Тема 3. Управление в системах.

1. Управление, системы управления.

Система есть совокупность элементов, взаимосвязанных друг с другом и таким образом образующих определенную целостность.

Примеры систем: техническое устройство, состоящее из узлов и деталей; живой организм, состоящий из клеток; коллектив людей; предприятие; государство и т.д. Лекционная аудитория с лектором и студентами – система; даже отдельный стол – система. А вот ножка стола – не система. Но это с точки зрения макропредставлений. Если рассматривать ножку стола с точки зрения микропредставлений, то это также система, образуемая совокупностью молекул и атомов. Из этих примеров ясно, что системы очень разнообразны.

По сложности системы принято делить на простые, сложные и большие (очень сложные).

Простая система – это система, не имеющая развитой структуры (например, нельзя выявить иерархические уровни).

Сложная система – система с развитой структурой, состоящая из элементов – подсистем, являющихся в свою очередь простыми системами.

Большая система – это сложная система, имеющая ряд дополнительных признаков:

1. наличие единой цели функционирования, т.е. частные цели подсистем и элементов должны быть подчинены цели функционирования системы;

2. устойчивость к внешним и внутренним возмущениям. Это свойство подразумевает выполнение системой своих функций в условиях внутренних случайных изменений параметров и дестабилизирующих воздействий внешней среды;

3. комплексный состав системы, т.е. элементами и подсистемами большой системы являются самые разнообразные по своей природе и принципам функционирования объекты;

4. способность к развитию. В основе развития систем лежат противоречия между элементами системы. Снятие противоречий возможно при увеличении функционального разнообразия, а это и есть развитие.

Процессы управления присущи как живой, так и неживой природе. С управлением мы сталкиваемся в своей жизни повсеместно. Это и государство, которым управляют соответствующие структуры; это и ЭВМ, работающая под управлением программы, и т.д.

Управление (control) - это функция организованных систем различной природы (биологических, социальных, технических), обеспечивающая сохранение их определенной структуры, поддержание режима деятельности, реализацию их программ и целей.

Ярко выраженный целевой информационный характер управления подтверждается его кибернетическим определением: управление есть процесс целенаправленной переработки информации.

С данных позиций управленческие процессы описываются в терминах процессов информационных, т. е. управленческий процесс – это переработка информации, проходящая следующие стадии: сбор, обработку, генерацию и использование, которая служит «сырьем» для выработки управленческих решений и средством передачи управленческих воздействий.

Таким образом, аппарат управления можно определить как совокупность центров по переработке данных, связанных информационными потоками.

На рисунке 3.1 приведена укрупненная структурная схема системы управления, где

ОУ – объект управления;

УО – управляющий орган;

ИО – исполнительный орган.

Совокупность объекта управления (ОУ), управляющего органа (УО) и исполнительного органа (ИО) образует систему управления, в которой выделяются две подсистемы: управляющая и управляемая.

Рис. 3.1 Укрупненная структурная схема системы управления

В процессе функционирования этой системы управляющий орган получает информацию о текущем состоянии объекта управления (I_ос) и информацию о том, в каком состоянии должен находиться объект управления (I_вх). Отклонения объекта управления от заданного состояния происходят под воздействием внешних возмущений (V). Результатом сравнения информации I_вх и I_ос в управляющем органе является возникновение управляющей информации (I_у), которая воздействует на исполнительный орган (ИО). На основе информации I_у исполнительный орган вырабатывает управляющее воздействие (U), которое ликвидирует отклонение в текущем состоянии объекта управления от того, в котором он должен находиться.

На приведенной на рис. 3.1 схеме изображены три потока информации: I_вх, I_oc и I_y.

I_вх - информационный поток из внешней среды в систему управления, который, с одной стороны, представляет поток нормативной информации, создаваемый государственными учреждениями в части законодательства, а, с другой стороны, - поток информации о конъюнктуре рынка, создаваемый конкурентами, потребителями, поставщиками;

Очень важным компонентом входной информации I_вх является информация о цели управления, ибо управление бессмысленно, если оно не направлено на достижение определенной цели. Если управление наилучшим образом соответствует поставленной цели, то такое управление называется оптимальным.

I_oc – это информация обратной связи. В общем случае под обратной связью понимают передачу воздействия с выхода какой-либо системы обратно на ее вход.

I_ос - информационный поток от объекта управления к управляющему органу (обратная связь), который отражает учетную информацию о состоянии объекта управления (сырья, материалов, денежных, энергетических, трудовых ресурсов, готовой продукции и выполненных услугах) в результате выполнения хозяйственных процессов.

I_y – это информация, возникшая в результате обработки в управляющем органе информации I_вх и I_oc и управляющая работой исполнительного органа.

2. Структура различных систем управления.

В зависимости от того, в какой системе (простой, сложной, большой) осуществляется управление, различают системы автоматического управления (САУ) и автоматизированные системы управления (АСУ).

Автоматическое управление осуществляется, как правило, в простых системах, в которых заранее известны описание объекта управления и алгоритм управления им. По принципу управления системы автоматического управления могут быть разомкнутыми и замкнутыми. В разомкнутых системах измеряется возмущение, отклоняющее объект от заданного состояния, и вырабатывается воздействие, компенсирующее возникшее возмущение. Такая система не способна длительное время управлять неустойчивым объектом. В замкнутых системах (рис. 3.2) реализуется идея обратной связи, благодаря которой информация об отклонении управляемого объекта от заданного состояния позволяет выработать воздействие, возвращающее объект в это состояние.

Благодаря тому, что поведение объекта и алгоритм управления строго заданы, системы автоматического управления могут работать автономно, без участия человека (хотя, конечно, их создание и наблюдение за их функционированием невозможно без человека).

Рис. 3.2 Упрощенная структурная схема замкнутой САУ

Как правило, САУ используется в технических системах, и в качестве управляющего органа (УО) используется компьютер, который с помощью программы (для него это I_вх) выдает результат обработки информации, обычно физический сигнал. Это сигнал управления (I_y), который через преобразователь (Пр1) приводит в действие исполнительный орган (ИО), возвращающий объект управления (ОУ) в заданное программой компьютера состояние. Состояние ОУ, меняющееся под воздействием внешних возмущений V, определяет значение сигнала обратной связи (I_oc) , который через преобразователь (Пр2) поступает в компьютер (УО). Преобразователи необходимы для изменения уровней или природы проходящих через них сигналов, так как элементы системы могут различаться по своей физической сути.

С ростом и усложнением производства объекты управления приобретают характер сложных и больших систем, имеющих большое число элементов и подсистем, связи между которыми не всегда ясны, а критерии функционирования не обладают достаточной четкостью. В этих условиях использовать результаты теории автоматического управления в полной мере не удается, и в контур управления, помимо человека – оператора ЭВМ, действующего по заданным алгоритмам, включается лицо, принимающее решение (ЛПР). Наличие ЛПР в контуре управления – отличительная черта автоматизированных систем управления, которые в случае применения в организационно-экономическом управлении называют организационно-экономическими информационными системами. (рис. 3.3). Автоматизированное управление применяется в том случае, если нет возможности реализовать автоматическое управление.

Как видно из рис. 3.3, ЛПР, получив информацию об обратной связи I_ос, осведомляющую его о состоянии объекта управления (ОУ), обращается к ЭВМ (поток I_вх), имеющей определенное программное обеспечение (ПО) и вырабатывающей рекомендации к принятию решения (поток I_вых). На основе анализа предложенных ЭВМ альтернатив ЛПР принимает решение, которое в виде управляющей информации (I_y) поступает в исполнительный орган (ИО), переводя его в необходимое состояние. Например, министр (это ЛПР), получив информацию о состоянии отрасли (это ОУ), после обработки всей нужной информации на ЭВМ и просчета наборов вариантов поведения в сложившейся ситуации принимает решение, которое реализуется аппаратом министерства (это ИО) в управляемой отрасли производства.

Рис. 3.3 Структурная схема организационно-экономических

информационных систем

3. Информационные модели.

Важным инструментом исследования систем является метод моделирования. Суть этого метода состоит в том, что исследуемый объект заменяется его моделью, т.е. некоторым другим объектом, сохраняющим основные свойства реального объекта, но более удобным для исследования или использования.

Информационная модель – это отражение предметной области в виде информации. Причём информация об объекте должна быть целенаправленно отобранной и отражать наиболее существенные для исследователя свойства этого объекта. Предметная область представляет собой часть реального мира, которая исследуется или используется.

Пример. Предметная область – это часть реального мира, которая исследуется; мобильный телефон.

Какая информация об объекте должна быть отобрана при создании информационной модели зависит от целей исследования.

Выбрать мобильный телефон по внешнему виду.

Какие сведения об объекте имеют значение?

Параметр	Значение параметра
Форма	Обтекаемая
Цвет	Металлическая
Длина	8 см
Толщина	1 см

Выбрать надежный мобильный телефон, обладающий широкими функциональными возможностями.

Какие сведения об объекте имеют значение?

Параметр	Значение параметра
Фирма-производитель	Samsung
Стоимость	200 y.e.
Стандартная батарея	Li-lon
Работа в режиме разговора	5 ч.
Работа в режиме ожидания	150 ч.
Дисплей	4 строки
Встроенный виброзвонок	Да
Инфракрасный порт (ИК-порт)	Нет

Объект - «город»

Цель	Модель
Определение маршрута передвижения	План города
Обзор самых известных мест в городе	Набор открыток
Общие сведения о городе	Содержание экскурсии
Сведения о телефонах организаций	Телефонный справочник
Отражение личного восприятия города	Художественные произведения (стихи, картины, фильмы)

Отображение предметной области представляется информационными моделями нескольких уровней, показанных на рис. 3.4.

Концептуальная модель (КМ) – обеспечивает интегрированное представление о предметной области (например, технологические карты, техническое задание, план производства и т.п.) и имеет слабоформализованный характер.

Логическая модель (ЛМ) формируется из концептуальной путем выделения конкретной части (например, части, подлежащей управлению), ее детализации и формализации.

Логическая модель, формализующая на языке математики взаимосвязи в выделенной предметной области, называется математической моделью (ММ). Математические модели представляют собой формализованное описание на языке математики исследуемых объектов и отображают в виде математических отношений взаимосвязи параметров этих объектов. Математические модели, применяемые в экономических исследованиях, называют экономико-математическими.

С помощью математических методов математическая модель преобразуется в алгоритмическую модель (АМ), задающую последовательность (алгоритм) действий, реализующих достижение поставленной цели управления.

Алгоритм – конечный набор правил, однозначно раскрывающих содержание и последовательность выполнения операций для систематического решения определенного класса задач за конечное число шагов.

Рис. 3.4. Уровни представления информационных моделей

На основе алгоритмической модели создается машинная программа (П), являющаяся той же алгоритмической моделью, только представленной на языке, понятном ЭВМ.

Выделение информационных моделей разных уровней абстракции позволяет разделить сложный процесс отображения «предметная область – программа» на несколько более простых отображений.

Совершенствование ЭВМ, программного обеспечения, математических методов и моделей позволило создать организационно-экономические информационные системы, в которых чётко обозначился контур информационной технологии – ИТ (рис.3.5).

Рис. 3.5. Информационная технология в организационно-экономических системах

Из рис. 3.5 видно, что в общем случае информационная технология состоит из информационных моделей разного уровня абстракции и ЭВМ. На вход ИТ поступает информация от человека I_вх, формируемая на основе информации I_ос от объекта управления. Информация I_вх сравнивается с концептуальной моделью (КМ) объекта управления. Реакция на результат сравнения определяется общей математической моделью управления (ОМУ), декомпозированной на частные математические модели (ЧММ). Набор ЧММ описывает возможные состояния ОУ и тактику управления в этих состояниях. Эта тактика реализуется через алгоритмические модели (АМ), формализованные в программное обеспечение (ПО) для ЭВМ. В результате ЭВМ выдает информацию I_вых, представляющую собой рекомендации по управлению ОУ в данной ситуации.

Таким образом, в автоматизированной системе управления человек является центральным и объединяющим звеном двух контуров (см. рис. 3.5): собственно управления (Ч – ИО – ОУ) и информационной технологии (Ч – ИТ).

Вопросы к теме

1. Что называют системой?

2. На какие виды делятся системы по сложности?

3. Каким образом можно аппарат управления определить как совокупность центров по переработке данных, связанных информационными потоками?

4. Приведите структурную схему системы управления.

5. Дайте характеристику информационным потокам, циркулирующим в системе управления.

6. В чем отличие системы автоматического управления от системы организационно-экономического управления?

7. Приведите структурную схему замкнутой системы автоматического управления.

8. Какие системы называются «экономическими информационными системами»?

9. Приведите структурную схему системы организационно-экономического управления.

10. Дайте определение информационной модели.

11. Что называют предметной областью?

12. В чем суть концептуальной модели предметной области?

13. Дайте характеристику логической, математической и алгоритмической моделям предметной области.

Приведите структурную схему системы организационно-экономического управления со встроенным контуром информационной технологии