Структурный и бесструктурный способы управления
В процессе управления замкнутая система и её часть — система управления — образуют структуру, подчинённую вектору целей (обусловленную им) и несущую концепцию управления и составляющие её целевые функции. Качество управления обеспечивается при этом двумя факторами:
· архитектурой структуры, т.е. функциональной нагрузкой её элементов (включая каналы информационного обмена) и упорядоченностью (организацией, иерархией) элементов в структуре;
· характеристиками работоспособности, функциональной пригодностью самих элементов, входящих в структуру, для осуществления возлагаемых на них функций (своего рода «квалификационным» уровнем элементов).
Ошибки в построении структуры, вызывающие её общее несоответствие вектору целей и множеству допустимых векторов ошибки, могут свести практически на нет высокую функциональную пригодность элементов структуры; поэтому при функционально пригодных (хороших в этом смысле) элементах, образующих структуру, вектор ошибки управления тем не менее, будет вне допустимых пределов.
Если при этом структура создаётся до начала процесса управления, и её архитектура и элементная база не изменяются в его ходе, то характеристики вектора ошибки управления определяются прежде всего соответствием архитектуры структуры вектору целей и множеству допустимых векторов ошибки управления: это даёт основание к тому, чтобы такой способ управления назвать структурным.
При управлении структурным способом происходит адресное распространение функционально ориентированной информации по элементам структуры, неизменной в процессе управления. Примеры структурного управления в технике: управление самолётом при помощи автопилота, представляющего собой структуру разнородных элементов; командный состав любой воинской части, административный состав любого завода, института и т.п. также представляют собой структуру.
Бесструктурное управление возможно всуперсистемах, состоящих из множества аналогичных в некотором смысле друг другу элементов. Элемент суперсистемы, рассматриваемый сам по себе, может оказаться системой или также суперсистемой. Поэтому для краткости для указания на систему, объемлющую множество вложенных в неё элементов-систем, избран термин «суперсистема». Каждый из элементов суперсистемы обладает способностью запоминать проходящую через него информацию вероятностным образом и также вероятностным образом передавать информацию другим элементам, входящим в это множество; то есть во множестве могут протекать процессы прямого и обратного отображения. Поведение же элементов этого множества определяется их внутренним информационно-алгоритмическим состоянием. В совокупности это означает, что:
1. Все элементы самоуправляемы на основе информации их памяти.
2. Каждым из них можно управлять извне, поскольку они могут принимать информацию в память (по 1).
3. Они могут управлять другими элементами (по 1, 2), поскольку могут выдавать информацию из памяти другим элементам множества.
Циркулярное распространение информации (т.е. одна и та же информация проходит через множество элементов), подчинённое некоторым статистическим характеристикам и разного рода оценкам возможного течения событий, несёт в себе вероятностную предопределённость изменения информационного состояния памяти элементов множества. Вероятностно предопределённое изменение состояния памяти элементов ведёт к изменению статистических характеристик их самоуправления. Если распространение информации в этом множестве и его последствия обладают устойчивой предсказуемостью в статистическом смысле (то есть порождает предсказуемую статистику явлений), то возможно бесструктурное управление этим множеством, а также и его бесструктурное самоуправление. В таком множестве элементов, обладающих различным информационным состоянием их памяти, подчинённым статистическим закономерностям, существует вероятностная предопределённость и вероятность того, что циркулярное безадресное прохождение в среде информационного модуля определённого содержания приведет к тому, что элементы множества на основе самоуправления сложатся в одну или более структур, ориентированных на некий, соответствующий указанному информационному модулю вектор целей в течение вполне приемлемого интервала времени, а вектор ошибки в возникшем процессе управления не выйдет за допустимые пределы.
Другими словами: при бесструктурном управлении множество более или менее аналогичных один другому элементов вероятностно предопределённо порождает из себя замкнутые системы, отвечающие заданному вектору целей и множеству допустимых векторов ошибки.
Главное отличие бесструктурного управления от структурного: структура формируется не директивно-адресно до начала процесса управления, а возникает управляемо и вероятностно предопределённо в ходе процесса управления на основе преимущественно безадресного циркулярного распространения информации. Поэтому множество элементов, в котором протекает процесс бесструктурного управления, само является замкнутой системой[31] иерархически упорядоченных контуров прямых и обратных связей, архитектура которой меняется в ходе процесса управления. Также это множество элементов является средой, порождающей из себя структуры в процессе её самоуправления.
Бесструктурное управление в его существе — управление статистическими характеристиками множественных (массовых) явлений на основе господствующих над множеством элементов вероятностных предопределённостей хранения, распространения и переработки информации и их оценок на основе чувства меры и статистических моделей. Совместное управление структурным и бесструктурным способом мы рассмотрим далее.
Яркий пример бесструктурного управления — автобус без кондуктора с кассами. Цель управления: распространение билетов, взимание платы за проезд, оповещение об остановках. Всё это ложится на плечи пассажиров, поскольку в большинстве случаев трансляция в автобусах не работает, кроме того, водителю просто не следует отвлекаться от управления машиной: продавать билеты и объявлять остановки — помеха его работе. Концепция управления включает в себя: приём денег, их размен, выдачу сдачи, вручение билетов, контроль за тем, чтобы не было безбилетников «зайцев», и консультации пассажиров о том, где им надо выйти. Она же — обязанности кондуктора; их исполняет вся совокупность пассажиров автобуса, на основе информации их памяти. Этот пример показывает, что одна и та же цель управления может быть осуществлена структурным (кондуктор, хоть и один, но всё же структура) и бесструктурным способом. Здесь же виден и субъективизм в оценках качества управления, достигаемых при каждом из способов. Если вы хотите, чтобы максимальный процент пассажиров ехал с билетами и никто не ошибся в остановке, то кондуктор лучше. Если вас интересует доход с автохозяйства, то в случае, когда экономия на зарплате сокращенных кондукторов компенсирует убытки, возникшие из-за дополнительных «зайцев» и расширения штата контролеров, — лучше ездить с кассами без кондуктора на принципе самообслуживания пассажиров.
Если же вы смотрите на всю систему общественного городского транспорта с точки зрения хозяина[32] государства-суперконцерна, то печатать и распространять билеты — вредная растрата какой-то части общественного фонда рабочего времени и природных ресурсов, поскольку отпечатанный и тут же выброшенный билет не удовлетворяет ни чьих личных потребностей ни в пище, ни в одежде, ни в жилье, ни в Знании — ни в чём, чего так не хватает людям, но зато при их производстве и распространении изводится рабочее время, лес, энергия, замусоривается среда обитания.
Устойчивость управления
Область изменения параметров среды (в том числе и частотный диапазон воздействий) и замкнутой системы, в которой замкнутая система (далее для краткости — объект[33]) устойчива в смысле предсказуемости поведения, — область потенциально устойчивого управления. Выход из неё ведёт к потере управления по непредсказуемости поведения. Примером такого рода является гибель Героя Советского Союза лётчика-испытателя Г.Я.Бахчиванджи на первом советском реактивном перехватчике БИ-1 в 1943 г. в результате изменения аэродинамических характеристик самолёта в полете на большой скорости, которое не выявили своевременно при испытаниях в аэродинамических трубах в ходе проектирования машины.
Величина области потенциально устойчивого управления определяется не только характеристиками самого объекта и окружающей среды, но и характеристиками системы управления им (субъективный фактор предсказуемости), что в ряде случаев позволяет обеспечить устойчивость течения процессов, объективно неустойчивых без управления, и (или) вызвать потерю устойчивости течения объективно устойчивых самих по себе процессов. В последнем случае объективная устойчивость и неустойчивость понимается в обычном смысле убывания отклонения возмущенного движения с течением времени после снятия действия возмущающего фактора.
Область потенциально устойчивого управления определяется в зависимости от привлекаемых к рассмотрению параметров. Так, если из рассмотрения исключить прочность корпуса, то область потенциально устойчивого управления подводной лодки — весь диапазон глубин океана. Но привлечение к рассмотрению характеристик прочности, ограничивает её глубинами нескольких сотен метров.
Внутри области потенциально устойчивого управления лежит область устойчивого (в обычном смысле) управления, ограниченная множеством допустимых векторов ошибки управления, — область допустимого управления.
Если формально пользоваться правилом трансформации вектора ошибки управления в оценку качества управления, то вследствие многомерности пространства параметров, в котором находится вектор, одному значению оценки качества управления могут соответствовать вектора ошибки как принадлежащие их допустимому множеству, так и находящиеся вне его. Поэтому внутри области потенциально устойчивого и допустимого управления можно выделить область, в которой использование принятого правила оценки качества управления не приводит к выходу за пределы области допустимого управления. Это область безусловно качественного управления.
Пример, иллюстрирующий соотношение границ областей. В прямоугольное отверстие на плоскости необходимо ввести манипулятор. Область потенциально устойчивого управления — часть пространства, в котором находится поверхность с отверстием в пределах досягаемости манипулятора. Зона допустимого управления — само прямоугольное отверстие. Вектор целей — радиус-вектор центра отверстия в избранной системе координат. Если оценка качества управления — расстояние от центра отверстия до внешней поверхности «руки» манипулятора, то зона безусловно качественного управления — круг, вписанный в прямоугольник. Область — кольцо между вписанным и описанным кругами — зона, где при одной и той же формальной оценке качества, управление может быть допустимым и недопустимым. Полное совмещение зон безусловно качественного и допустимого управления требует построения иного правила преобразования векторов ошибки в оценку качества управления. Поэтому, если обеспечивается устойчивое, безусловно качественное управление, то потеря управления в результате возмущающих воздействий — это последовательный переход из зоны безусловно качественного управления в зону допустимого управления и из неё в зону потенциально устойчивого управления и выход их неё.
Вектор ошибки управления возникает в результате двух причин:
· во-первых, сама устойчиво функционирующая замкнутая система представляет собой колебательную систему, поэтому даже в условиях заведомого отсутствия внешних возмущений она совершает колебания относительно вектора целей (вопрос только в том, позволяет ли постановка задачи управления пренебречь этими колебаниями, либо же нет);
· во-вторых, на замкнутую систему действуют внешние возмущения из окружающей среды, а в ней самой могут происходить какие-то внутренние изменения[34].
Есть понятие «запас устойчивости замкнутой системы», это — собственная характеристика замкнутой системы, построенная на основе какой-либо (их может быть несколько) меры возмущающего воздействия, превышение которой ведёт к выходу вектора ошибки управления за допустимые пределы или к гибели системы.
Схемы управления
Все замкнутые системы при структурном и бесструктурном управлении (и самоуправлении) строятся на основе одной из следующих схем управления[35] и (или) их сочетании в объемлющей замкнутой системе. 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. Будучи реализованы на одних и тех же объектах, они обеспечивают им разные запасы устойчивости управления. Схемы управления отличаются одна от другой распределением по компонентам замкнутой системы полной функции управления.
Структура, реализующая схему управления, может быть полностью размещена на объекте, либо какие-то её элементы могут быть размещены вне управляемого объекта по разным причинам. Частным случаем такого варианта является дистанционное управление, когда на объекте размещены преимущественно исполнительные элементы структуры, которые не жалко потерять или которые заведомо невозможно сохранить. Последнее часто имеет место по отношению к команде политиков, изображающих реальную власть, а также при употреблении роботов в опасной обстановке (хотя в толпо-“элитарном” обществе политики редко не представляют собой роботов — биороботов).
ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ
Внешние обратные связи после включения схемы в процесс управления в замкнутой системе отсутствуют: текущая информация о состоянии внешней среды и положении объекта в ней в системе управления не используется.
Управляющий сигнал является функцией времени и, возможно, информации, поступающей по каналам внутренних обратных связей. Учёт влияния на поведение объекта всех возмущающих воздействий производится на стадии проектирования и создания объекта и (или) системы управления им и программы управления. Уровень максимально возможного качества управления является функцией соответствия программы управления реальнымусловиям её реализации, поскольку замкнутая система не реагирует на реальное воздействие внешней среды. Гибкость поведения отсутствует.