Обратная связь в системах управления

Все представленные выше простейшие структурные схемы управления содержали капал обратной связи, по которому в управляющий орган поступает осведомительная информация о фактическом состоянии управляемого объекта. Рассмотрим более подробно вопрос о роли, видах и способах реализации обратной связи в системах управления. Следует отметить, что не всегда в составе систем управления имеются цепи обратной связи.

Системы управления, в которых для формирования управляющих воздействий не используется (обратная связь) информация о величине управляемых величин, называются разомкнутыми системами управления.

Значительно более результативными с позиций точности достижения управляемой системой заданных параметров, а значит и с позиций реализации конечной цели управления, являются замкнутые системы управления. В них для формирования управляющих воздействий используется информация о состоянии объекта управления, получаемая от датчиков, измеряющих необходимые параметры, характеризующие объект.

Цепь системы управления, начинающаяся на выходе объекта и заканчивающаяся на его входе, обеспечивает осуществление так называемой обратной связи. Так, обратная связь может формироваться в виде непосредственной связи между выходом и входом всей системы (глобальная обратная связь) или любой части системы (локальная обратная связь).

Различие между прямой и обратной связями заключается в том, что прямая связь в системах управления обеспечивает передачу воздействия, информации с выхода одного элемента на вход другого элемента, а обратная связьс выхода некоторого элемента на вход того же элемента.

Важную роль играет обратная связь при решении задач управления, поэтому изучению ее роли и влияния на процессы управления уделяется большое внимание. Обратную связь считают одним из ключевых понятий теории управления.

Основы теории управления в части принятия решений

В последнее время с ускорением развития науки, средств вычислительной техники и связи по-новому стали рассматриваться существенные для теории управления вопросы: процесс принятия решения, возможности оптимального управления, закон необходимого разнообразия.

Процесс принятия решения

Как уже отмечалось, при выполнении функций управления любой системой, процессом человек (или электронный автомат) на основании обработки и анализа информации, относящейся к этому процессу, принимает решение — некоторое предписание к действию для объекта управления (план, инструкцию, приказ, комплекс физических управляющих воздействий и т. д.).

Принятие решения всегда представляет собой выбор некоторой альтернативы из множества рассматриваемых альтернатив (вариантов решений). Этот процесс выбора, включающий также и разработку альтернатив, называется процессом принятия решения.

В процессе принятия решения можно выделить следующие этапы. Основой принятия решения служит так называемый модельный, или «мысленный», эксперимент, включающий построение мысленной модели объекта управления, формулирование идеализированных условий, воздействующих на модель, произвольное комбинирование этих условий и их возможных воздействий на модель и мысленную оценку соответствующих ситуаций, их предполагаемых последствий.

При реализации эксперимента, базирующегося па моделировании, осуществляется проверка наличия в рабочей памяти управляющего органа готового стереотипа для достижения поставленной цели. Если такой стереотип имеется, то при схожести сложившейся ситуации с той ситуацией, в которой этот стереотип уже применялся, после соответствующего анализа возможных последствий его применения вырабатывается решение.

Таким образом, процессы принятия решений в значительной степени формируются на использовании эвристических методов. Основа эвристических методовприменение правил, приемов, упрощений, обобщающих прошлый опыт органа, человека, автомата, принимающего решение. Эвристическое рассуждение — это предварительное рассуждение, ориентированное на поиск решения задачи и характеризующееся большей или меньшей степенью правдоподобия. Фундаментом для построения эвристических рассуждений и методов служит использование аналогии и неполной индукции. Важная особенность реальных ситуаций в процессах управления, препятствующая принятию оптимальных решений, состоит в том, что решения принимаются в условиях неопределенности, т. е. недостаточности информации, которая используется при принятии решения.

Известны несколько причин такой ситуации. В конечном счете, все они связаны с фактором времени — необходимостью принять решение до определенного момента: «пока еще есть время». Управляя автомобилем в условиях некоторой сложной ситуации на дороге, необходимо принять решение достаточно быстро, чтобы предотвратить аварию. Управляя производственным предприятием, следует принимать решения, но еще более широкому кругу вопросов о материально-техническом снабжении, сбыте, перераспределении ресурсов, изменении характера продукции достаточно быстро, чтобы не останавливать производственный процесс и вовремя направить его в заданном русле. В личной жизни людей решения также необходимо принимать своевременно, чтобы потом не жалеть об упущенных возможностях. Однако своевременность решения в той или иной степени всегда вступает в противоречие с его обоснованностью.

Очевидно, что чем большей информацией хотим располагать, тем больше времени уйдет на ее сбор, обработку и, главное, анализ. Причем этот процесс теоретически развивается во времени безгранично. Всегда можно уточнять еще те или иные детали управляемого процесса, устанавливать и анализировать детерминированные, статистические и корреляционные связи между его элементами и т. д. до бесконечности. Сколько бы мы ни исследовали любой процесс, исключительно полного знания о нем мы не достигаем. Возникает вопрос: в какой же момент в таком случае следует принимать решение? В начале исследования доступной информации будет настолько мало, что решение неизбежно окажется чисто волевым или рискованным.

Однако и такие решения приходится иногда принимать, так как в некоторых экстремальных ситуациях лучше пойти на риск и принять случайное необоснованное решение, чем бездействовать.

Но если основная масса информации об управляемом процессе нам доступна, когда следует принимать решение? Здесь возникают разные ситуации. Более решительный руководитель примет решение в момент А,другой подождет до момента В, третий будет еще кое-что уточнять до момента С.Нерешительный руководитель предложит еще подождать, будет требовать уточнений до тех пор, пока решение окажется запоздалым, а значит, и ненужным или пока за него примет решение вышестоящий руководитель, или, наконец, решат, что делать, сами подчиненные.

Приведенные общие рассуждения в теории управления служат предметом специального изучения с привлечением определенных количественных и качественных показателей. При этом исходят из того, что всякое, даже хорошее, решение содержит некоторое, пусть очень малое, количество нежелательных последствий, которые могут с избытком компенсироваться положительными результатами. Так, степень неприемлемости последствий того или иного решения принято измерять в условных единицах — потерях. При этом в качестве основной исходной информации, необходимой для принятия решения, считают функцию потерь, представляющую зависимость потерь от двух аргументов: решения и ситуации.

Далее осуществляется преобразование функции потерь в функцию риска, отражающую зависимость степени риска, на который идет лицо, управляющее процессом, от единственного аргумента — принимаемого решения. В качестве лучшего решения принимается решение, минимизирующее риск. Подчеркнем еще раз, что здесь понятие риска включает в себя и последствия плохого решения (потери). Поэтому принятие «обтекаемого» решения, казалось бы, не связанного с обычным (обыденным) пониманием риска, на самом деле увеличивает значение функции риска, так как подобное решение приведет, очевидно, к значительным потерям, а значит, будет плохим. Формальное исследование описанных задач, связанных с принятием решений в условиях неопределенности, проводится в рамках теории статистических решений, исследования операций и теории игр.

Для того чтобы можно было фактически обеспечить такое уменьшение неопределенности, система управления должна располагать достаточным разнообразием управляющих воздействий. В конечном итоге любая система управления (техническая, биологическая, экономическая, социальная) для оптимизации процесса управления должна располагать достаточным набором управляющих воздействий, нейтрализующих множество возмущающих воздействий.

У. Р. Эшби сформулировал закон необходимого разнообразия, в наиболее краткой формулировке состоящий в следующем: только разнообразие может уничтожить разнообразие. Сама задача управления в соответствии с рассмотренной концепцией может быть сформулирована как задача уменьшения разнообразия управляемой системы, в идеальном случае — как сведение множества ее состояний, возможных в результате влияния внешней среды или действия внутренних причин, к подмножеству, содержащему лишь состояния, оптимальные по отношению к цели управления.