Определение объекта управления

Этот этап связан с выделением той части среды субъекта, состояние которой он может изменить и тем самым воздействовать на свои потребности. В ряде случаев, когда границы объекта очевидны, проблемы выделения объекта из среды не возникает. Это бывает, когда объект достаточно автономен (самолет, телефонная станция и т. д.). Однако в других случаях связи объекта со средой настолько сильны и разнообразны, что порой очень трудно понять, де кончается объект и начинается среда. Именно это и заставляет вводить специальный этап — определение объекта управления.

Объект должен быть в определенном смысле минимальным, т. е. иметь наименьший объем. Это необходимо с целью минимизации трудоемкости его изучения при синтезе модели. При этом существенным ограничением выступает достижимость множества целей управления {Z*} в рамках выделенного для этого ресурса R. Это означает, что для любого состояния среды X должно найтись управление U*Î R, с помощью которого можно добиться любой допустимой цели Z* Î {Z*}.

Структурный синтез модели

Последующие три этапа управления сложными системами связаны с решением задачи создания ее модели, которая нужна для синтеза управления U. Только с помощью модели объекта можно построить правление U*, переводящее объект в требуемое (целевое) состояние Z*.

Модель F, связывающая входы X и U c выходом Y, определяется структурой ST и параметрами C = {c₁, ..., c_k }, т. е. представима в виде двойки F = {ST, С}.

На этом этапе определяется структура ST, т. е. модель объекта с точностью до значений ее параметров С. Этап структурного синтеза включает определение внешней структуры модели, декомпозицию модели, определение внутренней структуры элементов модели.

Синтез внешней структуры сводится к содержательному определению входов Х и U, выхода Y без учета внутренней структуры объекта, т. е. объект рассматривается как некий «черный ящик» с n+ q входами и m выходами. Декомпозиция модели заключается в том, чтобы, воспользовавшись априорными сведениями о структуре объекта, упростить задачу синтеза структуры модели. Синтез структуры модели сводится к определению вида оператора F модели объекта с точностью до параметров С.

Это значит, что параметры становятся переменными модели, т. е.: Y= F(X, U, С

где F — оператор преобразования структуры ST, параметры которого для удобства внесены в переменные С. Представление оператора преобразования модели в виде (*) можно назвать параметризацией модели, что эквивалентно заданию его структуры. При синтезе структуры моделей объектов управления могут применяться различные подходы — от классических методов ТАУ до современных методов имитационного моделирования (методы случайного поиска, статистических испытаний и др.),

Синтез управления

На этом этапе принимается решение о том, каково должно быть управление U, чтобы достигнуть заданной цели правления Z* в объекте. Это решение опирается на имеющуюся модель объекта F, заданную цель Z*, полученную информацию о состоянии среды X и выделенный ресурс управления R, который представляет собой ограничения, накладываемые на управление U в связи со спецификой объекта и возможностями СУ. Достижение цели Z* возможно соответствующим выбором управления U (состояние среды X изменяется независимо от нас).

Это приводит к экстремальной задаче

Q(X, Y) ⇒ min ⇒ U*, V ∈ Ω

решение которой U* является оптимальным управлением. Способы решения задачи существенно зависят от структуры модели объекта F. Если объект статический, т. е. F — функция, то получаем задачу математического программирования, если же динамический, т. е. F — оператор, то решают вариационную задачу.

Реализация правления

Реализация правления или отработка в объекте оптимального решения U*, полученного на предыдущем этапе. Реализовав управление и убедившись, что цель управления не достигнута, возвращаются к одному из предыдущих этапов. Даже в лучшем случае, когда поставленная цель достигнута, необходимость обращения к предыдущему этапу вызывается изменением состояния среды X или сменой цели управления Z*.

Таким образом, при благоприятном стечении обстоятельств обращаются к этапу синтеза управления (стрелка а на рис. *), где определяется новое состояние, которое отражает новую ситуацию, сложившуюся в среде. Так функционирует стандартный контур управления простым объектом.

Адаптация

Специфика управления сложной системой состоит в том, что благодаря зашумленности и не стационарности, информация, полученная на предыдущих этапах, приближенно отражает состояние системы лишь в предыдущие моменты времени. Это и вызывает необходимость коррекции. Коррекция может затрагивать различные этапы.

Простейшая коррекция связана с подстройкой параметров модели С (стрелка с, рис. *). Такого рода коррекцию называют адаптацией модели, а управление — адаптивным правлением.

Если управление U не обеспечивает необходимого разнообразия входа объекта для эффективной коррекции параметров модели, то приходится принимать специальные меры планирования эксперимента путем добавления специальных тестовых сигналов (стрелка b, рис. *). Такое управление называют дуальным.

Однако одной коррекции параметров модели может оказаться недостаточно, если изменилась ее структура. Поэтому время от времени необходима коррекция структуры модели, т. е. приведение ее в соответствие с новой информацией (стрелка d, рис. *).

Далее коррекция может коснуться самого объекта, точнее, границы разделения объекта и среды. Это бывает необходимо при значительном изменении (эволюции) объекта и окружающей ее среды (стрелка е, рис.*). И, наконец, созданная СУ по ряду причин может не реализовать все множество целей управления, в результате необходима адаптация целей (стрелка g, рис.*).

В ряде случаев некоторые из них выпадают. Например, объект управления может быть выделен из среды и тогда нет необходимости в этапе планирования эксперимента, так как модель объекта проста и все ее параметры можно определить без специально организованно о эксперимента.