Управление (общее понятие)
Управле́ние, воздействие на управляемую систему с целью обеспечения требуемого её поведения. Система управления (СУ) включает в себя три составные части: управляемую систему, управляющую систему и связи между ними.
Исследование и разработка любой системы управления требует решения двух основных задач – анализа и синтеза.
Анализ
Анализ – исследование таких свойств СУ, как (Ким. 2007; Поляк. 2019):
управляемость (возможность, используя допустимые управляющие воздействия, перевести за конечное время управляемую систему из заданного начального состояния в требуемое конечное состояние);
наблюдаемость (возможность однозначно определить состояние управляемой системы, имея информацию о её выходе и об управляющих воздействиях);
устойчивость (способность системы возвращаться к состоянию равновесия после прекращения воздействия, нарушившего это равновесие);
робастность (работоспособность закона управления при наличии внешних возмущений и неопределённостей в описании системы; в общем случае – сохранение системой требуемых свойств при любых допустимых значениях неопределённых параметров).
Синтез
Синтез – построение закона/алгоритма управления, обеспечивающего требуемые свойства и поведение управляемой системы.
Классификация систем управления
Тип управления определяется степенью автоматизации функций управления. В зависимости от того, включают ли элементы системы управления человека (всегда являющегося субъектом), различают следующие четыре типа управления:
Автоматическое управление соответствует случаю, когда и управляющая, и управляемая системы являются техническими или кибернетическими объектами. Раздел теории управления, исследующий задачи автоматического управления, называется теорией автоматического управления (ТАУ) (Ким. 2007; Поляк. 2019). Система автоматического управления (САУ), представленная на рис. 1 (пунктирными линиями обозначены сущности, которые в зависимости от конкретной рассматриваемой модели могут присутствовать или отсутствовать), включает управляемую систему, называемую в ТАУ объектом управления (ОУ), и управляющую систему, называемую в ТАУ управляющим устройством (УУ) или регулятором. Объект управления характеризуется своими состоянием и выходами (наблюдаемым, регулируемым и др.). В отличие от состояния, выходы ОУ всегда считаются известными (с точностью до помех измерения). Состояние и выходы ОУ, как правило, изменяются во времени и зависят от управления (управляющего воздействия), цели управления (например, минимизация отклонения от задающего воздействия), неопределённостей в описании системы и возмущений, отражающих влияние внешней среды. Эта зависимость называется моделью ОУ (МОУ). В рамках базовой структуры САУ модель ОУ используется на этапах решения задач анализа и синтеза САУ для выбора/настройки законов управления, параметров регулятора и т. д. (Ким. 2007; Поляк. 2019) Если состояние ОУ не полностью измеряется, то часто используют САУ с наблюдателем (наблюдателем называется алгоритмический блок, предназначенный для оценивания переменных состояния ОУ или внешней среды) – см. рис. 2.
Автоматизированное управление соответствует случаю, когда управляющая система является субъектом – например, человеко-машинной системой, в которой наиболее важные и ответственные решения принимает человек. Управляемая система при этом является техническим или кибернетическим объектом (Дорф. 2004).
Объект-субъектное управление – это случай, когда регулятор «управляет» человеком. Примеры: тренажёр – управляющее устройство направляет деятельность обучаемого; кардиостимулятор; светофор, регулирующий поведение водителей на перекрёстке, и т. п.
Организационное управление соответствует случаю, когда и управляющая, и управляемая системы являются субъектами, т. е. когда люди управляют людьми (Новиков. 2022).
Рис. 1. Базовая структура системы управления.
Иллюстрация из книги: Теория управления (дополнительные главы). Под ред. Д. А. Новикова. Москва, 2019. С. 13.Целью управления является обеспечение либо заданного значения (определяемого задающим воздействием, уставкой) выхода ОУ – задача стабилизации (в этом случае управление иногда называется регулированием); либо заданной (или максимально близкой к требуемой) его динамики – задача слежения; либо экстремизация некоторого критерия качества – задача оптимизации. Стабилизация является частным случаем слежения, а слежение – частным случаем оптимизации. Если одновременно используются несколько критериев качества, то имеет место многокритериальное управление.
Вид управления определяется типом обратной связи – используется ли для выработки управляющих воздействий информация о состоянии и/или выходе ОУ – см. рис. 1. При наличии обратной связи СУ называются замкнутыми (в этом случае говорят о следующих видах управления: управление по состоянию/выходу, управление по отклонению, управление с обратной связью, позиционное управление). СУ без обратной связи называются разомкнутыми.
В зависимости от числа обратных связей (при одном ОУ) различают одноконтурные и многоконтурные системы.
Разомкнутые системы, в свою очередь, подразделяются на имеющие следующие виды управления:
программное управление (управляющее воздействие является функцией только времени);
управление по возмущению (управляющее воздействие зависит от возмущения).
Комбинированные системы управления являются «смешанными», например, в них управляющее воздействие может зависеть и от возмущения, и от выхода.
Модель объекта управления может быть линейной (линейные системы) или нелинейной (нелинейные системы). При использовании методов прямого синтеза (Теория управления ... 2019) модели может вообще не быть. В случае когда характеристики объекта управления и/или внешней среды известны не полностью, для построения их адекватной модели на основе анализа данных входных и выходных сигналов, то есть идентификации/оценки (и, соответственно, оценки состояния ОУ и возмущений), используются САУ с идентификатором (Теория управления ... 2019).
Дискретность или непрерывность времени. Модель объекта управления может рассматриваться в непрерывном времени (непрерывные системы) или в дискретном времени (дискретные системы; в общем случае дискретными называют системы, в которых имеется квантование по уровню сигнала и/или время дискретно; в случае двух возможных состояний одного из элементов системы управления говорят о релейных системах). Общепринятым аппаратом описания модели ОУ являются соответственно разностные и дифференциальные уравнения. Часть переменных вектора состояния/выхода может меняться непрерывно, часть – изменяться дискретно (например, в логико-динамических системах) (Теория управления ... 2019).
Если имеет место изменение свойств (характеристик/структуры/параметров) ОУ во времени, то говорят, что он нестационарный; в противном случае ОУ называют стационарным.
В зависимости от размерности входа и выхода ОУ различают одномерные (англ. SISO – Single Input Single Output) и многомерные системы (англ. MIMO – Multiple Input Multiple Output, или SIMO – Single Input Multiple Output, или MISO – Multiple Input Single Output) (Дорф. 2004).
Возмущения могут отсутствовать или присутствовать (не действовать, действовать). В последнем случае они могут быть известными или неизвестными. В случае неизвестных возмущений, в зависимости от имеющейся о них информации, они могут быть ограниченными или случайными (Дорф. 2004; Поляк. 2019).
Неопределённость может отсутствовать (детерминированные системы) или присутствовать (системы с неопределённостью). В последнем случае неопределённость может иметь место относительно возмущений, модели объекта управления (включая, быть может, его начальное состояние), выхода или их комбинаций. Неопределённость модели ОУ может иметь место относительно её структуры (структурная неопределённость) или параметров (параметрическая неопределённость). В зависимости от информации, имеющейся о неопределённых факторах, различают интервальную неопределённость (известно только множество их возможных значений), вероятностную неопределённость (известно распределение вероятностей) и нечёткую неопределённость (известна функция принадлежности).
В зависимости от числа ОУ различают одноэлементные ОУ и многоэлементные ОУ. Если управляемых элементов несколько и они взаимодействуют между собой, то говорят о групповом управлении. Если различные элементы или подсистемы многоэлементной системы имеют существенно отличающиеся характерные времена и/или линейные размеры, то говорят о разномасштабных системах.
По способности к адаптации (возможности приспособления к изменяющимся внешним условиям) различают неадаптивные и адаптивные системы (Теория управления ... 2019). Среди последних выделяют самонастраивающиеся, экстремальные, самоорганизующиеся.
Изменяться могут: структура, характеристики/параметры как объекта управления, так и внешней среды («возмущений»). Эти изменения требуют соответствующих изменений характеристик/параметров управляющего устройства, за что в адаптивном управлении отвечает блок адаптации – см. рис. 2, на котором модель объекта управления вынесена в самостоятельный блок (который может включать в себя и оптимизационную часть). Системы управления, существенно использующие модели ОУ и внешней среды, называются системами, основанными на моделях (англ. Model-Based Control). Блоки идентификации и адаптации могут иметь сложную внутреннюю структуру и использовать самые разные подходы и методы – экстремизационные, статистические и др. (Теория управления ... 2019).
В зависимости от распределённости объекта управления (одного) в пространстве различают системы с сосредоточенными параметрами и системы с распределёнными параметрами. В моделях последних обычно используются уравнения в частных производных.
В случае многоэлементных систем различают базовую структуру CУ (один ОУ), сетевую, иерархическую и смешанную структуру ОУ (Теория управления ... 2019). В зависимости от числа управляющих систем различают системы с одной и несколькими управляющими системами.
Связи между управляющей системой и ОУ могут иметь базовый вид (см. рис. 1) или осуществляться через информационно-телекоммуникационную сеть. В последнем случае говорят о сетевом управлении (Теория управления ... 2019).
Важным основанием классификации СУ является использование ими знаний. Системы управления, основанные на знаниях (англ. Knowledge-Based Control; см. рис. 2 и ср. с рис. 1), включают «блок знаний», который может иметь сложную внутреннюю структуру: включать блоки хранения знаний, вывода, модификации/актуализации знаний и т. д. Более общей категорией являются интеллектуальные системы управления (ИСУ) (Теория управления ... 2019).
Важным для анализа ИСУ может являться использование результатов анализа данных о функционировании системы. Ключевые категории, характеризующие ИСУ: экспертные системы (использующие классический логический вывод или иные правила вывода); нечёткая логика; искусственные нейронные (ИНС), иммунные, байесовы и другие сети; генетические алгоритмы (ГА – класс эвристических методов локальной оптимизации) и эволюционные вычисления; мягкие вычисления.
Важным основанием классификации СУ является способность их элементов к т. н. стратегическому поведению – самостоятельному принятию решений в соответствии с собственными интересами. Проявления стратегического поведения (Теория управления ... 2019):
самостоятельное целеполагание, целенаправленность поведения (сознательное искажение информации, невыполнение обязательств и т. д.);
рефлексия (нетривиальная взаимная информированность, дальновидность, эффект обмена ролями и т. п.);
ограниченная рациональность (принятие решений в условиях неопределённости и ограничений на объём обрабатываемой информации);
кооперативное и/или конкурентное взаимодействие (образование коалиций, информационное и другое противодействие).
Аппаратом моделирования ОУ, способных к стратегическому поведению, являются теория принятия решений и теория игр. Стратегическое поведение субъектов имманентно организационному управлению (Новиков. 2022).
Средства управления. Различают измерительные, преобразовательные, вычислительные и исполнительные средства управления. В частности, к измерительным средствам относят и тесно связанные с проблематикой управления подвижными объектами системы навигации.
Функциональные свойства ОУ и/или СУ, которые необходимо обеспечить: надёжность, безопасность (включая информационную и кибербезопасность), отказоустойчивость, живучесть, стоимость (на всём жизненном цикле), качество дополненной реальности, энергоэффективность, экологичность и т. п.
Классы объектов управления: технические, экономические, экологические, живые и социальные системы. Всё чаще объектами управления становятся т. н. системы междисциплинарной природы – организационно-технические, социально-экономические, эколого-экономические, социально-экологические и другие системы (Теория управления ... 2019). Каждый из этих классов ОУ может быть в свою очередь декомпозирован. Так, среди технических систем выделяют следующие прикладные направления:
авиация и космос;
морские подвижные объекты;
промышленное производство;
транспорт (авто-, железнодорожный и др.);
энергетика;
сельское хозяйство;
робототехника (производственные и мобильные роботы).