Конспект лекций по теории систем управления (994584), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

“Страта” - уровень описания или абстрагирования.

Действительно сложную систему почти невозможно описать полно и детально. Основная дилемма состоит в нахождении компромисса между простотой описания и необходимостью учета многочисленных поведенческих характеристик сложной системы. Разрешение этой дилеммы ищется в иерархическом описании. Система задается семейством моделей, каждая из которых описывает поведение системы с точки зрения различных уровней абстрагирования. Для каждого уровня существует ряд характерных особенностей и переменных, законов и принципов, с помощью которых и описывается поведение системы. Чтобы иерархическое описание было эффективным, необходима как можно большая независимость моделей для различных уровней системы. Уровни абстрагирования, включающие стратифицированное описание называются [] стратами.

Для иллюстрации приведем несколько примеров созданных человеком систем, требующих стратифицированного описания. Рассмотрим модель электронной вычислительной машины. Ее функционирование обычно описывается не менее чем на двух стратах (рис. 1).

Рис. 1. Стратифицированное представление ЭВМ с помощью 2-х страт.

На первой страте система описывается на языке физических законов, в то время как на второй страте мы имеем дело с абстрактными нефизическими понятиями, такими, как двоичные разряды или информационные потоки. На страте физических законов нас интересует функционирование различных электронных компонентов. На страте обработки информации мы имеем дело с проблемами вычисления, программирования и т. д., а стоящие за этим физические законы не рассматриваются.

Другой пример стратифицированной системы, созданной человеком, автоматизированный промышленный комплекс. Полностью автоматизированный промышленный комплекс обычно моделируется на трех стратах:

1. физические процессы обработки материалов и преобразование энергии;

2. управление и обработка информации;

3. экономические процессы, где рассматриваются такие показатели как производительность и прибыльность и т.п.

Графически стратифицированное представление автоматизированного промышленного производства приведено на рис. 2.

Рис. 2. Стратифицированное представление автоматизированного промышленного производства

Заметим, что на любой из трех страт мы имеем дело с тем же самым предметом – основным физическим продуктом. На первой страте он рассматривается как физический объект, который подлежит обработке в соответствии с физическими законами; на второй страте его рассматривают как управляемую переменную; на третьей страте это уже товар как экономическая категория. Для каждого аспекта этой системы имеется свое описание и своя модель, однако система, конечно, остается одной и той же.

“Слои” - уровень сложности принимаемого решения.

Почти в любой реальной ситуации принятие решения существует две предельно простые, но чрезвычайно важные особенности:

1. Когда приходит время принимать решения, принятие и выполнения нельзя откладывать;

2. Неясность относительно последствий различных альтернативных действий и отсутствие достаточных знаний о имеющихся связях препятствуют достаточно полному формализованному описанию ситуации, необходимому для рационального выбора действий.

Функциональная иерархия принятия решения учитывает три основные аспекта проблемы принятия решения в условиях полной неопределенности:

1. выбор стратегии, которая должна быть использована в процессе решения;

2. уменьшением или устранением неопределенности;

3. поиском предпочтительного или допустимого способа действий, удовлетворяющего заданным ограничениям.

Обычно же функциональная иерархия состоит из трех слоев:

1. Слой выбора: задача этого слоя - выбор способа действий т. Принимающий решение элемент на этом слое получает внешние данные (информацию) и, применяя тот или иной алгоритм (определяемый на верхних слоях), находит нужный способ действий.

2. Слой обучения, или адаптации. Задача этого слоя - конкретизация множества неопределенностей U, с которым имеет дело слой выбора. Следует заметить, что множество неопределенностей U рассматривается здесь как множество, включающее в себя все незнание о поведении системы и отражающее все гипотезы о возможных источниках и типах таких неопределенностей. U получают, конечно, с помощью наблюдений и внешних источников информации. Назначение, второго слоя - сужение множества неопределенностей U.

3. Слой самоорганизации. Этот слой должен выбирать структуру, функции и стратегии, используемые на нижележащих слоях, таким образом, чтобы по возможности приблизиться к глобальной цели (обычно определяемой в терминах, которые трудно сделать операционными). Если общая цель не достигается, этот слой может изменить стратегию обучения на втором слое в случае неудовлетворительности оценки неопределенности.

Графически функциональная многослойная иерархия решений приведена на рис. 3.

Рис. 3. Функциональная многослойная иерархия решений.

Многоэшелонные системы: организационные иерархии.

Это понятие иерархии подразумевает, что: 1) система состоит из семейства четко выделенных взаимодействующих подсистем; 2) некоторые из подсистем являются принимающими решения (решающими) элементами и 3) принимающие решения элементы располагаются иерархически в том смысле, что некоторые из них находятся под влиянием или управляются другими решающими элементами.

Блок-схема системы такого типа приведена на рис. 4. Уровень в такой системе называется эшелоном. Эти системы мы будем называть также многоэшелонными, многоуровневыми.

Рис. 4. Многоуровневая организационная иерархия; многоэшелонная система.

Рис. 5. Вертикальное распределение задач для организации иерархий.

Рис. 6. Многослойное представление функционирования решающих элементов многоэшелонной системы.

Рис.7. Представление решающих элементов, образующих многослойную иерархию в виде многослойных и многоэшелонных иерархий.

Особенности многоуровневых иерархических систем

1. Элемент верхнего уровня имеет дело с более крупными подсистемами или с более широкими аспектами поведения системы в целом. При многоэшелонной иерархии элемент верхнего уровня является «командным» по отношению к двум или более элементам, и принимаемое им решение координирует их действия в соответствии с целью, определенной для совокупности всех подчиненных ему элементов. Для концепции слоев это следует из ответственности элементов верхнего уровня за поведение системы в течение более длительных промежутков времени. Чтобы собрать информацию, необходимую для сужения множества неопределенностей, слой обучения должен проводить наблюдения в течение ряда периодов принятия решения на первом слое. Чтобы изменить структуру стратегии принятия решений, третий слой (слой самоорганизации) должен наблюдать за действиями нижележащих слоев в течение еще большего периода времени, так как для оценки качества стратегии обучения ее следует испытывать, по крайней мере, несколько раз. Аналогично и для концепции страт: система на любом уровне образуется из подсистем нижних уровней, и, следовательно, более высокая страта имеет дело с более общим аспектом поведения всей системы.

2. Период принятия решения для элемента верхнего уровня больше, чем для элементов нижних уровней. Для концепций слоя и страты это очевидно. Однако это утверждение остается верным и для концепции эшелона. А именно: управляющие воздействия, исходящие от вышестоящего элемента, не могут следовать чаще воздействий, подаваемых нижестоящими элементами, поведение которых он координирует; в противном случае он не сможет оценивать достигаемый эффект координации.

3. Элемент верхнего уровня имеет дело с более медленными аспектами поведения всей системы. Это справедливо для всех трех типов уровней и почти непосредственно вытекает из того, что элемент верхнего уровня имеет дело с более широкими аспектами поведения всей системы и имеет большие периоды принятия решений. Верхние уровни не могут реагировать на такие изменения в окружающей среде или самом процессе, которые происходят быстрее изменений, с которыми имеют дело нижние уровни, так как последние реагируют быстрее и имеют дело с более частными, локальными изменениями.

4. Описания и проблемы на верхних уровнях менее структурированы, содержат больше неопределенностей и более трудны для количественной формализации. Проблема принятия решений на верхних уровнях может рассматриваться как более сложная. Конечно, для решения задачи на верхнем уровне могут использоваться приближенные методы, но тогда точность понижается, и следует соблюдать осторожность при интерпретации результатов. В общем случае для любого уровня существует специфический набор средств для решения соответствующих задач. Например, в многослойной иерархии у каждого слоя существует свой собственный набор методов и алгоритмов: на слое выбора - это управление с обратной связью и численные методы оптимизации; на слое адаптации преобладают статистические методы или методы распознавания образов; на слое самоорганизации используются эвристические методы. Задачи верхнего слоя не удается поставить так, чтобы они имели простое численное решение. Поэтому на практике обычно прибегают к «вмешательству в критических ситуациях», т.е. оценивают общую характеристику и вносят структурные изменения лишь в случае, когда характеристики ухудшаются до такой степени, что изменение становится необходимым. В общем случае, однако, нет априорной гарантии, что изменение приведет к действительному улучшению характеристики.

Сложное переплетение во времени взаимоотношений между уровнями связано также с ограниченной «производительностью» принимающих решения элементов, используемых при построении системы. Предположим, что мы должны построить систему, выполняющую задачу, выходящую за пределы возможностей любого имеющегося в наличии решающего элемента. Тогда мы вынуждены прибегать к многоэшелонной системе такой, что решающие элементы на верхних эшелонах имеют дело с более общими аспектами задачи и, следовательно, имеют перед собой более сложную проблему принятия решения, чем элементы нижних уровней. Кроме того, ввиду ограниченных возможностей элементов, вырабатывающих решения, элементы более высоких эшелонов вынуждены тратить больше времени на поиск решений своего уровня.

КООРДИНИРУЕМОСТЬ

Координирование подсистем означает такое воздействие на подсистемы, которое заставляет их действовать согласованно, подобно тому, как обычно координируется деятельность индивидуумов или групп внутри некоторой организации. Чтобы сделать такое представление о координации операциональным, нужно более четко определить, что именно подразумевается под словами «действовать согласованно». В общем случае координация осуществляется в связи с определенной целью или задачей; деятельность частей организации координируется ради общей цели так, чтобы вся организация в целом достигала поставленной цели.

На рис. 8 представлена блок-схема некоторой двухуровневой системы. Отдельные блоки изображают подсистемы, а их взаимное расположение отражает иерархическую структуру всей системы. Система, изображенная на рис. 8, имеет (n+2) основных подсистем: вышестоящую систему С0 n нижестоящих управляющих систем С1 … Сn и управляемый процесс P. отметим два вида вертикального взаимодействия между подсистемами. Один – это передача вниз «командных» сигналов; сигналы от нижестоящих управляющих систем С1 … Сn к процессу будут называться управляющими воздействиями (входами), тогда как сигналы от вышестоящих к нижестоящим управляющим системам будут называться координирующими сигналами (входами) или вмешательствами. Другой вид вертикального взаимодействия – это передача наверх информационных сигналов, или сигналов обратной связи, различным управляющим системам иерархии. Эти передачи сигналов представлены на блок схеме пунктирными линиями.

Характеристики

Список файлов лекций