УПРАВЛЕНИЕ ПО СХЕМЕ ПРЕДИКТОР-КОРРЕКТОР 3 страница
Режим маневрирования, в котором производные по времени контрольных изменяющихся параметров постоянны (в пределах допустимой ошибки управления), называется установившимся манёвром . Установившийся манёвр сам является балансировочным режимом, из вектора целей которого изключены изменяющиеся в процессе манёвра контрольные параметры.
Если идти от реально протекающего процесса управления и строить по предположению (т.е. гипотетически) вектор целей субъекта, реально управляющего процессом (это называется «идентификация» вектора целей), то один и тот же режим можно интерпретировать в качестве балансировочного режима или устойчивого колебательного манёвра. Так, при отнесении к вектору целей только параметров, колеблющихся относительно средних значений (в зависимости от ограничений на ошибки управления), режим интерпретируется как балансировочный режим; при отнесении к вектору целей хотя бы одного из произвольно меняющихся параметров, режим интерпретируется как манёвр.
Точно также один и тот же режим можно возпринимать как устойчивый, изходя из одних ограничений на вектор ошибки; и как неустойчивый, изходя из более строгих ограничений на вектор ошибки; в этом предложении хорошо видно проявление возможности двоякого понимания устойчивости: по ограниченности и убыванию отклонений и по предсказуемости.
Простейший пример балансировочного режима - езда на автомобиле по прямой дороге с постоянной скоростью. Все стрелочки на приборной панели, кроме разхода бензина, подрагивают около установившихся положений; но рулём всё же «шевелить» надо, поскольку неровности дороги, боковой ветер, разное давление в шинах, люфты в подвесках и рулевом приводе норовят увести автомобиль в сторону.
|
|
|
Манёвры в свою очередь разделяются на слабые и сильные . Это разделение не отражает эффективности манёвра. Понятие слабого манёвра связано с балансировочными режимами. Перевод системы из одного балансировочного режима в другой балансировочный режим - это один из видов манёвра. Некоторые замкнутые системы обладают таким свойством, что, если этот перевод осуществлять достаточно медленно, то вектор состояния системы в процессе манёвра не будет сильно отличаться от вектора состояния в изходном и (или) конечном балансировочном режиме за изключением изменяющихся в ходе манёвра контрольных параметров и некоторых свободных параметров, информационно связанных с контрольными.
Если на корабле положить руль на борт на 3 - 4 градуса, то корабль начнёт описывать круг очень большого диаметра и будет произходить изменение угла курса. Если это делается вне видимости берегов и в пасмурную погоду, то большинство пассажиров даже не заметят манёвра изменения курса. Если же на полном ходу быстроходного корабля (узлов 25 - 30) резко положить руль на борт градусов на 20 - 30, то палуба в процессе перекладки руля дёрнется под ногами в сторону обратную направлению перекладки руля; потом начнётся вполне ощутимое вестибулярным аппаратом человека изменение курса, сопровождающееся вполне видимым креном до 10 и более градусов.
|
|
|
Хотя в обоих случаях изменение курса может быть одинаковым, гидродинамические характеристики корабля в первом случае слабого манёвра не будут сильно отличаться от режима прямолинейного движения; во втором случае, когда корабль начнёт входить в циркуляцию диаметром не более 4 - 5 длин корпуса, - будет падать скорость хода, появится значительная по величине поперечная составляющая скорости обтекания корпуса и крен, а общая картина обтекания корпуса и гидродинамические характеристики будут качественно отличаться от бывших при прямолинейном движении или слабых манёврах.
Разделение манёвров на сильные и слабые в ряде случаев позволяет существенно упростить моделирование поведения замкнутой системы в процессе слабого маневрирования без потери качества результатов моделирования. Поскольку выбор меры качества всегда субъективен, то и разделение манёвров на сильные и слабые определяется субъективизмом в оценке качества моделирования и управления. Но, если такое разделение возможно, то слабому манёвру можно подыскать аналогичный ему (в ранее указанном смысле) балансировочный режим.
|
|
|
Для физически однокачественных процессов разделение манёвров на сильные и слабые основано на моделировании в безразмерном времени. Поскольку понятие о времени и его измерение связано с выбором эталонной частоты, то в качестве эталонных частот могут быть взяты и собственные частоты колебаний объектов управления, замкнутых систем, процессов взаимодействия замкнутых систем и окружающей среды. Это приводит к понятию динамических подобных (частично или полностью) объектов, систем и процессов, для которых процессы (балансировочные режимы и манёвры), отнесённые ко времени, основанном на сходственных собственных частотах, в некотором смысле идентичны. Подробно это разсматривает теория подобия, являющаяся разделом многих частных отраслей знания. Сопровождение слова «идентичность» эпитетом «некоторая» обусловлено тем, что подобие может осуществляться на разных физических носителях информационных процессов (управления ), на разных уподоблениях друг другу параметров подобных систем.
|
|
|
Уподобление - обезразмеривание, т.е. лишение реальных физических и информационных параметров их размерности (метров, килограммов, секунд и т.п.) отнесением их к каким-либо значениям характеристик замкнутой системы и среды, обладающим той же размерностью (метрами, килограммами, секундами и т.п.). В результате появляются безразмерные единицы измерения сходственных в некотором смысле параметров у сопоставляемых объектов, одинаково характерные для каждого из них. Это свойство общевселенской меры лежит в основе моделирования на одних физических носителях процессов, реально протекающих на других физических носителях (аналоговые вычислительные машины); и в основе информационного (чисто теоретического) моделирования, в котором важна информационная модель, а её физический носитель интереса вообще не представляет (любой алгоритм, предписывающий последовательность действий независим по существу от его материального носителя: бумага, дискета, древний “Минск-32”
[68], IBM-PC или суперкомпьютер, человек).
Анализ течения подобного моделирующего процесса может протекать в более высокочастотном диапазоне, чем течение реального подобного моделируемого процесса: это даёт возможность заглянуть в будущие варианты развития моделируемого процесса, что является основой решения задач управления вообще и задачи о предсказуемости, в частности. Примеры такого рода моделирования - все аэродинамические и прочностные эксперименты и расчёты в авиации, судостроении и космонавтике. Моделирование высокочастотного процесса в низкочастотном диапазоне позволяет отследить причинно-следственные связи, которые обычно ускользают от наблюдателя при взгляде на скоротечный реальный процесс. Примером такого рода является скоростная и сверхскоростная киносъёмка (более 105кадров в секунду) и замедленная (по сравнению с реальностью) проекция ленты, что позволяет решать многие технические и биологические (медицинские) проблемы.
Понятие сильных и слабых манёвров для подобных объектов и замкнутых систем связано с различением манёвров в безразмерных единицах времени. Подобными могут быть и физически разнокачественные процессы, например, описываемые одной и той же математической моделью. Но для физически однокачественных процессов, отличающихся размерными характеристиками, области реальных параметров сильных и слабых манёвров будут различны. Об этом всегда необходимо помнить имея дело с реальными однокачественными замкнутыми системами, различающимися своими размерными характеристиками.
3.12. Манёвры и теория катастроф
Замкнутая система может иметь один и более устойчивых балансировочных режимов, принадлежащих к счётному или несчётному множеству. Перевод замкнутой системы из одного балансировочного режима в другой - наиболее часто встречающийся вид манёвра. Манёвр, кроме каких-то специфических случаев, имеет смысл, если конечный для него балансировочный режим - устойчивый режим для данной замкнутой системы. В пространстве параметров, описывающих замкнутую систему, манёвр - траектория перехода от одной точки (начальный вектор состояния) к другой точке (конечный вектор состояния). Манёвр - безусловно устойчив, если возмущающее воздействие, возпринимаемое замкнутой системой в его ходе, не выведет траекторию в пространстве параметров из некоего коридора допустимых отклонений от идеальной траектории.
По отношению к манёвру вектор целей - функция времени, т.е. идеальная траектория и хронологический график прохождения контрольных точек на ней. Множество допустимых векторов ошибки - коридор допустимых отклонений от идеальной траектории с учётом отклонений по времени в прохождении контрольных точек на идеальной траектории.
Манёвр может быть и условно устойчивым, то есть замкнутую систему удаётся перевести в конечное состояние с приемлемой точностью, но возмущающие воздействия (в том числе конфликтное управление) в процессе манёвра плохо предсказуемы до его начала; вследствие этого траектория перехода должна корректироваться в ходе манёвра с учётом реальных отклонений. Манёвр может быть завершён при условии, что в течение перехода возмущающие воздействия не превысят компенсационных возможностей замкнутой системы. Это же касается и ситуации конфликтного управления одним объектом со стороны нескольких субъектов.
Примером такого рода условно устойчивого манёвра является любое плавание эпохи парусного флота «из пункта А в пункт Б»: совершить переход - шансы есть, но об аварийности, сроках и маршруте можно говорить только в вероятностном смысле о будущем и в статистическом смысле - о прошлом. Политика также даёт множество примеров такого рода условно устойчивых манёвров.
То есть, безусловно устойчивый манёвр имеет вероятность успешного завершения, обусловленную возмущающими воздействиями на замкнутую систему в его ходе, равную единице, которая однако может быть сведена к нулевой вероятностной предопределённости низкой квалификацией управленцев
[69]. Вероятность приемлемого завершения условно устойчивого манёвра подчинена объективно вероятностным предопределённостям возмущающего воздействия, характеристикам объекта, а субъективно - высокая квалификация субъекта-управленца может вытянуть до единичной предопределённости низкую вероятность осуществления условно устойчивого манёвра.
В этой формулировке под «возмущающим воздействием» следует понимать как внешние воздействия среды, включая и конфликты управления, так и внутренние изменения (поломки и т.п.) в замкнутой системе. Этот пример также иллюстрирует соотношение понятий «устойчивость в смысле ограниченности отклонений» и в смысле предсказуемости поведения.
К манёврам перехода предъявляются разные требования, но наиболее часто предъявляется требование плавности, безударности, т.е. отсутствия импульсных (ударных) нагрузок на замкнутую систему в процессе её движения по идеальной траектории манёвра с допустимыми отклонениями в пространстве параметров. В математической интерпретации это требование эквивалентно двукратной дифференцируемости по времени вектора состояния замкнутой системы и наложению ограничений на вектора-производные («скорость», «ускорение») во всём пространстве коридора допустимых отклонений на протяжении идеальной траектории. Снятие этого требования - перенос задачи управления в область приложений теории катастроф .
Теория катастроф разсматривает процессы, в которых плавное изменение параметров системы прерывается их скачкообразным изменением (предсказуемым или заранее неизвестным), после чего система оказывается в другом режиме существования или разрушается.
Этот скачок теория называет «катастрофой» (далее катастрофа в кавычках - именно в этом смысле), что в большинстве случаев практических приложений правильно, поскольку ударный характер нагрузки на замкнутую систему может её повредить, разрушить или быть неприемлемым по каким-то иным причинам. Сама теория «катастроф» родилась из обобщающего анализа реальных катастроф в их математическом описании. Режим, в котором оказывается система после «катастрофы», может быть предсказуем - либо однозначно, либо в вероятностно-статистическом смысле, либо непредсказуем.
Типичный пример явлений, изучаемых теорией «катастроф», - переход колебательного процесса из одной потенциальной ямы в другую потенциальную яму: так в шторм корабль изпытывает качку относительно одного устойчиво вертикального положения - нормального: днищем - вниз, палубой - вверх. Плавное увеличение амплитудных значений крена при качке может привести к внезапному опрокидыванию корабля кверху днищем в течение интервала времени менее полупериода качки (секунды) в процессе усиления шторма, обледенения и т.п. Но и опрокинувшийся корабль может не сразу же пойти ко дну, а может ещё длительное время оставаться на плаву кверху днищем, по-прежнему изпытывая качку относительно своего другого, также устойчиво вертикального положения, но уже не нормального.
«Неплавная» траектория может быть проекцией вполне «плавной» траектории, лежащей в пространстве параметров большей размерности, в подпространство меньшей размерности. Область потенциально устойчивого по предсказуемости управления в пространстве параметров вектора состояния по отношению к конкретной замкнутой системе - объективная данность. В ней лежит множество объективно возможных траекторий манёвров; и множество объективно невозможных. Во множестве объективно возможных траекторий можно выделить подмножество траекторий, на которых лежат точки «катастроф». Это могут быть точки нарушения двукратной дифференцируемости по времени вектора состояния; точки превышения ограничений, налагаемых на вектора-производные; точки изменения меры предсказуемости (например, точки ветвления траекторий в вероятностном смысле); точки на границах между двумя потенциальными ямами и т.п.
Если разсматривать сказанное по отношению к железнодорожному транспорту страны, то: область потенциально устойчивого управления - вся территория государства; множество объективно возможных манёвров - существующая сеть железных дорог. Множество объективно невозможных - всё, где нет рельсов и где невозможно по техническим причинам проложить рельсы или построить стрелочные переводы для изменения направления движения. Точки катастроф - неисправные пути и стрелочные переводы, слишком крутые повороты и негабаритные места, непроходимые для некоторых видов подвижного состава и локомотивов и т.п. - то есть это реальные возможности катастроф. По отношению к каждому из видов груза железнодорожные узлы - точки ветвления их траекторий в вероятностном смысле.
Этот пример хорошо показывает соотношение всех перечисленных категорий, но сами «катастрофы»теории катастроф в нём представлены только реальными катастрофами железнодорожного транспорта. Далее, чтобы не путаться в катастрофах в кавычках и без кавычек, мгновенную потерю управления - в смысле теории «катастроф» - мы будем называть срыв управления .
Причины срывов управления могут быть самые различные и могут лежать на любом из этапов полной функции управления.
Две любые точки в пространстве параметров, описывающих замкнутую систему (два вектора состояния), могут соединять более чем одна траектория. Среди этих траекторий могут быть траектории, отвечающие требованию плавности, и траектории, хотя и не проходящие через точки срыва управления, но по которым «жёстко ездить» из-за превышения ограничений, налагаемых на вектора-производные. Возможны ситуации, когда все траектории, соединяющие начальный и конечный вектора состояний, проходят через точки срыва управления. Но чаще приходится сталкиваться с тем, что неквалифицированные управленцы, потеряв управление и зная о способности управляемой ими иерархически организованной системы к самовозстановлению управления в некотором режиме после включения в процесс иных её уровней организации, начинают дурачить головы доверчивым простакам ссылками на «теорию катастроф» и «шоковую терапию». Чаще других этим грешат политиканы. Для них точки «катастроф» - точки, в которых обнажается их несостоятельность в качестве управленцев.
В действительности же следует изследовать геометрию области предполагаемого маневрирования на предмет её полного включения в область потенциально устойчивого управления. Если же какие-то фрагменты области предполагаемого маневрирования содержат в себе точки срыва управления, выпадают из области потенциально устойчивого (при необходимом качестве) управления по причине много-связности
[70]области, отсутствия её выпуклости и т.п., то такие зоны необходимо изключить и пролагать траектории манёвров в обход них (и точек срыва управления в частности).
Именно этим занимаются все квалифицированные навигаторы: зная осадку корабля, при подходе к берегу, на навигационной карте они проводят границу района, запретного для маневрирования из-за малости в нём глубин. Кроме того, курс пролагается по возможности вдали и от одиночных опасностей: затонувших судов, скал и т.п. В те же времена, когда составлялись первые карты, в незнакомые районы под всеми парусами тоже никто не совался: шли с осторожностью, делая непрерывно промеры глубин; иногда корабль лежал в дрейфе или стоял на якоре, а промеры делали со шлюпки.
Манёвр перехода из одного балансировочного состояния в другой, отвечающий требованию плавности, если позволит время, разпадается на три периода:
· выход из балансировочного режима,
· установившийся манёвр (сам балансировочный режим, но с другим вектором целей),
· вхождение в новый балансировочный режим.
3.13. Процессы в суперсистемах:
возможности течения
3.13.1. Понятие о суперсистемах
Теперь, после достаточно подробного ознакомления с понятийным и терминологическим аппаратом теории управления, перейдём к описанию процессов управления и самоуправления в суперсистемах и их иерархиях.
Под суперсистемой мы понимаем множество элементов, хотя бы частично функционально аналогичных в некотором смысле друг другу. «Аналогия» и «подобие» в контексте настоящей работы - не синонимы. Аналогия предполагает возможность прямой замены одного другим; подобие (полное или частичное) предполагает только идентичность процессов, протекающих в разных объектах, при их описании в общей для них системе параметров, лишённых их реальной размерности.
Аналогия предполагает определение некоего набора качеств, которыми обладают объекты, аналогичные именно в смысле избранного набора качеств. Объекты, обладающие более узким или более широкимнабором качеств, чем определённый , принадлежат к другому классу объектов, хотя они являются тем не менее, частичными или более широкими (объемлющими ) аналогами объектов разсматриваемого класса, разпознаваемых по вполне определённому конечному набору качественных признаков. Благодаря частичным и объемлющим аналогам все классы объектов, разпознаваемые по любому набору качественных признаков, взаимно проникают один в другой, сливаясь в понятии «Мироздание».
Таким образом, суперсистема - множество элементов, хотя бы частично функционально аналогичных друг другу в некотором смысле и потому хотя бы отчасти взаимозаменяемых. Кроме того, все её элементы самоуправляемы (или управляемы извне) в пределах иерархически высшего объемлющего управления на основе информации, хранящейся в их памяти; каждым самоуправляемым элементом можно управлять извне, поскольку все они могут принимать информацию в память; каждый из них может выдавать информацию из памяти другим элементам своего множества и окружающей среде и потому способен к управлению, и (или) через него возможно управление другими элементами и окружающей средой; все процессы отображения информации как внутри элементов, так и между ними в пределах суперсистемы и в среде, её окружающей, подчинены вероятностным предопределённостям, выражающимся в статистике.
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 173; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!