Устойчивость в смысле предсказуемости

Как было сказано ранее, объективной основой управления является субъективная способность управленца предвидеть поведение объекта управления под воздействием: внешней среды, собственных изменений объекта, управления. Это приводит к понятию:

Устойчивость в смысле предсказуемости поведения объекта (процесса) в определённой мере под воздействием: внешней среды, собственных изменений объекта (процесса), управления.

Как объективное явление — это свойство объекта управления (реального или потенциального) в восприятии субъектом-управ­ленцем (или претендентом в управленцы) самого́ объекта и его взаимоотношений со средой.

Т.е. в явлении «устойчивость в смысле предсказуемости» сливаются воедино и объективность бытия объекта управления (либо объективная возможность осуществления проекта), и субъективизм его восприятия конкретным индивидом. Как понятие это — ключевое понятие теории и практики управления.

Однако прежде, чем обсуждать эту специфическую разновидность устойчивости, необходимо рассмотреть сложившееся понимание устойчивости как объективного явления. В большинстве случаев в науке устойчивость определяется как способность объекта (процесса), на который оказывается возмущающее воздействие, выводящее его из некоего режима, в котором контрольные параметры объекта (процесса) неизменны, — после снятия этого воздействия — возвращаться к тому режиму, в котором он пребывал до оказания на него возмущающего воздействия. Устойчивость в таком понимании может охватывать полный перечень контрольных параметров, которыми характеризуется поведение объекта, но может охватывать только некоторую выборку из полного перечня. Это определение распространяется практически на все явления безотносительно к природе самих явлений.

Данному определению явления устойчивости сопутствует понятие «запас устойчивости». Оно основывается на том, что при превышении возмущающим воздействием некоторой величины, объект, устойчивый в указанном смысле при меньших значениях возмущающего воздействия, может утрачивать это свойство. Но запас устойчивости в каждом конкретном случае выражается своеобразно, и в каждом конкретном случае параметр, определяемый термином «запас устойчивости», должен быть метрологически состоятельным.

Примеры:

· Устойчивость — неустойчивость:

Ø Сложенный из листа бумаги самолётик-стрела — аэродинамически устойчив (т.е. сам возвращается к углам своей ориентации относительно вектора скорости набегающего потока воздуха), благодаря чему летит, в общем-то, по предсказуемой гладкой траектории: при некоторой сноровке им можно попасть в заранее намеченное место.

Ø Листья деревьев имеют иную форму и, опадая осенью с ветвей, иначе обтекаются потоком воздуха, летят по криволинейной ломано-прерывистой траектории и падают в непредсказуемое место (это хорошо видно в безветренное время).

· Запас устойчивости:

Ø Бумажный самолётик-стрела, если его просто уронить, — вне зависимости от своей ориентации по отношению к вертикали — под воздействием возникающих на его поверхности аэродинамических сил прекращает падение, подобное падению листа, и начинает планировать — главное, чтобы хватило начальной высоты. Т.е. он аэродинамически устойчив во всём диапазоне возможных отклонений от режима устойчивого планирования, и, с оговоркой о начальном запасе высоты, его запас аэродинамической устойчивости неограничен.

В отличие от бумажного самолётика-стрелы, история авиации знает примеры реальных самолётов, аэродинамические компоновки которых оказывались таковы, что, если в полёте угол атаки[252] (или крена) превысит некоторое критическое значение, то самолёт начнёт падать почти так, как падает осенний лист (это явление называется в авиации «плоский штопор»[253]).

Критический угол атаки, по превышении которого самолёт сваливается в плоский штопор либо в пикирование, для выхода из которых требуется управление[254], — одна из возможных мер запаса устойчивости режима нормального полёта.

Ø При опрокидывании предмета, стоящего на твёрдой поверхности (например, табуретки), он теряет устойчивость, когда момент сил (тяжести и равнодействующей реакций опоры) изменяет свой знак, после чего момент названных сил начинает способствовать дальнейшему опрокидыванию предмета даже в случае исчезновения накренившей предмет силы. Одна из возможных мер запаса устойчивости в этом случае — механическая работа, которую необходимо совершить для того, чтобы привести предмет в положение, в котором момент сил тяжести и равнодействующей реакций опоры изменяет свой знак.

Однако в теории и практике управления применимость приведённого выше определения устойчивости носит ограниченный характер. Дело в том, что в жизни встречаются объекты и процессы, которые сами по себе свойством устойчивости не обладают (т.е. обладают нулевым запасом устойчивости); либо их запас устойчивости настолько близок к нулю, что в практических задачах его можно считать нулевым, а сами объекты (процессы) — неустойчивыми, но при этом:

Организация соответствующего управления может придать устойчивость течению процессов, которые без управления (или при несоответствующем управлении) оказываются неустойчивыми.

Наиболее широко известным примером такого рода организации соответствующего управления, придающего устойчивость заведомо неустойчивому процессу, является вся история конструирования и строительства вертолётов одновинтовой схемы[255]. Хотя практически все видели такие вертолёты хотя бы в кино, но большинство не задумывается и не знает, что обеспечивает возможность полёта такого вертолёта.

Дело в том, что, если вращающийся винт перемещается в направлении, перпендикулярном оси своего вращения, то воздушный поток с разными скоростями набегает на лопасти винта. Вследствие этого на лопастях винта (если углы атаки лопастей одинаковые) возникают разные по величине аэродинамические силы, которые порождают кренящий момент. По этой причине вертолёт с таким несущим винтом во время полёта обречён завалиться на один из бортов и после этого, потеряв подъёмную силу, «упасть камнем»; практически же он вообще оказался бы не способен взлететь. В терминах теории управления это означает, что желательный режим функционирования устройства объективно неустойчив.

Для того чтобы вертолёт одновинтовой схемы мог летать, требуется обнулить кренящий момент. Наиболее эффективный способ достичь этого — изменять угол атаки лопастей несущего винта в процессе его вращения так, чтобы лопасть, перемещающаяся в направлении полёта, имела меньший угол атаки, нежели лопасть, перемещающаяся в направлении, обратном направлению полёта: в этом случае там, где скорость набегающего на лопасть потока выше, — угол атаки лопасти меньше и возникает подъёмная сила меньшей величины; а там, где скорость набегающего на лопасть потока ниже, — угол атаки лопасти больше и возникает подъёмная сила большей величины; вследствие этого при определённом соотношении углов атаки при прохождении лопастями несущего винта разных секторов ометаемого ими круга — можно управлять величиной кренящего момента и направлением его действия (последнее позволяет вертолёту лететь вперёд или боком, зависать на месте и т.п.).

Задача управления углами атаки лопастей при вращении несущего винта вертолёта была решена инженером Борисом Николаевичем Юрьевым (1889 — 1957). В 1911 г. он опубликовал статью, в которой описал схему одновинтового вертолёта с рулевым винтом и автоматом перекоса лопастей несущего винта. Изобретение им «автомата перекоса» — устройства, обеспечивающего управление изменением угла атаки лопастей несущего винта при его вращении, — открыло пути к тому, что вертолёт одновинтовой схемы с управляющим винтом на хвостовой балке стал реальностью. И ныне именно эта схема вертолёта получила наиболее широкое распространение благодаря своей простоте, надёжности и превосходству по весовой отдаче[256] в сопоставлении её с другими схемами.

Есть и другие примеры, когда организация соответствующего управления придаёт устойчивость процессу, объективно неустойчивому в отсутствии управления или неустойчивому при не соответствующем управлении.

Приведённый пример показывает, что явление «устойчивость» в традиционном понимании этого термина — частный случай более общего явления: устойчивости в смысле предсказуемости поведения объекта в определённой мере под воздействием внешней среды, собственных изменений объекта, управления, — поскольку в основе организации такого рода соответствующего управления неустойчивыми процессами (объектами) лежит именно решение задачи о предсказуемости поведения объекта в указанном смысле.

Этот термин, определяющий явление «устойчивость в смысле предсказуемости…», многословен, однако в нём нет «лишних слов».

Примеры к пониманию разных аспектов этого явления во множестве даёт авиация:

· Так посадка самолёта на аэродром с полосой длиной 2 километра и шириной 100 метров в безветрие при ясной видимости — это одни требования к квалификации лётчика; а посадка того же самолёта при сильном боковом порывистом ветре, на тот же аэродром ночью в ливень или в снегопад — требования к квалификации лётчика совсем иного порядка.

Это пример субъективной обусловленности явления устойчивости по предсказуемости квалификацией лётчиков.

Но он же — пример обусловленности явления устойчивости по предсказуемости самим объектом, поскольку разные типы самолётов по-разному чувствительны к погодным условиям при выполнении взлёта и посадки и обладают разными характеристиками управляемости, по какой причине каждый тип самолёта требует переподготовки в общем-то квалифицированных лётчиков.

· Полёты на рекордную дальность в 1920 — 1930‑е гг. — пример обусловленности устойчивости по предсказуемости вне­ш­ней средой. Их результаты во многом были обусловлены погодой, поскольку, если ветер попутный, то экономия топлива — можно улететь дальше. Но если вместо ожидаемых по прогнозу благоприятных для установления рекорда погодных условий возникает встречный шторм (а скорость ветра в нём того же порядка, что и скорости самолётов тех лет) и плюс к нему обледенение, то повышенный расход топлива неизбежен, — может не состояться не только рекорд, но возможно, что придётся сажать самолёт «на брюхо» в поле, на лес или в море.

Однако если полёт — обычный полёт в системе функционирования воздушного транспорта, то точность всевозможных прогнозов погоды может быть существенно ниже, поскольку дальность перелёта задаётся гарантированно в пределах запаса топлива с учётом возможностей повышенного расхода топлива при встречном ветре, необходимости ухода на запасной аэродром, ожидания в воздухе очереди на посадку и т.п.

Но это — пример не только обусловленности устойчивости по предсказуемости внешней средой, но и обусловленности определённой меры точности прогноза самой задачей: полёт на рекордную дальность либо обычный полёт в пределах развитой аэродромной сети требуют разной точности прогнозов погоды.

· Самолёт управляем на основе того, что его поведение предсказуемо для лётчика. Зимой 1941 г. в период битвы за Москву стояли очень сильные морозы. В это время имела место серия катастроф советских бомбардировщиков СБ. Все эти катастрофы произошли по одному сценарию: самолёты с полной бомбовой нагрузкой (безопасность подъёма которой была установлена и на испытаниях, и в ходе эксплуатации на протяжении 7 лет) рано утром уходили на старт, разбегались, отрывались от земли и, набрав не более 50 метров высоты, падали камнем. Спустя несколько часов, днём такие же самолёты с аналогичной бомбовой нагрузкой благополучно взлетали и уходили на задания точно так же, как и самолёты, вылетавшие утром, но с других аэродромов.

Анализ обстоятельств катастроф показал, что все погибшие самолёты базировались на полевые аэродромы и в период ночного понижения температуры покрывались так называемым игольчатым инеем (в нём кристаллики льда стоят перпендикулярно поверхности, на которой выпал иней). Перед вылетами иней с самолётов никто не счищал…

После выяснения этого обстоятельства в Центральном аэрогидродинамическом институте были проведены продувки в аэродинамических трубах, которые показали, что иголочки инея настолько ухудшали аэродинамическое качество[257] самолёта, что по выходе из зоны, в которой влияния поверхности земли увеличивало подъёмную силу[258], подъёмная сила резко уменьшалась и оказывалась недостаточной для того, чтобы самолёт мог держаться в воздухе.

Это — пример потери устойчивости по предсказуемости поведения самим объектом управления, хотя и вызванной последствиями воздействия на него внешней среды. Упоминавшаяся ранее гибель первого советского реактивного самолёта Би‑1 — тоже результат потери устойчивости в смысле предсказуемости поведения вследствие особенностей конструкции Би-1, общего уровня развития аэродинамики в те годы и неадекватности организации работ по проектированию принципиально новой техники.

Практика — критерий истины, и в данном случае:

Объекты (процессы) управляемы только в том диапазоне параметров, характеризующих объективность объекта и среды и субъективизм управленца, в котором объекты (процессы) устойчивы в определённой мере по предсказуемости своего поведения под воздействием: внешней среды, собственных изменений, управления.

Управляемость — свойство объекта управления (замкнутой системы), его способность быть управляемым. В практике управления управляемость характеризуется показателями реакции объекта (замкнутой системы) на возмущающие воздействия среды, на внутренние изменения, на управление. Понятно, что все показатели должны быть метрологически состоятельны, а перечень характеристик управляемости — всегда конкретика.

В основе управляемости лежит решение задачи о предсказуемости поведения объекта (процесса) в определённой мере под воздействием: внешней среды, собственных изменений объекта (процесса), управления. Это касается как природных, так и искусственных объектов (процессов).

После того, как дано представление об устойчивости в смысле предсказуемости поведения объекта, можно дать ещё одно определение полной функции управления: полная функция управления представляет собой решение задачи об устойчивости в смысле предсказуемости поведение объекта под воздействием внешней среды, внутренних изменений и управления, осуществляемое сначала в психике субъекта-управленца, а потом — практически.

6.5. Вектора:
целей, состояния, ошибки управления, их соотношение

Для осознанной постановки и решения каждой из названных ранее или обеих задач теории управления совместно (когда одна сопутствует другой или они некоторым образом взаимно проникают друг в друга) необходимы три набора информации: вектор целей, вектор состояния, вектор ошибки управления.

Вектор[259] целей управления (а равно — самоуправления, где не оговорено отличие), представляющий собой описание идеального режима функционирования (поведения) объекта (процесса).

Вектор целей управления строится по субъективному произволу как иерархически упорядоченное множество частных целей управления, которые должны быть осуществлены в случае идеального (безоши­боч­ного) управления. Порядок следования частных целей в нём — обратный порядку последовательного вынужденного отказа от каждой из них в случае невозможности осуществления полной совокупности целей. Соответственно на первом приоритете вектора целей стоит самая важная цель, на последнем — самая незначительная, отказ от которой допустим первым.

Образно говоря, вектор целей — это список, перечень того, чего желаем, с номерами, назначенными в порядке, обратном порядку вынужденного отказа от осуществления каждого из этих желаний. Если несколько целей представляются равнозначными, то они в совокупности образуют интегральную цель на соответствующем приоритете вектора целей.

Одна и та же совокупность целей, подчинённых разным иерархиям приоритетов (разным порядкам значимости для управленца), образует разные вектора целей, что ведёт и к возможному различию в управлении, в том числе и вследствие возникновения различий в построении критериев оптимальности управления и расчёте их значений.

Дефективность вектора целей может быть возможной причиной низкого качества управления (вплоть до полной потери управления). Основные типы дефектов вектора целей приведены ниже:

· выпадение из вектора некоторых целей, объективно необходимых для управления процессом;

· выпадением всего вектора или каких-то его фрагментов из объективной матрицы возможных состояний объекта;

· наличие в нём целей, объективно и субъективно взаимно исключающих друг друга;

· наличие целей, неустойчивых в процессе управления (способных исчезать в процессе управления или утрачивать актуальность);

· ошибки в иерархической упорядоченности целей в составе вектора:

Ø ошибочное задание приоритетов целей, в результате чего цели, приоритеты которых для успешного решения задачи управления должны быть ниже, обладают более высокими приоритетами, чем действительно значимые цели (один из вариантов — привязка низкоприоритетных по их существу целей к высокоприоритетным, в результате чего приоритеты каких-то целей могут быть занижены, а каких-то завышены, и на каком-то из приоритетов вектора целей образуется дефективная интегральная цель);

Ø наличие нескольких экземпляров одних и тех же целей на разных приоритетах;

Ø «закольцованность» иерархии значимости целей (либо её фрагментов)[260].

Вектор целей управления может изменяться в процессе управления, будучи функцией времени (в обыденном понимании этого явления) либо функцией матрицы возможностей течения процесса управления (объективной меры бытия, как составляющей триединства материи-ин­фор­мации-меры) и субъективно избранной алгоритмики управления процессом. В этом случае вектор целей, строго говоря, не является «вектором» в математическом понимании этого термина, поскольку представляет собой множество векторов, характеризующих разные этапы процесса управления, упорядоченное в соответствии 1) с матрицей возможностей и 2) раз­­вет­вле­ниями алгоритмики управления процессом. Эта тема поясняется далее в комментариях к рис. 6.13-4 (в разделе 6.13). Памятуя об этом несоответствии терминологии ДОТУ нормам математики, мы, тем не менее, распространим и на этот случай употребление термина «вектор целей управления».

————————

В некоторых версиях теории управления по отношению к этому случаю употребляется термин «дерево целей», что подразумевает наличие преемственной последовательности целей, которая может разветвляться в процессе управления, и которые должны быть осуществлены в ходе реального управления на разных этапах процесса. Однако и вариант с «деревом целей» не отвечает требованию универсальности терминологии, поскольку, как показывает практика применения аппарата сетевого планирования, процесс управления может не только разветвляться, но и разного рода частные процессы управления могут сливаться воедино по достижении каких-то общих промежуточных для них целей. В этом случае можно было бы именовать совокупность целей термином «сеть целей», однако он интуитивно непонятен. Поэтому мы отдаём предпочтение расширительному толкованию термина «вектор целей управления», включая в него и тот случай, когда вектор целей может изменяться в процессе управления, будучи функцией времени либо функцией матрицы возможностей течения процесса управления и субъективно избранной алгоритмики управления процессом.

————————

Рис. 6.5-1. Структурирование информации,
характеризующей процесс управления

Вектор (текущего) состояния имеет более сложную структуру, нежели вектор целей. Первый его блок — блок контрольных параметров, который вбирает в себя информацию, характеризующую реальное поведение объекта по параметрам, входящим в вектор целей.

Каждый из контрольных параметров в этом блоке может быть представлен в виде суммы трёх составляющих: первая характеризует «полезную отдачу» замкнутой системы (процесса управления), вторая представляет собой «собственные шумы» замкнутой системы, а третья — помехи, наводимые в ней извне. Собственные шумы системы и помехи, наводимые в ней извне, так или иначе снижают качество управления и потому их можно выделить в отдельные компоненты вектора текущего состояния, что породит соответствующие им компоненты в составе вектора целей. такой подход потребует и соответствующих управленческих мер, направленных на снижение уровней собственных шумов и помех в контрольных параметрах.

Либо при другом подходе к структурированию информации собственные шумы и помехи могут быть перенесены в правую часть уравнения на схеме рис. 6.5-1 — в состав вектора ошибки управления.

Названные два вектора (це­лей и состояния) образуют взаимосвязанную пару, в которой каждый из этих двух векторов представляет собой упорядоченное множество информационных модулей, описывающих те или иные параметры объекта, определённо соответствующие частным целям управления. Упорядоченность информационных модулей в векторе состояния повторяет иерархию вектора целей. Образно говоря, вектор состояния это — список, как и первый, но того, что воспринимается в качестве состояния объекта уп­ра­­вления, реально имеющего место в действительности.

В подавляющем большинстве случаев непосредственное воздействие на параметры, входящие в вектор целей управления, оказывается невозможным. Именно это обстоятельство и вызывает потребность в организации управления путём решения задачи об устойчивости в смысле предсказуемости поведения и выявления параметров, на которые возможно оказать непосредственное воздействие, следствием которого будет желательное изменение контрольных параметров, входящих в вектор целей.

Реализация такого подхода (в подавляющем большинстве случаев неизбежного) приводит к тому, что размерность вектора состояния больше, чем размерность вектора целей за счёт включения в него параметров, связанных в матрице возможных состояний с параметрами, включёнными в вектор целей. Эти дополнительные параметры можно разделить на две группы:

· В первую входят параметры, которые поддаются непосредственному изменению. Из их перечня выбираются параметры, на которые в процессе управления будет оказываться управляющее воздействие. Это — непосредственно управляемые параметры, изменение которых влечёт за собой изменение параметров, включённых в вектор целей. Эти параметры образуют вектор управляющего воздействия. В ряде случаев непосредственно управляемые параметры могут входить в состав вектора целей (например, на кораблях при больших скоростях хода, чтобы предотвратить недопустимый крен в процессе поворота, а то и опрокидывание корабля, могут налагаться ограничения на угол перекладки руля, который в задачах управления маневрированием, в отличие от угла курса, скорости хода, координат, обычно не входит в перечень контрольных параметров).

· Во вторую группу входят так называемые «свободные параметры», любые возможные значения которых в процессе управления признаются допустимыми (если бы на них накладывались какие-либо ограничения, то они с этими ограничениями вошли бы в вектор целей).

Поскольку восприятие субъектом состояния объекта не идеально (во-первых, в силу искажения информации, исходящей от объекта, «шумами» среды, через которую проходят информационные потоки; во-вторых, оно носит характер, обусловленный особенностями субъекта в восприятии и переработке информации), вектор состояния всегда содержит в себе некоторую ошибку в определении истинного состояния, которой соответствует некоторая объективная неопределённость для субъекта управленца. Неопределённость объективна, т.е. в принципе не может быть устранена усилиями субъекта. Другое дело, что объективная неопределённость может быть как допустимой, так и недопустимой для осуществления целей конкретного процесса управления.

Вектор ошибки управления представляет собой «разность» (в кавычках потому, что разность не обязате­льно привычная алгебраическая): «вектор целей» - «вектор состояния». В него могут входить как измеримые отклонения вектора состояния от вектора целей, так и оценки (как это показано на схеме рис. 6.5-1), необходимость в которых может возникать вследствие того, что вектор текущего состояния включает в себя некоторую неопределённость. Вектор ошибки управления описывает отклонение реального процесса от предписанного вектором целей идеального ре­жима и также несёт в себе некоторую неопределённость, унаследованную им от вектора состояния. Образно говоря, вектор ошибки упра­вления это — перечень неудовлетворённых желаний соответственно перечню век­тора целей с какими-то измерениями или оценками степени неудовлетворённости каждого из них. Оценки могут быть построены на основе соизмеримых друг с другом численно уровней, либо численно несоизмеримых уровней, но упорядоченных ступенчато дискретными целочисленными индексами предпочтительности каждого из уровней в сопоставлении его со всеми прочими уровнями.

Помимо исходного различия вектора целей и вектора состояния в момент начала управления источниками ошибок управления реально являются: 1) ал­го­рит­мика выработки управляющего воздействия системой управления, которая в принципе не может гарантировать идеального управления с нулевыми компонентами вектора ошибки, 2) собственные шумы в замкнутой системе[261], 3) помехи извне, включающие в себя воздействие среды, а также и целенаправленные попытки перехвата управления со стороны иных субъектов.

Структура и соотношение информации, входящей в перечисленные вектора, характеризующие процесс управления, показаны на схеме рис. 6.5-1, приведённой выше.

Задача управления в своём существе — достичь целей, а равно — обнулить вектор ошибки управления.

Реально вектор ошибки не может быть сделан идеально нулевым как вследствие объективных причин, так и вследствие разного рода неточностей и запаздываний в процессе управления, которые обусловлены субъективными причинами в ходе организации управления. Соответственно этому обстоятельству реальное упра­в­ление может протекать в одном из трёх режимов:

· Нормальное управление — в нём реально ненулевые значения компонент вектора ошибки управления оцениваются как вполне приемлемые (они могут при этом находиться в пределах погрешности измерений — в этом случае достигаются значения так называемого «технического нуля» либо могут считаться приближённо равными нулю[262]).

· Допустимое управление — в нём реально ненулевые значения компонент вектора ошибки находятся в пределах, признаваемых допустимыми, но допустимое управление по своим характеристикам хуже, чем нормальное.

· Аварийное управление — в нём те или иные компоненты вектора ошибки выходят за допустимые пределы, но катастрофа управления (необратимая потеря управления, повреждения, разрушение объекта управления или нанесение им ущерба элементам внешней среды) ещё не наступила. В режиме аварийного управления главной целью управления становится возвращение объекта хотя бы в режим допустимого управления.

Аварийное управление — один из тех случаев, в которых иерархическая упорядоченность компонент вектора целей и его состав могут изменяться в процессе управления, что влечёт за собой изменение и всей структуры информации в задаче управления.

Разграничение нормального и допустимого управления носит либо субъективно обусловленный характер, либо диктуется самой задачей управления.

Также надо понимать, что в силу субъективизма управленцев, формула взаимосвязи трёх названных векторов, приведённая на схеме рис. 6.5-1 («вектор целей» - «вектор состояния» = «вектор ошибки управления»), допускает обмен местами в ней «вектора целей» и «вектора ошибки управления»: т.е. возможны ситуации, в которых вектор состояния, который с точки зрения одного субъекта-управленца — ошибка управления, для другого — успешно достигнутая цель.