Лекции по дисциплине Оптимальное управление многоуровневыми ММС. Глава 1 (2016) (Лекции по дисциплине "Оптимальное управление многоуровневыми ММС". Главы 1-3 (2016))

Московский государственный технический университет им Н. Э. БауманаНаучно-учебный комплекс «Информатика и системы управления»Кафедра «Системы автоматического управления»Лекции по учебной дисциплине:«Оптимальное управление многокритериальнымимногообъектными многоуровневыми системами»(раздаточный материал по дисциплине)Москва 2016г1ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОГО АНАЛИЗАИССЛЕДОВАНИЯ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНЫХ МНОГООБЪЕКТНЫХМНОГОУРОВНЕВЫХ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ1.1.КЛАССИФИКАЦИЯ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМВ современных представлениях системного анализа среди множества вариантов структурнофункциональной топологии существующих и перспективных СТС можно выделить следующиеклассы сложных технических систем по нарастанию структурной и функциональной сложности.Это: однообъектные многокритериальные системы (ОМС); многообъектные многокритериальные системы (ММС); многообъектные многоуровневые многокритериальные (иерархические) системы (МММС)или (ИС); полииерархические системы с ромбовидной структурой, ромбовидные иерархическиесистемы (РИС); полииерархические СТС с концептуальной иерархической многоагентной пента-структурой(ИМПЕС, или, сокращенно, ИПС).Данная классификация не претендует на полноту, но достаточно широко отражаетсуществующие и перспективные структуры СТС.Многообъектныемногокритериальныесистемы(ММС)илимногообъектныемногокритериальные структуры СТС (ММС СТС) структурно представляют собой множествовзаимодействующих объектов, подсистем, каналов и т.

д., которое составляют многообъектную,многосвязную, многоканальную систему регулирования, управления или принятия решений. Безограничения общности представления функциональная структура ММС [1] из трех объектовподсистем-каналов (О(П,К)) приведена на рис. 1.1.Рис. 1.1. Структурная схема ММС для трех взаимодействующихобъектов-подсистем-каналов (О(П,К))На рис. 1.1 О(П,К)-i, i  1,2,3 представляет собой динамическое или алгебраическое(статическое) описание объектов-подсистем-каналов в задачах регулирования, управления илипринятия решений, где управляющие параметры i-м объектом-подсистемой-каналом в задачепринятия решений qi  Qi , i  1,2,3 или управляющие функции в задачах регулирования иуправления, ui U i , i  1,2,3.Вектор показателей оценки качества ММСJ i  q1 , q2 , q3  , i  1, 2,3(1.1)состоит из подвекторов J i оценки качества i-го объекта-подсистемы-канала, каждый из которыхявляется многокритериальной характеристикой качества О(П,К) и при отсутствии связейпредставляет собой i-ую ОМС.

На рис. 1.1 отмечена принципиальная для ММС зависимостьпоказателей i-й структурной единицы от управляющих сил qi  ui  , i  1, 2,3 всех трех компонентструктуры, которая имеет место из-за функциональной взаимосвязи объектов-подсистем-каналов.Данная взаимосвязь отражает три класса практических задач принятия решений (а такжерегулирования и управления) [1], которые формируются в условиях: исходной структурной несогласованности; конфликтной ситуации; неопределенности.2Основным смыслом большинства задач данных классов является балансировка по качествусложных многообъектных многоподсистемных, многоканальных структур с последующимдостижением высокого технического уровня в каждой составляющей и в ММС в целом [1].Всё это имеет прямое отношение к структурным комбинациям как задач регулирования,управления и принятия решений в процессах проектирования и функционирования СТС.Принципиальным свойством ММС является многокритериальность.

Не существуетоднокритериальных многообъектных (много-подсистемных, многоканальных, многосвязных)систем, так как каждый элемент ММС характеризуется хотя бы одним требованием-критерием,поэтому ММС в целом является многокритериальной СТС.Иерархические системы (ИС) или СТС с иерархической структурой характерны длямногоуровневых задач проектирования и эффективного функционирования СТС.Иерархические структуры комплексируют и, тем самым, обобщают одноуровневые структурыММС. Как известно [2], ИС классифицируются по «слоям» (иерархия операционной сложности),«стратам» (иерархия по математическим моделям) и «эшелонам» (организационная иерархия) сопределенной степенью пересечения или совпадением данных иерархий. Например, известнаятипичная упрощенная трехуровневая структура СТС управления по «слоям» представлена на рис.1.2.Рис.

1.2. Трехуровневая иерархия ИС управления по «слоям»На рис. 1.2 m1 , m2 , m3 — это число подсистем уровней регулирования, управления и принятиярешений соответственно. При этом горизонтальные перекрестные связи между подсистемами посути формируют поуровневые ММС регулирования, управления, принятия решений.Многоуровневые связи формируют межуровневую координацию и обратные связи (отклик). Каквидно из рис. 1.2, методы принятия решений применяются на самом важном уровнев рамках трехуровневой иерархии ИС и поэтому предопределяют качество и технический уровеньИС как по линии принятия решений, так и на основе координации методами принятия решенийзадач управления и регулирования.

Следует иметь в виду, что упрощенная иерархическаяструктура по «слоям» может быть усилена, например, уровнями адаптации, самоорганизации,интеллектных технологий (нейронечеткие методы, робастные алгоритмы, антропоморфныепрограммные реализации управления и принятия решений) и, наконец, интеллектуализации наоснове синтеза цели и базы знаний (см., например, [3]).Кроме того, уровень принятия решений может быть представлен иерархической структурой.Это, например, иллюстрирует алгоритм ранжирования на основе метода анализа иерархий иэкспертные иерархические подходы, изложенные далее в данной монографии в соответствующихразделах.Простейшим примером полииерархической системы с несколькими связанными иерархиямиявляется ромбовидная иерархическая система (РИС), которая, в свою очередь, обобщаетиерархическую структуру СТС.РИС разделяет операционную и информационную части иерархической системы.

Обобщеннаяиерархическая структура СТС на основе упрощенного трехуровневого описания по «слоям» данана рис. 1.3.3Рис. 1.3. Иерархия ромбовидной иерархической системыНа рис. 1.3 на верхнем треугольнике крышечкой обозначены множества операционныхподсистем m1 , m2 , m3 уровней регулирования, управления, принятия решений и более высоких. Нанижнем треугольнике аналогично волной обозначены множества подсистем обработкиинформации для тех же уровней, а также дано множество обратных связей по регулированию,управлению, принятию решений и т. д. Ромбовидная система включает в себя два связанныхоблика СТС: облик процессов управления (ОПУ) и информационный облик (ИНО). Поэтому РИС— это комбинация ОПУ–ИНО, с ММС на уровнях каждого облика в общем случае.Иллюстративным структурным примером является ромбовидная иерархическая системауправления полетом и тактическим заданием летательного аппарата (ЛА), представленная на рис.1.4.Рис.

1.4. Ромбовидная структура процессов управленияи принятия решений ЛАКак следует из рис. 1.3 и рис. 1.4, методы принятия решений с элементами интеллектуализациисоставляют наивысший уровень СТС и предопределяют эффективную работу всей системы4управления СТС. Ромбовидная декомпозиция ИС с обликами ОПУ и ИНО составляетсовременную методически освоенную структуру СТС.Достаточно полную предельно сложную структуру перспективных технических(искусственных) систем и существующих природных систем (с естественной технологией) даетконцепция иерархической многоагентной пента-структуры системы (ИМПЕС-система, илиИПС-система), которая может составить основу математической модели интеллектуальнойсистемыуправления(рис.

1.5) [4].Рис. 1.5. Иерархическая многоагентная пента-структура (ИМПЕС) системной модели (облика) СТС (ИТС):ДЭС — динамическая экспертная система,ИТС — интеллектуальная техническая системаДанная ИМПЕС является достаточно полным «биотехническим» представлением структурнои функционально сложных систем. Базой ИМПЕС (в виде пятиугольника) является набор из пятивекторных компартментов (ВК), как варианта многоагентного описания, который обладаетполнотой отражения многоагентных, многообъектных и/или многоканальных, многосвязныхпроцессов в широком классе систем.Каждый ВК отражает статико-динамические и сетевые свойства при представлении пятисложныхпроцессовиихвзаимосвязей.В частном случае, без ограничения общности представлений, каждый компартмент содержиткроме собственной динамики (или конечно-разностных изменений при принятии решений) лишь«притоки» и «оттоки» по сетевым связям, описание на пространстве состояний принимаетследующий вид [5]:xk  f k  x  5j 1, j  kykj  x  5j 1, j  ky jk  x  (1.2) yk 0  x   y0 k  wk  u k , x  ,5где k  1,5; x k — векторный компартмент модели в основании k-й иерархии x k   xk1 , xk 2 , xk 3 ,;y jk — «транспортный поток» связи из k-го в j-й компартмент (индекс «0» — связи системыкомпартментов с внешней средой); wk  u k , x  — функции, в данном случае характеризующиескорости протекания процессов (или конечно-разностные изменения в системе при принятиирешений), зависящие от управлений (решений) и состояния системы.Компартменты делятся на «рабочие» ( wk  0 ) и «накопительные» ( wk  0 ).

Данноепредставление является простейшим примером, удобным для ВК, и может быть значительноусложнено. В настоящее время получение системы ВК или более общего многоагентногоописания [6] для всех пяти видов процессов (рис. 1.5) в базе ИМПЕС является сложной задачей.В соответствии с пятиугольной базой ИМПЕС каждый треугольник на рис. 1.5 имеет смыслиерархического облика: облика процессов управления (ОПУ), информационного облика (ИНО) сосвоим компартментальным (многоагентным) процессом информационной динамики,энергетического облика (ЭНО) на базе энергетических процессов в системе, ресурсного облика(РЕСО) на базе ресурсных изменений в системе и, наконец, целевого облика (ЦЕЛО) на основецелевых процессов с элементами иерархического синтеза цели, раскрытого на рис. 1.5, ипредопределяющего методы принятия решений в ОПУ на основе уровней ЧЦ-1, ЧЦ-2 в ЦЕЛО.Следует еще раз подчеркнуть, что в современных задачах проектирования СТС проработаноприменение частного варианта ИМПЕС — ромбовидной структуры ИС (РИС) в комбинации ОПУИМПЕС и ИНО ИМПЕС.

Также в [5] рассматривается, а в [1] обобщается комбинация РЕСО, ЭНОи элементов ЦЕЛО в биотехнической задаче повышения качества упрощенной системыестественных технологий организма в геронтологии с элементами синергетическойсамоорганизации [4], что может быть использовано в СТС.Рассмотрение подходов к созданию интеллектуализированных СТС (в том числе для уровнейприменения методов принятия решений) требует обобщения структур их представления понаправлению от РИС до ИМПЕС-систем с включением в структурно-функциональные свойстваСТС кроме иерархии ОПУ и ИНО энергетической, ресурсной и целевой иерархий.1.2.О МЕТОДАХ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ (МКО) И СИНТЕЗА СИСТЕМУПРАВЛЕНИЯ И ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА И ТЕХНИЧЕСКОГОУСЛОВИЯ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.1.2.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАДАЧИ И МЕТОДОВМНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВРЕГУЛИРОВАНИЯ, УПРАВЛЕНИЯ И ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙМногокритериальная оптимизация (МКО) процессов регулирования, управления и принятиярешения является следствием предъявления вектора требований к соответствующей системе наэтапах её проектирования и/или функционирования.