Мёртвая Вода — Том 1. Глава 3. Достаточно общая теория управления: понятийный аппарат (краткий конспект)

25/09/2017
Достаточно общая теория управления

/*Данный конспект основан на первой редакции Достаточно Общей Теории Управления, датируемой 1992-м годом. Впоследствии были выпущены ещё 2 редакции (2004-го и 2011-го гг.), которые были значительно расширены и дополнены. Конспект, основанный на последней, по состоянию на 2017г., редакции Д.О.Т.У., будет представлен позже.*/

Управление любым объективным процессом возможно только при знании совокупности частных внешних и внутренних факторов, которыми обусловлено течение процесса, что во многих случаях позволяет привести объективно развивающийся процесс к субъективно выбранной цели из множества (счётного или несчётного, конечного или бесконечного) объективно возможных вариантов развития процесса. Это соотношение — главное в содержании понятия «управление».

Управление возможно только объективно существующими процессами (объектами). Если есть иллюзия существования; объективного процесса, то может возникнуть и иллюзия процесса управления; но разочарование будет вполне реальным. Управление всегда предполагает СУБЪЕКТИВНЫЙ выбор ЦЕЛИ управления из множества ОБЪЕКТИВНО ВОЗМОЖНЫХ вариантов развития процесса (объекта). Если точнее, то предполагает выбор совокупности целей управления, подчинённых иерархии приоритетов, т. е. выбор вектора целей. Одна и та же совокупность целей, подчинённых разным иерархиям приоритетов, образует разные векторы целей, что ведёт и к различию в управлении. Потеря управления может быть вызвана и выпадением из вектора некоторых целей, и нарушениями (инверсией) порядка следования их приоритетов, появлением в векторе целей объективно взаимоисключающих целей и т. п.

В самом общем смысле управление  —  информационный процесс — является отображением: из объекта и среды, окружающей объект управления, в систему управления объектом — обратные связи; и из структуры управления объекта в объект и среду — прямые связи.

Замкнутая система контуров управления — объект и система управления, замкнутые друг на друга прямыми и обратными связями.

Управление в принципе возможно, если известны законы существования объекта (процесса) в окружающей его среде. В силу этого реакция замкнутой системы на возмущения внешние (со стороны среды) и внутренние, а также на управляющее воздействие предсказуема в определённой мере.

Понятию управления всегда сопутствует понятие КАЧЕСТВА УПРАВЛЕНИЯ. Поскольку характеристики объекта в процессе управления всегда отличаются от предписанных вектором целей управления, то мера качества управления всегда связана с вектором ошибки: рассогласованием реального процесса и вектора целей. Поскольку вектор целей — результат субъективного выбора, то оценка качества управления не может быть объективной: она всегда субъективна.

——

Внутри области потенциально устойчивого управления лежит область устойчивого управления, ограниченная минимальным уровнем предельно допустимого падения качества управления.

Система управления объектом в соответствии с вектором целей управления на основе информации о состоянии замкнутой системы и окружающей среды согласно законам существования замкнутой системы в среде формирует управляющий сигнал, т. е. закодированную информацию о том, каким должно быть управляющее воздействие, чтобы поведение объекта отвечало вектору целей управления с необходимым уровнем качества.

Управляющий сигнал через прямые связи подаётся на исполнительные органы, которые обеспечивают управляющее воздействие на объект.

По цепям обратных связей в систему управления в процессе управления объектом подаётся информация о состоянии окружающей среды, объекта, исполнительных органов, элементов системы управления и т. п.

Важным частным случаем управления является обеспечение балансировочных режимов движения объектов и развития различных процессов. Контрольные (управляемые) параметры и параметры управляющего воздействия замкнутой системы, находящейся в балансировочном режиме, колеблются относительно средних значений, неизменных в течение всего интервала времени пребывания замкнутой системы в балансировочном режиме.

С понятием балансировочного режима связаны понятия о слабых и сильных манёврах. Манёвр — перевод замкнутой системы из одного балансировочного режима в другой, т. е. частный случай переходного процесса.

Не все параметры, характеризующие текущее состояние замкнутой системы, являются управляемыми: часть является объективно и субъективно информационно связанными только с некоторыми из управляемых параметров и поэтому подчинена в своих изменениях им; часть является свободными по отношению к управляемым. Манёвр преследует целью изменить управляемые параметры.

При слабых манёврах в течение всего их продолжения изменяются управляемые параметры, а большинство информационно связанных и свободных параметров, характеризующих замкнутую систему, сохраняют значения, близкие к бывшим в исходном балансировочном режиме.

При сильных манёврах большинство параметров, характеризующих текущее состояние замкнутой системы, значительно отличаются от их значений в исходном балансировочном режиме.

——

Управление и единая целостная функция — упорядоченная совокупность разнокачественных действий, осуществляемых в процессе управления и распределённых по элементам замкнутой системы.

Замкнутая система и её часть, система управления — структура, подчинённая вектору целей управления. Качество управления обеспечивается в этом случае двумя факторами:

  • архитектурой структуры, т. е. качественным (по функциональному признаку) и количественным составом её элементов (включая каналы информационного обмена) и упорядоченностью (организацией, иерархией) элементов в структуре;
  • характеристиками работоспособности (мерой функциональной пригодности, своего рода квалификационным уровнем) элементов структуры.

Ошибки в построении структуры, вызывающие её несоответствие поставленному вектору целей (это ЭКВИВАЛЕНТНО возможному СООТВЕТСТВИЮ целям управления ИНОГО СУБЪЕКТА, ОСУЩЕСТВЛЯЮЩЕГО УПРАВЛЕНИЕ ТЕМ ЖЕ ОБЪЕКТОМ), могут свести практически на нет высокую функциональную пригодность элементов структуры. Это является основанием для того, чтобы такой способ управления назвать структурным. При управлении СТРУКТУРНЫМ СПОСОБОМ качество управления обеспечивается прежде всего архитектурой структуры, соответствием её вектору целей управления.

В некоторых сложных объектах возможна организация управления БЕССТРУКТУРНЫМ СПОСОБОМ. Для осуществления управления БЕССТРУКТУРНЫМ СПОСОБОМ система в целом и элементы, входящие в замкнутую систему, должны обладать определёнными качествами.

——

Содержательная сторона управления состоит во взаимно согласованном целесообразном изменении продолжительности, частоты, амплитуды (т. е. интенсивности) в самом широком смысле слов и фазовых сдвигов частных процессов в некоторой совокупности объективно протекающих колебательных процессов. Осознание этого — основа управления ЛЮБОЙ суперсистемой в целом.

——

Среда оказывает давление на суперсистему. Давление, как и всё в природе, носит колебательный характер, но частоты этого давления достаточно низкие по сравнению с минимальной частотой, с которой суперсистема способна изменять своё информационное состояние, т. е. упорядоченность элементов как внутри суперсистемы, так и внутри элементов. В силу этого суперсистема в принципе способна по своему быстродействию взаимодействовать со средой устойчиво.

Такое положение суперсистемы приведёт к тому, что определится вектор целей, обеспечивающих реакцию суперсистемы на факторы среды, оказывающие непрерывное давление на суперсистему. К этому вектору целей, обусловленному давлением среды и зависящему непосредственно от среды, добавится ещё вектор целей из числа тех, ради которых суперсистема введена во взаимодействие со средой и также требующих непрерывного функционирования. Если суперсистема не имеет иных задач, кроме выживания, то этот вектор пустой (нулевой). Эти два вектора целей определят характер непрерывного взаимодействия элементов суперсистемы со средой и между собой.

Для обеспечения этого взаимодействия (т. е. поддержания устойчивости суперсистемы) необходимо использовать какую-то часть элементных ресурсов суперсистемы. Качество управления по обеспечению устойчивости суперсистемы будет тем выше, чем больше ресурсов в суперсистеме окажутся свободными для других целей. Свободные ресурсы представляют собой запас устойчивости суперсистемы, который может потребоваться в случае возрастания давления со стороны среды или возрастания интенсивности потока целей суперсистемы в отношении среды. В силу универсальности элементов для повышения качества управления в условиях обслуживания ею непрерывного взаимодействия со средой время на изменение специализации вовлечённых в этот процесс элементов должно быть сведено к минимуму. Это приведёт к тому, что какая-то часть элементов будет раз и навсегда включена в ПОСТОЯННЫЕ структуры, и в суперсистеме возникнет управление СТРУКТУРНЫМ СПОСОБОМ, отвечающее характеру постоянных потребностей непрерывного взаимодействия.

Кроме непрерывного взаимодействия со средой может, иметь место эпизодическое, весьма разнообразное, взаимодействие суперсистемы со средой. Оно может носить различный характер, в зависимости от которого будет определяться и характер использования элементных ресурсов суперсистемы. Во-первых, достаточно редкие, но потенциально возможные случаи воздействия среды на суперсистему, приводящие к выходу из строя фрагментов суперсистемы; выходы из строя фрагментов суперсистемы по внутренним причинам; прочий ущерб, наносимый средой интересам пребывания суперсистемы в среде, непосредственно не выводящий из строя фрагментов суперсистемы. Это мы будем называть эксцессами. Во-вторых, эпизодическое взаимодействие со средой, не приводящее непосредственно к эксцессам, обусловленное как эпизодическим давлением среды, так и эпизодическими целями суперсистемы в отношении среды.

В зависимости от оценки потенциального ущерба от эксцессов, возникновение которых носит случайный характер и непредсказуемо, часть элементов суперсистемы будет функционально специализирована для устранения последствий «тяжёлых» эксцессов и, естественно, вовлечена в соответствующие чрезвычайные структуры, находящиеся в непрерывной готовности к действию.

Часть элементов суперсистемы будет специализирована для устранения последствий «лёгких» эксцессов, но в чрезвычайные структуры вовлечена не будет, поскольку реальный ущерб от их бездействия в структурах оценивается как превышающий возможный ущерб от запаздывания их к действию по борьбе с разразившимся «лёгким» эксцессом.

Таким образом, вся элементная база суперсистемы распадается на две части: во-первых, элементы, принадлежащие ПОСТОЯННЫМ структурам, обеспечивающим непрерывное взаимодействие суперсистемы со средой и экстренное устранение последствий «тяжёлых» эксцессов; во-вторых, элементы, не принадлежащие ПОСТОЯННЫМ структурам; эти элементы также специализированы, но заняты в эпизодическом взаимодействии суперсистемы со средой.

Эпизодическое взаимодействие суперсистемы со средой в свою очередь распадается на две части: детерминированное и случайное взаимодействие.

Во-первых, детерминированное эпизодическое взаимодействие, подчинённое детерминированным циклам разнородных процессов; объективно протекающих в среде. Кроме того, сама суперсистема является колебательной системой; в ней протекают разного рода колебательные процессы, вызванные внутренними факторами суперсистемы и её элементов. Взаимодействие со средой только вызывает изменение характеристик этих колебательных процессов. К такого рода процессам относится необходимость замены элементов суперсистемы: исчерпавших допустимый ресурс, нуждающихся в возобновлении автономных запасов, периодической профилактике и т. п. Как следствие, внешние и внутренние колебательные процессы вызывают циклический характер использования какой-то части (или все) элементных ресурсов суперсистемы. Для обслуживания такого взаимодействия согласованно с циклами процессов в среде и в суперсистеме будут возникать ВРЕМЕННЫЕ структуры. Создание временных структур, подчинённых ритмике среды и ритмике собственных колебательных процессов, — одна из сторон процесса управления суперсистемой.

Во вторых, детерминированное программное эпизодическое взаимодействие со средой, также приводящее к возникновению в суперсистеме структур раньше, чем начнётся реализация программы.

В-третьих, случайное эпизодическое взаимодействие со средой, подчинённое случайному потоку воздействий известных факторов среды и случайному потоку целей поведения (из известного уже набора) суперсистемы, выставляемых перед суперсистемой её владельцем (интеллектом).

В-четвертых, единичное взаимодействие, вызванное внезапными, ранее неизвестными целями взаимодействия со средой, порождёнными средой или выставленными владельцем суперсистемы.

Таким образом, суперсистема должна обслуживать поток детерминированного взаимодействия со средой, поток случайного взаимодействия со средой и иметь элементные ресурсы запаса устойчивости на давление среды, на возрастание интенсивности случайного потока целей и обслуживание внезапных единичных эпизодических новинок.

Различие между структурным способом управления и бесструктурным способом управления определяется характером целей управления: бесструктурный способ управления, в отличие от структурного, обеспечивает лучшее взаимодействие суперсистемы со средой при большом объёме случайно возникающих, ранее известных, и новых целей управления. Но это отличие внешнее. Кроме него, есть ещё внутреннее отличие. При структурном способе управления к моменту начала процесса управления структура, соответствующая целям управления, уже существует.

При бесструктурном способе управления к моменту начала процесса управления структура, соответствующая целям управления, ещё не существует. При бесструктурном способе управления создание структуры (или нескольких, структурно не связанных друг с другом структур), подчинённой целям управления, является одним из этапов процесса управления.

Суперсистема может устойчиво функционировать, когда суммарная интенсивность детерминированного и случайного потоков целей не превосходит её производительность, зависящую от уровня давления среды на суперсистему. При таком условии в каждый момент и интервал времени какая-то часть элементных ресурсов суперсистемы находится вне функционирующих структур. Они представляют собой элементные резервы обеспечения запаса устойчивости суперсистемы по давлению среды и производительности. Таково исходное состояние суперсистемы к началу процесса бесструктурного управления.

Импульсом, вызывающим НАЧАЛО ПРОЦЕССА бесструктурного управления, является ИДЕНТИФИКАЦИЯ возникшего дополнительно к существующим ВЕКТОРА ЦЕЛЕЙ. Если идентификация не произошла, то процесс не начинается, и суперсистема терпит некоторый ущерб. После идентификации вектора целей процесс его обслуживания проходит следующие этапы:

  1. Выбор целостной функции управления из числа уже известных в суперсистеме или формирование новой функции управления (концепции управления).
  2. Распределение этой единой функции по функционально специализированным элементам из числа свободных (элементов и структур) или занятых в структурах с более низкими приоритетами целей.
  3. Функциональная специализация части свободных элементов в случае нехватки ранее подготовленных, в том числе и в процессе функционирования, создаваемой структуры.
  4. Формирование структуры, подчинённой данному вектору целей.
  5. Функционирование структуры.
  6. Ликвидация структуры.

——

Из этого следует важный частный вывод. Если из целей управления наивысшим приоритетом обладает устойчивое пребывание суперсистемы в условиях преобладания случайного характера давления среды и воздействия на среду, то запас устойчивости суперсистемы тем выше, чем меньше опыт каждого из элементов суперсистемы в процессе его функционирования отличается от опыта суперсистемы в целом.

——

Далее по отношению к разным аспектам, в том числе и бесструктурного управления, будет встречаться слово «вероятно» и однокоренные с ним. Обыденным сознанием слово «вероятно» воспринимается как синоним «не знаю», «затрудняюсь сказать» и т. п. В данном контексте слово «вероятно» означает: существует вероятность возникновения того или иного события или явления, обусловленная статистическими характеристиками процессов, объективно протекающих в среде и суперсистеме.

——

Ещё о качестве управления. Если из целей управления наивысшим приоритетом обладает устойчивое пребывание (тоже довольно неопределённое понятие) суперсистемы в среде, то наивысшее качество управления обеспечивается при таком порядке приоритетов прочих целей управления, когда элементный запас устойчивости суперсистемы максимален. Но ввиду обширности списка целей и сложности работы суперсистемы толку от этого заявления довольно мало. Поэтому остаётся только вторым приоритетом в список целей записать: непрерывное уточнение иерархии целей управления в случае падения элементного запаса устойчивости ниже критического уровня. Задав этот критический уровень НАОБУМ, суперсистему можно предоставить самой себе, возложив на неё третьим приоритетом задачу корректировки величины этого критического уровня. Судя по всему, Природа так и поступила с человечеством.

——

Но, тем не менее, есть одна объективная характеристика, в большинстве случаев участвующая в формировании оценки качества управления: это БЫСТРОДЕЙСТВИЕ.

Одна и та же функция управления в суперсистеме структурным способом реализуется вероятно быстрее. При бесструктурном способе от момента возникновения вектора целей до момента завершения его обслуживания имеют место потери времени: на ожидание идентификации вектора целей; на поиск или формирование функции управления; на функциональную специализацию элементов создаваемой структуры при нехватке специализированных; на формирование структуры; на завершение переходного процесса от начала функционирования структуры до выхода её на заданное качество управления.

В последнем есть одна особенность: если структуры суперсистемы обладают способностью в процессе накопления информации повышать свой квалификационный уровень, то вновь созданная структура вероятнее всего будет обладать наинизшим квалификационным уровнем. Если она повторяет архитектуру ранее созданной структуры аналогичного назначения, то она, скорее всего, проиграет по быстродействию в переходном процессе, так как быстродействие элементов участвует в определении их квалификационного уровня. Кроме того, потери времени на ликвидацию структур, завершивших своё функционирование, ложатся бременем на всю суперсистему. Это бремя особенно возрастает, если в силу разных причин частные цели структур в их векторах целей получают более высокие приоритеты, чем цели объемлющих их, иерархически высших структур суперсистемы, или если цели высших структур выпадают из векторов целей частных структур. В этом случае ликвидируемая структура может начать оказывать сопротивление ликвидации. Это частный случай явления, которое можно назвать инверсией приоритетов целей частных структур по отношению к более высоким в иерархии структурам, обслуживающим более высокие приоритеты в векторе целей суперсистемы в целом. Инверсия и другие ошибки в определении приоритетов целей могут стать причиной потери устойчивого управления суперсистемой в целом.

——

Разные схемы (не способы) управления обеспечивают для одних и тех же объектов в одних и тех же условиях различную гибкость реагирования на возмущающие воздействия и различный максимально достижимый уровень качества управления: т. е. меру максимально возможного вектора ошибки. И в одних и тех же условиях обладают разными запасами устойчивости и производительности в отношении вектора целей.

Программное управление. Обратные связи после начала процесса управления в замкнутой системе отсутствуют. Управляющий сигнал является функцией времени. Учёт влияния всех возмущающих и управляющих воздействий производится на стадии проектирования и создания объекта и (или) системы управления. Величина максимально возможного вектора ошибки является функцией степени соответствия программы РЕАЛЬНЫМ условиям её реализации. Реакция системы на возмущения крайне негибкая.

Программно-адаптивное управление. Обратные связи в системе есть. Управляющий сигнал является функцией реальных параметров окружающей среды и замкнутой системы, информация о которых поступает по цепям обратных связей. Но в то же время управляющий сигнал является и однозначной функцией программы (закона управления) в том смысле, что одинаковой информации, поступающей по цепям обратных связей, всегда соответствует один и тот же управляющий сигнал. Реакция системы на возмущения более гибкая.

Программно-адаптивное управление имеет свойство неограниченно накапливать с течением времени ошибку рассогласования по управляемому параметру, если нет возможности измерять непосредственно в процессе управления его величину. Тогда вместо измеренного значения управляемой величины используется КОСВЕННАЯ оценка на основе её производных, интегральных и иным образом информационно с нею связанных параметров, которые измеряются непосредственно. Причина — накопление ошибок измерения и преобразования измеренных величин в процессе оценки необходимой характеристики.

Потребность уменьшить вектор ошибки управления приводит к схеме управления «ПРЕДИКТОР-КОРРЕКТОР» — предсказатель-поправщик.
Управление по схеме предиктор-корректор. Сутью её является непрерывное прогнозирование поведения замкнутой системы в процессе управления на основе информации о текущем и прошлом состояниях замкнутой системы и воздействии на неё среды. ПРОГНОЗНАЯ ИНФОРМАЦИЯ подаётся на вход программно-адаптивного модуля системы управления. Вследствие этого система управления реагирует не на уже свершившиеся изменения в поведении замкнутой системы, а на те, которые только имеют тенденцию к реализации (в случае, если прогнозирование достаточно точно). Если программно-адаптивное управление по текущим параметрам замыкает прямые и обратные связи через свершившееся ПРОШЛОЕ, то в схеме предиктор-корректор часть прямых и обратных связей замыкается через прогнозируемое БУДУЩЕЕ. Информация о свершившемся прошлом в схеме предиктор-корректор используется как основа для минимизации в процессе управления составляющей вектора ошибки, обусловленной накоплением с течением времени в процессе управления ошибок прогнозирования.
При условии достаточно высокой точности прогноза схема предиктор-корректор обеспечивает наиболее высокое качество управления, сводя в ряде случаев до нуля (при необходимости — до отрицательных величин) фазовый сдвиг между возмущающим воздействием и управляющим воздействием, обеспечивающим компенсацию возмущения с необходимым уровнем качества управления. Это позволяет использовать ресурсы замкнутой системы, которые невозможно использовать при других схемах управления, на повышение запаса устойчивости управления или производительности замкнутой системы в отношении вектора целей управления.

——

Все эти схемы управления могут встречаться в суперсистеме в разных сочетаниях: в её элементах, постоянных и временных структурах всех видов и в управлении суперсистемой в целом.

——

Остаётся только вопрос о том, что приводит всё в движение. Этот фактор можно назвать принципом полноты и целостности Вселенной, утверждающим, что Вселенная содержит в себе всё необходимое для исполнения всего её цикла существования. Высказан он был ещё в Ведах, но содержательная сторона его вряд ли может быть раскрыта без выхода за пределы этой вселенной.

——

Интеллект — частное проявление общеприродных процессов детерминированного и вероятностного откликов структуры (суперсистемы в процессе отображения). Интеллект — процесс.

——

Вторую часть конспекта Д.О.Т.У. (теория суперсистем) смотрите здесь.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *