных канала автоматизации, в которых ряд функций от человека передается ЭВМ:

- информационный канал (автоматизация сбора, представления, анализа информации);

- управляющий канал (автоматизация генерации, передачи и применения управляющих воздействий).

Широкое применение автоматизированные системы управления находят в управлении организационно-экономическими системами (предприятиями), где процессы управления отличаются значительной сложностью и связаны с большими объемами используемой информации. Такие АСУ сами отличаются сложностью структуры и наличием большого числа подсистем, выполняющих различные функции. К числу подсистем комплексной АСУ предприятием относятся системы поддержки принятия решений (СППР). Эти системы предназначены для автоматизации наименее формализуемого и наиболее интеллектуального этапа процесса управления, связанного с принятием решений о необходимых воздействиях на объект управления. Функционирование СППР в зависимости от объема выполняемых функций опирается на методы аналитической и интеллектуальной обработки данных (факторный, корреляционный и другие виды анализа, технологии OLAP, Data Mining), методы экспертных систем, ситуационного управления и др.

Классификация управления по скорости протекания процессов в объекте управления

Изменение состояния объекта управления при управлении может протекать с различными скоростями. Говорят еще о скорости переходных процессов или периоде (времени) переходных процессов Tss. Сам переход из текущего состояния St в целевое Sc в различных объектах управления может происходить по-разному. В сложных объектах переходный процесс может сопровождаться различными трудностями, неожиданными затратами или потерями.

В зависимости от скорости переходных процессов в ОУ различают следующие системы управления:

- системы типа «конечный автомат». В них период смены состояния Tss много меньше, чем период наблюдения T:
Tss << T;

- системы динамические, где Tss = T, т.е. время изменение состояния соизмеримо с временем наблюдения;

- системы статические, где Tss >> T, т.е. изменение состояния происходит за время, значительно превышающее период наблюдения.

Для наблюдателя в технических системах, когда объект изменяет свое состояние в реальном времени, именно динамические системы ассоциируются с понятием управления.

Однако, из приведенной классификации видно, что отнесение объекта управления к тому или иному классу будет зависеть от периода наблюдения.

Это положение имеет принципиальное значение при управлении сложными и, особенно, большими организационно-техническими системами. Оно означает, что оценка управляемости, устойчивости системы, а также оценка эффективности управляющих воздействий может быть произведена только за период наблюдения, адекватный периоду переходных процессов в системе. Такая адекватность может быть достигнута регулярным учетом, накоплением информации в базах данных ЭИС и ее последующим анализом.

По материалам пособия И.Н.Глухих. "Основы теории систем и системный анализ",
публикуется на elport.ru с согласия автора.