Игнатова В. Концепции современного естествознания: Учебное пособие

ОГЛАВЛЕНИЕ

3.3 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ

Цели и задачи раздела:

1.  Познакомить обучающихся с элементами теории управления.
2.  Показать роль положительной и отрицательной обратной связи в функционировании системы.
3.  Выявить особенности управления в естественных и искусственных системах.

План
1. Самоорганизация и организация

1.  Контур с обратной связью
2.  Управленческая деятельность

3. 3. 1 САМООРГАНИЗАЦИЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ

По сценарию, описанному в разделе 3. 2, происходит развитие как естественных, так и искусственных систем, предоставленных самим себе. Однако в искусственных системах (технические, технологические, социальные и др. ) человек для ускорения и оптимизации протекания процессов с помощью целенаправленных слабых внешних воздействий организует их развитие, то есть управляет ими. Благодаря этому время эволюции системы удается существенно сократить. Например, в управляемых технологических химических системах процесс синтеза продолжается от нескольких минут до нескольких суток, это всего лишь мгновение по сравнению со временем химической эволюцией Вселенной. Именно благодаря находкам в области управления современная химия сумела за последние полсотни лет синтезировать десятки тысяч синтетических веществ, которые природа не смогла создать за миллиарды лет существования Земли.
Результат развития системы во многом будет зависеть от величины, характера, качества и времени внешнего воздействия (т. е. от качества управленческих решений). На процессы самоорганизации накладываются процессы организации. Поэтому в таких системах важная роль принадлежит деятельности коллектива людей или отдельного человека, лидера, руководителя, его способности и возможности ставить цель и искать пути ее реализации. В своей повседневной жизни мы также постоянно сталкиваемся с проблемами управления, теми «черными ящиками», которые в изобилии имеются в современной квартире — телевизор, телефон, электроплита и т. д. . И совсем необязательно каждому детально знать их устройство (для этого есть узкие специалисты), важно уметь ими пользоваться, т. е. управлять.
Наука об управлении получила название «кибернетика». Считают, что кибернетика начинается с 1948 года, когда была опубликована работа Норнберта Винера (1894-1964) «Кибернетика или управление и связь в животном и машине». Анализируя работу мозга, он создал теорию управления и связи в живых организмах и машинах и показал, что процесс упорядочивания объекта (управление) можно производить стандартными приемами, независимо от типа объекта. Почти одновременно с «Кибернетикой» Винера появилась теория информации К. Шеннона (1949) и теория игр фон Неймана (1944). В этих трудах разработаны теоретические основы управления.
Любое управление связано с передачей, обработкой и хранением информации. Существует множество средств коммуникации (лат. communico — связываю, общаюсь) и каналов передачи информации:: с помощью электрических сигналов, звуков, символов и т. д. Например, в дикой природе многие животные метят свою территорию, сорока своим стрекотом оповещает обитателей леса о присутствии посторонних, «танцующая» пчела ориентируется в направлении, указывающем ее сородичам на место медосбора, в городе светофор подает запрещающий или разрешающий сигнал для перехода перекрестка. В человеческом обществе знаковые системы несут смысловое значение. Чередование знаков или группировка их в определенном порядке несут сообщение (письменная речь, язык жестов, азбука Морзе, секретные шифры). Зная код (способ передачи информации) знакового сообщения, всегда можно его декодировать, т. е. расшифровать. В зависимости от вида информации и способов ее передачи, типа взаимодействующих объектов различают биологическую, медицинскую, экономическую, техническую кибернетику.

3.3.2.  КОНТУР С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

Кибернетические системы обладают способностью не только приспосабливать формы своего поведения к изменениям окружающей среды, но и активно воздействовать на нее благодаря механизму прямой и обратной передачи информации. Под обратной связью понимают воздействие результатов функционирования какой-либо системы (или объекта) на характер этого функционирования. Например, при прикосновении к горячему предмету, человек моментально отдергивает руку. Что произошло? При прикосновении руки к горячему в окончаниях нервных волокон, расположенных в коже (рецепторов) возник нервный импульс, который в виде электрического сигнала попадает в центральную нервную систему (мозг). ЦНС вырабатывает ответный импульс (команду), который направляется к мышцам руки. Учитывая, что длина нерва примерно 1,5 м, скорость распространения импульса — около 140 м/с, то время, в течение которого приходит команда около 0,002с. И глазом моргнуть не успеешь, еще и не подумаешь, а мозг уже все сделал. Но нужно еще и проконтролировать, как выполнен приказ. А для этого и потребуется обратная связь, которая несет информацию о правильности выполнения команды. В машинах и автоматических устройствах для управления есть специальные конструкции. Например, в паровом двигателе есть регулятор Уатта, который поддерживает частоту вращения вала машины постоянной, в ректификационной колонне специальные автоматические устройства, всевозможные датчики, измерительные приборы контролируют величину параметров реакционной смеси.
Если обратная связь приводит к неустойчивой работе системы, ее называют положительной. Если обратная связь стабилизирует функционирование, ее называют отрицательной. Системы, обладающие отрицательной обратной связью, способны к самоуправлению (самоорганизации). Например, все биологические системы при изменении внешних факторов перестраивают обмен веществ, работу органных систем, адаптируются к внешним условиям.

внешнее воздействие  I1 — корректирующий сигнал                    Управляющая      I — прямая связь     управляемая      действие                      система                                                система                                                  I2 — обратная связь

 Рис. 11 Упрощенная схема контура управления

Под влиянием внешнего воздействия в управляемой системе происходят изменения каких-то параметров. Посредством прямой связи информация I об этих изменениях поступает в управляющую систему. Управляющая система направляет корректирующий сигнал I1, под влиянием которого управляемая система перестраивается (Рис. 11). Информация об этом — I2 в виде обратной связи поступает в управление, которое снова вырабатывает корректирующий сигнал, и так до тех пор, пока существует вся система. Корректирующая обратная связь управляет поведением объекта при достижении им цели или какого-то состояния. Каждый управленческий цикл — это некий элементарный акт, «квант» управления. Совокупность таких «квантов» поддерживает систему в устойчивом состоянии.
Процессы функционирования живого организма, общества, автоматических систем складываются из множества контуров управления или самоуправления. Среди этого множества выделяются два типа: первый обеспечивает простое управление, упорядочивание, симметрию, устойчивость, второй — накапливает новые изменения и способствует самоорганизации управляемой системы, благодаря чему образуются новые формы, повышается уровень организации, появляется тенденция к изменениям.
Независимо от иерархического уровня системы, структура механизма управления одна и та же: управляемый объект, управляющий субъект, система обратных связей, управляющее внешнее воздействие, способствующее сохранению целостности системы.
Например, система управления государством (государственные власти) ведет целенаправленную деятельность по сохранению целостности государства, диспетчер железнодорожной станции — по сохранению устойчивости работы станции за счет упорядочения грузопотоков, оператор химического производства поддерживает необходимые параметры в реакторных колоннах с целью оптимизации процесса получения желаемых веществ и обеспечения безопасности производства. Разрушение обратной связи ведет к неуправляемости системы и ее разрушению. В случае ослабления обратной связи начинается несогласованность в работе системы. Например, если нарушается обратная связь организма со средой, наступает болезненное состояние, которое может закончиться разрушением всей системы (гибелью организма), если диспетчер не располагает достаточным количеством данных, начинаются сбои в работе транспорта, если предприятие не знает точно спроса на свою продукцию, то может произойти перепроизводство и затоваривание, а значит, и убытки.

3.3.3. УПРАВЛЕНЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

Задача управления связана с моделированием возможных оптимальных путей протекания процессов и поиском слабых резонансных воздействий, позволяющих поддерживать устойчивое состояние системы. При этом наиболее существенным оказывается не интенсивность воздействия, а его характер и удачно выбранные время и место. Управление сложными объектами всегда связано с целым комплексом мероприятий, важнейшим элементом которого является сам человек.
Рассмотрим некоторые аспекты этой проблемы.
Целью любого технологического (например, химического производственного) процесса является получение высококачественного продукта при наименьших энергетических затратах, рациональном использовании исходных компонентов и в максимально короткие сроки. Это возможно осуществить лишь в условиях предварительного планирования процесса, выстраивания его алгоритма, прогнозирования его результатов, эффективного управления им и при наличии средств управления — измерительной аппаратуры, позволяющей вести мониторинг за ходом процесса и при необходимости менять отдельные параметры.
Химические системы относительно просты; в иерархии систем они занимают невысокий уровень и для их описания необходимо сравнительно небольшое число параметров (температура, давление, влажность, концентрация и т. д. ). Элементы этих систем — участники процесса развития (например, молекулы реагентов), хотя и обладают разными свойствами, но являются объектами неживыми и их поведение может быть оценено с единых позиций. Оно полностью зависит от объективных факторов и подчинено фундаментальным законам природы. Благодаря этой сравнительной простоте природных систем (хотя для их описания может потребоваться знание нескольких десятков параметров) можно описать их поведение в строгих аналитических выражениях с помощью математических уравнений, то есть создать функциональную математическую модель системы. Изменяя значения переменных в уравнениях, описывающих модель, можно построить множество возможных вариантов ее развития, выбрать оптимальный в данных условиях и реализовать его практически.
В структуре технологических систем можно выделить три элемента (подсистемы), поведение которых будет определять успешность достижения поставленной цели:
-управляемый объект — химический процесс;
-управляющий субъект(оператор);
-исходные материалы и средства слежения.
Для управления химическим процессом необходимо:
1. Выделить его важнейшие параметры. К ним можно отнести физико-химические свойства реагентов (реакционная способность, размеры молекул и т. д. ), давление и температуру смеси, качество исходных продуктов и их соотношение, материал, форму и прочность конструкции реактора и т. д.
2. Количественно оценить значение параметров системы на каждом этапе ее развития. Многие из них неизменны (например, свойства используемых реагентов, как правило, хорошо известны или изучены до организации процесса и в его ходе практически не изменяются), некоторые ( давление, температура, количество вещества) можно измерить с помощью измерительной аппаратуры или специальных датчиков, количественная оценка влияния конструкции реактора может быть получена из предварительных испытаний.
3. Выделить отдельные стадии процесса, его отдельные ступени (построить алгоритм) и наиболее важные параметры управляемой системы, с помощью изменения которых управляющая система может удерживать процесс в рамках заданного алгоритма и направлять его в то русло, которое соответствует оптимальному достижению поставленной цели.
4. На каждой стадии требуется вмешательство в процесс, изменение его параметров (принятие управленческого решения), в противном случае процесс может пойти иным путем, и задуманный результат не будет получен.
Но все не так просто. Математическое описание поведения управляемых систем оказывается куда более сложнее, ибо в них наряду с управляемыми объектами присутствует и управляющий субъект — оператор, человек, который имеет четко отработанную схему (алгоритм) деятельности в условиях модельных стандартных ситуаций. Эффективность управления зависит от его профессиональных качеств, способности принимать адекватные сложившейся ситуации управленческие решения и поддерживать поведение управляемого объекта в рамках заданного алгоритма. Описать поведение человека с помощью математических уравнений практически невозможно. Оно определяется не только интеллектуальными возможностями человека, но и личностными качествами и массой непредсказуемых случайностей, влияющих на его психическое состояние, а, следовательно, качество принимаемых им решений (хотя и это пытаются учесть, организуя переподготовку специалистов, специальные учения и тренинги). Процессы в таких системах подчиняются не только фундаментальным законам природы, но и законам человеческой психики. В них наряду с объективными факторами важнейшую роль играют субъективные личностные качества человека.
Кроме того, реальный процесс всегда отличается от модели. Его состояние зависит от массы случайностей, провоцирующих отклонение от заданного алгоритма. В нестандартных условиях, когда недостаточно хорошо изучено влияние того или иного фактора и не всегда удается это предусмотреть, отработанный алгоритм управления может давать сбои. Поэтому принятие управленческого решения связано не только с подчинением алгоритму, но и с необходимостью искать творческие нестандартные решения в создавшихся реальных условиях.
Еще более сложные проблемы возникают при прогнозировании, моделировании и управлении социальными системами. В этих системах взаимодействует множество субъектов. Для построения математической модели управления социальным процессом необходимо не только выделить основные параметры, определяющие состояние системы, но и выявить их влияние на него, уметь количественно оценить их в единой шкале и ранжировать, найти способ оценить взаимодействие этих параметров и влияние его на состояние системы, отыскать математические функции, позволяющие описать влияние каждого параметра на динамику процесса. А это совсем не простая задача, ибо и законы, и закономерности, и количественные оценки отдельных параметров и их взаимосвязей носят стохастический характер.
После того, как будут выделены и оценены вклады каждого параметра, необходимо составить и решить систему уравнений, описывающих состояние социального процесса, проанализировать это решение и, варьируя параметры, найти устойчивые состояния и тем самым определить оптимальные значения параметров системы, либо, меняя параметры, найти в сложившихся условиях наиболее эффективный способ «мягкого» управления процессом.
Однако стремление использовать идеи синергетики для описания социальных процессов можно рассматривать пока лишь как попытку вторгнуться в сложнейшую область человеческих отношений, ибо создание их математических моделей на современном уровне развития науки весьма проблематично и связано с трудностями установления функциональных зависимостей.
Тем не менее, осмысление идей синергетики применительно к социальным процессам весьма актуально, имеет принципиальное значение, а активное их освоение психологами и социологами внушает уверенность в том, что рано или поздно идеи математического моделирования будут наравне с традиционными эмпирическими методами исследования применены к их управлению.
Новые понятия и термины: управление, обратная связь, многоконтурная система.
Ведущая идея:
-контур с обратной связью как основной элемент системы управления.
.

Ваш комментарий о книге
Обратно в раздел Наука