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 искусствен- ных системах.

План

1.Самоорганизация и организация

2.Контур с обратной связью

3.Управленческая деятельность

3.3. 1 САМООРГАНИЗАЦИЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ

По сценарию, описанному в разделе 3. 2, происходит развитие как есте- ственных, 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 це- ленаправленных слабых внешних воздействий организует их развитие, то есть управляет ими. Благодаря этому время эволюции системы удается суще- ственно 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 эво- люцией Вселенной. Именно благодаря находкам в области управления со-

временная химия сумела за последние полсотни лет синтезировать десятки тысяч синтетических веществ, которые природа не смогла создать за милли- арды лет существования Земли.

Результат развития системы во многом будет зависеть от величины, ха- рактера, качества и времени внешнего воздействия (т. е. от качества управ- ленческих решений). На процессы самоорганизации накладываются процес- сы организации. Поэтому в таких системах важная роль принадлежит дея- тельности 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 со- временной 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 Норн- берта 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 объек- та (управление) можно производить стандартными приемами, независимо от типа объекта. Почти одновременно с «Кибернетикой» Винера появилась тео-

142

рия 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 ин- формации. Существует множество средств коммуникации (лат. communico — связываю, общаюсь) и каналов передачи информации:: с помощью электри- ческих сигналов, звуков, символов и т. д. Например, в дикой природе многие животные метят свою территорию, сорока своим стрекотом оповещает обита- телей леса о присутствии посторонних, «танцующая» пчела ориентируется в направлении, указывающем ее сородичам на место медосбора, в городе све- тофор подает запрещающий или разрешающий сигнал для перехода перекре- стка. В человеческом обществе знаковые системы несут смысловое значение. Чередование знаков или группировка их в определенном порядке несут со- общение (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 биоло- гическую, медицинскую, экономическую, техническую кибернетику.

3.3.2. КОНТУР С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

Кибернетические системы обладают способностью не только приспо- сабливать формы своего поведения к изменениям окружающей среды, но и активно воздействовать на нее благодаря механизму прямой и обратной пе- редачи информации. Под обратной связью понимают воздействие результа- тов функционирования какой-либо системы (или объекта) на характер этого функционирования. Например, при прикосновении к горячему предмету, че- ловек моментально отдергивает руку. Что произошло? При прикосновении руки к горячему в окончаниях нервных волокон, расположенных в коже (ре- цепторов) возник нервный импульс, который в виде электрического сигнала попадает в центральную нервную систему (мозг). ЦНС вырабатывает ответ- ный импульс (команду), который направляется к мышцам руки. Учитывая, что длина нерва примерно 1,5 м, скорость распространения импульса — око- ло 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 потре- буется обратная связь, которая несет информацию о правильности выполне- ния 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, всевоз- можные датчики, измерительные приборы контролируют величину парамет- ров реакционной смеси.

Если обратная связь приводит к неустойчивой работе системы, ее назы- вают положительной. Если обратная связь стабилизирует функционирова- ние, ее называют отрицательной. Системы, обладающие отрицательной об- ратной связью, способны к самоуправлению (самоорганизации). Например,

143

все биологические системы при изменении внешних факторов перестраивают обмен веществ, работу органных систем, адаптируются к внешним условиям.

I1 — корректирующий сигнал

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 об- ратная связь управляет поведением объекта при достижении им цели или ка- кого-то состояния. Каждый управленческий цикл — это некий элементарный акт, «квант» управления. Совокупность таких «квантов» поддерживает систе- му в устойчивом состоянии.

Процессы функционирования живого организма, общества, автоматиче- ских систем складываются из множества контуров управления или само- управления. Среди этого множества выделяются два типа: первый обеспечи- вает простое управление, упорядочивание, симметрию, устойчивость, второй

— накапливает новые изменения и способствует самоорганизации управляе- мой 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, сис- тема обратных связей, управляющее внешнее воздействие, способствующее сохранению целостности системы.

Например, система управления государством (государственные власти) ведет целенаправленную деятельность по сохранению целостности государ- ства, 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

144

безопасности производства. Разрушение обратной связи ведет к неуправляе- мости системы и ее разрушению. В случае ослабления обратной связи начи- нается несогласованность в работе системы. Например, если нарушается об- ратная 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, по- зволяющих 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 производст- венного) процесса является получение высококачественного продукта при наименьших энергетических затратах, рациональном использовании исход- ных компонентов и в максимально короткие сроки. Это возможно осущест- вить лишь в условиях предварительного планирования процесса, выстраива- ния его алгоритма, прогнозирования его результатов, эффективного управле- ния им и при наличии средств управления — измерительной аппаратуры, по-

зволяющей вести мониторинг за ходом процесса и при необходимости менять отдельные параметры.

Химические системы относительно просты; в иерархии систем они за- нимают невысокий уровень и для их описания необходимо сравнительно не- большое 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 фундамен- тальным законам природы. Благодаря этой сравнительной простоте природ- ных 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 функ- циональную математическую модель системы. Изменяя значения перемен- ных в уравнениях, описывающих модель, можно построить множество воз- можных вариантов ее развития, выбрать оптимальный в данных условиях и реализовать его практически.

145

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

ит. 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 эта- пе ее развития. Многие из них неизменны (например, свойства используемых реагентов, как правило, хорошо известны или изучены до организации про- цесса и в его ходе практически не изменяются), некоторые ( давление, темпе- ратура, количество вещества) можно измерить с помощью измерительной ап- паратуры или специальных датчиков, количественная оценка влияния конст- рукции реактора может быть получена из предварительных испытаний.

3.Выделить отдельные стадии процесса, его отдельные ступени (по- строить алгоритм) и наиболее важные параметры управляемой системы, с помощью изменения которых управляющая система может удерживать про- цесс в рамках заданного алгоритма и направлять его в то русло, которое со- ответствует оптимальному достижению поставленной цели.

4.На каждой стадии требуется вмешательство в процесс, изменение его параметров (принятие управленческого решения), в противном случае про- цесс 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, кото- рый имеет четко отработанную схему (алгоритм) деятельности в условиях модельных стандартных ситуаций. Эффективность управления зависит от его профессиональных качеств, способности принимать адекватные сложившей- ся ситуации управленческие решения и поддерживать поведение управляемо- го объекта в рамках заданного алгоритма. Описать поведение человека с по- мощью математических уравнений практически невозможно. Оно определя- ется не только интеллектуальными возможностями человека, но и личност- ными качествами и массой непредсказуемых случайностей, влияющих на его психическое состояние, а, следовательно, качество принимаемых им решений (хотя и это пытаются учесть, организуя переподготовку специалистов, специ- альные учения и тренинги). Процессы в таких системах подчиняются не только фундаментальным законам природы, но и законам человеческой пси- хики. В них наряду с объективными факторами важнейшую роль играют субъективные личностные качества человека.

Кроме того, реальный процесс всегда отличается от модели. Его состоя- ние зависит от массы случайностей, провоцирующих отклонение от заданно-

146

го алгоритма. В нестандартных условиях, когда недостаточно хорошо изуче- но 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, моде- лировании и управлении социальными системами. В этих системах взаимо- действует множество субъектов. Для построения математической модели управления социальным процессом необходимо не только выделить основ- ные 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 со- стояние 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 соци-

альных процессов можно рассматривать пока лишь как попытку вторгнуться в сложнейшую область человеческих отношений, ибо создание их математи- ческих моделей на современном уровне развития науки весьма проблематич- но и связано с трудностями установления функциональных зависимостей.

Тем не менее, осмысление идей синергетики применительно к социаль- ным процессам весьма актуально, имеет принципиальное значение, а актив- ное их освоение психологами и социологами внушает уверенность в том, что рано или поздно идеи математического моделирования будут наравне с тра- диционными эмпирическими методами исследования применены к их управ- лению.

Новые понятия и термины: управление, обратная связь, многокон- турная система.

Ведущая идея:

-контур с обратной связью как основной элемент системы управления.

147