Азовцева И.К.
Любая сфера деятельности в окружающей среде связана с необходимостью воздействия на различные объекты с целью приведения их в желаемое состояние.
Внешние воздействия на объект, направленные на изменение траектории его естественного движения для достижения определенной заданной цели, будем называть управлением объектом.
Управление объектами, различными по своей природе (социально-экономическими, техническими, биологическими), подразумевает использование концептуально общих принципов, включающих наличие информации о:
конечной цели управления;
начальных условиях функционирования объекта;
его внутренней структуре;
внешней среде.
Постановка цели управления (цели функционирования объекта) является отправной точкой для проектирования процесса управления и определяет критерии функционирования объекта. Если рассматривать произвольный процесс управления объектом любой природы, то становится очевиден следующий вывод. При отсутствии определенной заранее цели, проектирование процесса управления не имеет смысла.
Начальные условия описывают координаты состояния объекта с учетом конкретных значений его параметров в нулевой момент времени, выбранный для целей управления. в зависимости от целей могут быть выбраны различные временные интервалы и соответствующие значения координат.
Внутренняя структура отображает закономерности функционирования объекта. Это может быть функция, алгоритм или программа, описывающие объект.
Внешняя среда дает объективную характеристику окружающим условиям, параметрам и структуре внешних объектов, взаимодействующих в той или иной степени с данным объектом. Как можно более полное отображение внешней среды повышает вероятность совпадения предполагаемых и фактических последствий принятия решений в процессе управления.
Управление объектом включает:
проектирование плановой траектории его движения в соответствии с определенным критерием;
проектирование регулятора, корректирующего координаты объекта в соответствии с плановой траекторией.
Проектирование траектории движения объекта связано с решением следующих объективных задач. Во-первых, определение начальных координат движения объекта. Во-вторых, описание условий и параметров конечного состояния его функционирования (конечные координаты траектории движения). В-третьих, задание критерия качества объекта при одновременном выполнении условия попадания значения данного критерия в заданную область. Критерий качества определяет уровень приемлемости функционирования объекта в процессе его движения в заданной цели. Критерий качества может быть задан в виде условия достижения им экстремума некоторой функции либо попадания его в заданный интервал.
Решению задачи построения плановой траектории управляемого объекта посвящено огромное количество трудов ученых-математиков. Несмотря на это, рассмотрев подробно некоторые попытки использования результатов этих исследований, мы пришли к выводу, что математическая формализация данной проблемы не имеет практической значимости и не может применяться при проектировании методов воздействия на реальный объект управления. Обоснованность данного утверждения подтверждается тем фактом, что “любая попытка осуществить перевод объекта ... под действием управления ... из начального состояния (х0) в желаемое конечное (хк) упирается в принципиальную невозможность математически точного определения начальных условий х0 объекта” [4]. С подобной проблемой связана также необходимость формализации воздействия внешних возмущений на объект в процессе его функционирования. Таким образом, фактическое состояние объекта при движении его вдоль расчетной траектории будет отличаться от планового даже при наличии взаимооднозначности плановых и фактических управленческих воздействий.
Построение регулятора связано с понятием обратных связей. Функцией регулятора является решение задачи оптимизации функционирования объекта - гашение возмущающих внешних импульсов, возникающих при его движении вдоль плановой траектории в каждый момент времени. Работу регулятора можно описать следующей схемой.
Регулятор при помощи обратных связей идентифицирует координаты объекта в каждый момент времени t.
Сравнивая их с плановыми координатами, он делает вывод о необходимости дополнительного управляющего воздействия на объект.
В случае необходимости, в соответствии с заданным критерием качества регулятор формирует оптимальное управляющее воздействие.
Воздействует на объект с целью приближения его текущих координат к плановой траектории.
Однако на практике построение плановой траектории и регулятора часто оказывается недостаточным для эффективного управления объектом. Регулятор способствует решению лишь частной задачи управления – поддержание заданных законов изменения во времени параметров объекта. Невозможность точной математической формализации структуры объекта, погрешность измерений, отсутствие достоверной информации о начальных координатах, наличие непредсказуемых заранее дополнительных внешних воздействий, неопределенного характера помех, возникающих в процессе движения объекта вдоль плановой траектории, предопределяет необходимость реагирования управляющих воздействий на изменения параметров объекта и характеристик внешней среды. Такого рода адаптация (приспособление) происходит путем изменения структуры и параметров регулятора.
Адаптивной моделью системы управления объектом будем называть такую модель, в которой в результате изменения характеристики внутренних и внешних свойств объекта происходит соответствующее изменение структуры и параметров регулятора управления с целью обеспечения стабильности функционирования объекта.
Эффективность управления реальными объектами, как показывает практика, обычно имеет прямую зависимость от степени использования адаптивного механизма в процессе управления независимо от природы управляемого объекта.
Адаптацию в широком смысле понимают как приспособление системы к изменению условий [6]. Конкретизация определения адаптации связана с целями исследования и конструирования.
Адаптация в кибернетике – это накопление и использование информации для достижения оптимального в некотором смысле состояния или поведения системы при начальной неопределенности в изменяющихся внешних условиях [6]. Адаптивной считают систему, которая может приспосабливаться к изменениям внутренних и внешних условий [3]. Наряду с понятием адаптивной системы существует понятие управления с адаптацией (адаптивное управление), т.е. управление в системе с неполной априорной информацией об управляемом процессе, которое изменяется по мере накопления информации и применяется с целью улучшения качества работы системы. Такое значение термина “адаптация” сложилось в теории управления под влиянием технических приложений. В литературе существуют также, кроме указанных, другие определения адаптации и родственных ей понятий [2, 5, 7, 8, 9]. Сущность их заключается в следующем. Наши знания об объекте и среде, в которой он функционирует, неопределенны. Известна лишь принадлежность их к заданному классу. Кроме того, задана цель управления, от которой зависит желаемое поведение объекта. Необходимо найти алгоритм управления (адаптивный регулятор), обеспечивающий достижение цели за конечное время для любого объекта и условий его функционирования, принадлежащих заданному классу.
По [6] адаптивные системы функционируют в соответствии с определенными принципами.
1. Принцип необходимого разнообразия. Он утверждает, что разнообразие управляющей системы должно быть не меньше разнообразия объекта управления. В отличие от адаптивных, иные (“неадаптивные”) системы управления должны для поддержания способности управления объектом включать небольшое число объектов. Адаптивные системы подразумевают отсутствие определенного стационарного закона управления для элементов заданного класса. В процессе функционирования системы, чем больше проявляется ее разнообразие, тем в большей степени должны происходить изменение ее параметров и структуры.
2. Принцип дуального управления. Управляющие воздействия носят двойственный характер. С одной стороны, они призваны управлять объектом, с другой служат для изучения ее свойств и закономерностей для последующих управляющих воздействий. То есть, структура управляющих воздействий должна изменяться в соответствии с изменениями параметров системы объекта управления.
3. Принцип обратной связи. При помощи обратной связи происходит измерение характеристик управляемого объекта и вырабатываются реакции, выражающиеся в управляющих воздействиях.
Целью нашего исследования будет являться рассмотрение как класса объектов, имеющих экономико-социальную природу, связанных с функционированием экономико-социальных систем и проистекающих в них процессов.
Существенные особенности экономико-социальных систем не дают возможности использовать в полной мере схему и методы адаптивного управления, разработанные для технических систем.
Экономико-социальные системы характеризуются большим набором факторов, значительно усложняющих управление ими:
трудности при определении начальных координат системы, усугубляющиеся практической невозможностью их точного измерения;
отсутствие четкой структуры и периодичности процессов;
нерегулярность проявления свойств;
нерегулярность воздействия внешних факторов;
трудность четкого определения критерия функционирования;
определенная вероятность изменения заданной цели движения системы;
вероятностный характер параметров процессов;
отсутствие стационарности внутренних и внешних характеристик процессов.
Управление в экономико-социальных системах не может вестись по усредненным характеристикам, так как не дает должного эффекта: пока оно ведется, изменяются и сама система, и ее окружающая среда. Вследствие этого, математическая формализация процесса управления экономико-социальными системами ведет к построению модели, не являющиеся в достаточной степени адекватной реальной системе.