Управление и обратная связь

Основой управления служит обратная связь. Управляемая система вместе с регулятором, корректирующим входные воздействия в зависимости от состояния выхода системы, образуют замкнутый контур, который носит название контура обратной связи (рис. 2.7).

Y

S

Х

R

DX=RY

Рис. 2.7. Контур обратной связи

Обозначения:

S – управляемая система;

R – регулятор;

X – вход (входные воздействия);

DX – корректирующие воздействия;

Y –выход (выходные воздействия).

Часто, но не всегда, преобразования внутри системы S можно описать c помощью некоторой функции, которая ставит в соответствие каждому состоянию входа X состояние выхода Y. Допустим, что в системе происходит прямое преобразование, состоящее в усилении входного воздействия на выходе. Такому преобразованию соответствует произведение численного параметра входа (например, силы звука) на некоторый коэффициент S, т. е. Y=SX. Такое преобразование называется пропорциональным. Показатель S=Y/X называется пропускной способностью системы.

Если в регуляторе также происходит пропорциональное преобразование, то DX=RY. Таким образом, на вход системы поступает (X + DX). Тогда на выходе системы получим:

Y = S(X+DX) = S (X+RY) = SX + SRY.

Отсюда:

Это основная формула теории автоматического регулирования. Она показывает связь, возникающую между состоянием выхода и входа регулируемой системы, с учетом поправки, вводимой регулятором R. Коэффициент называется пропускной способностью системы регулирования. Если бы регулятор отсутствовал, то пропускная способность равнялась бы S. Наличие регулятора приводит к изменению пропускной способности. В связи с этим коэффициент называется мультипликатором или регулятором обратной связи. Умножение на него преобразует пропускную способность регулируемой (управляемой) системы S в пропускную способность системы регулирования.

В зависимости от характера цели управления выделяют отрицательные и положительные обратные связи. Отрицательная обратная связь – воздействие, передаваемое с выхода управляемой системы на ее вход, обеспечивающее поддержание системы в заданном состоянии (при неизменном значении описывающих ее параметров), т. е. для достижения так называемой «долгоcрочной» цели. В технических устройствах люди начали использовать этот принцип задолго до возникновения самого понятия «отрицательная обратная связь». Примером может служить терморегулятор, цель которого – обеспечить постоянство температуры в замкнутом объеме. В живом организме с помощью отрицательных обратных связей поддерживаются физиологические константы (температура тела, кровяное давление и т. п.).

Положительная обратная связь – воздействие, передаваемое с выхода управляемой системы на ее вход, предназначенное для перевода системы в новое состояние, которое зависит от сложившейся конкретной ситуации, т. е. для достижения «текущей» (меняющейся, конкретизирующейся) цели. Так, в условиях кризиса предприятие может изменить стратегию своего развития.

Принцип обратной связи предполагает коррекцию входных воздействий в процессе управления на основе информации о состоянии выхода управляемой системы. Целевое регулирование обратных связей есть управление поведением системы. Принцип обратной связи – это универсальный принцип управления, позволяющий организации в изменяющейся среде достигать заданной цели. Экономические системы в рыночной среде обладают развитым механизмом обратных связей. В частности, рынок, играя роль стабилизатора экономики, имеет в своей основе именно отрицательные обратные связи.

В системах с жесткой целеориентацией поведение обусловлено действием механизмов с отрицательной обратной связью, стремящихся возвратить систему к избранно­му курсу при различных отклонениях, или с положительной обратной связью при переходе на новый курс развития.

Дpyгoe поведение характерно для самоорганизующихся систем. Цe­ли их поведения не устанавливаются сверху, а формируются внутри, ис­ходя из собственных потребностей текущего развития, и могут меняться в зависимости от этих потребностей. Траектория их движения не дeтерминируется конечной целью. Процесс поведения самоорганизующихся систем характеризуется множеством целевых состояний, которые заранее неопределимы. В этих системах также присутствуют механиз­мы адаптации, но сфера их проявления существенно огpаничена облас­тями локальной устойчивости. Таким образом, для самоорганизующихся систем понятие цели по­ведения приобретает несколько иной и более широкий смысл: ­ это непрерывный процесс формирования множества локальных устойчивых состояний в соответствии с внутренними потребностями развития системы и с учетом внешних огpаничивающих факторов. Управление в этих системах не носит характера внешнего (принуждающего) задания цели, а реализуется в виде временных, про­странственных, ресурсных и иных огpаничений [24].

Итак, самоорганизация — это процесс упорядочения частей и элементов системы в пространстве и во времени за счет их внутреннего согласованного взаимодействия (в отличие от организации, под которой подразумевается то же самое, но под воздействием внешнего фактора).

Свойства систем

- свойства существования и строения систем (статический аспект);

- свойства функционирования и развития систем (динамический аспект);

- свойства взаимодействия системы и среды.

Свойства систем являются проявлением их закономерностей. Рассмотрим основные классы системных свойств.

1. Свойства существования и строения систем. К ним относят:

Эмерджентность. Понятие целостности (связности, единства целого) неразрывно связано с понятием эмерджентности.Целостные свойства систем, не сводимые без остатка к свойствам отдельных элементов, называются эмерджентными (неаддитивными) свойствами (У.Р. Эшби). Эмерджентностью называется наличие качественно новых свойств целого, отсутству­ющих у его составных частей. Это означает, что свойства целого не являются простой суммой свойств его элементов, хотя и зависят от них. В то же время, объединяемые в систему (целое) элементы могут терять свойства, присущие им вне системы, или приобретать новые.

В некоторых системах эмерджентные свойства могут быть выведены на основе анализа отдельных элементов (эмерджентность 1 рода), в большинстве же больших и сложных систем такие свойства в принципе не выводимы и часто не предсказуемы (эмерджентность 2 рода), например, человеческий мозг.

Очевидно, что необходимость в системном рассмотрении объекта возникает именно тогда, когда проявляются его эмерджентные свойства, не выводимые при поэлементном исследовании объекта. В связи с этим, можно сформулировать еще одно определение системы: система – это совокупность элементов и/или отношений, закономерно связанных в единое целое, которое обладает свойствами, отсутствующими у элементов и отношений его образующих. Эмерджентность – важнейшее свойство системы. Близким ему по значению является понятие интегративности систем.

Сложность - свойство, отражающее многообразие, неоднородность элементов системы и разное качество ее связей. Сложность системы меняется со временем, прежде всего, под влиянием изменений внешней среды.

Организованность (упорядоченность). Элементы и связи системы определенным образом организованы (упорядочены). Это обеспечивает конкретную форму существования системы, ее структуру. Организованность системы не абсолютна, она может изменяться во времени. Поэтому свойство организованности систем может трактоваться, как свойство системы реагировать на возрастание сложности путем изменения множества реализуемых связей. Чем меньшим числом связей система «справляется» с ростом своей сложности, тем выше ее организованность («брать не числом, а умением»).

Степень организованности или упорядоченности может определяться степенью отклонения системы от максимально неупорядоченного состояния:

,

где Э реал – реальное или текущее значение энтропии (неопределенности) системы;

НЭ – негэнтропия системы;

Эмах — максимально возможная энтропия или неопределенность по структуре и функции системы.

Энтропия[17]служит количественной мерой неупорядоченности в системе и определяется числом допустимых состояний системы. Энтропия удовлетворяет следующим требованиям: 1) принимает максимальное значение в наиболее «неупорядоченном» (хаотичном) ансамбле, в котором все его члены встречаются с одинаковой вероятностью; 2) принимает минимальное значение в наиболее «упорядоченном» ансамбле, в котором с достоверностью встречается только один из его членов. Энтропия есть натуральный логарифм числа допустимых состояний системы S. Чем больше у системы число допустимых состояний S, тем больше энтропия. Так как логарифм – величина безразмерная, то и энтропия является безразмерной величиной. Если система может находиться только в единственном допустимом состоянии (S=1), тогда Э = 0.

Степень организованности и упорядоченности системы по­вышается только при целесообразном и направленном взаимодействии элементов системы. Если имеют место случайные факторы, различного рода флуктуации и шумы, то они не способствуют росту организованности системы.

Внешнее воздействие разрушает систему, если его сила становится больше силы внутренних связей системы. Из-за дезорганизующих внешних воздействий происходит возрастание энтропии системы. В то же время снижение энтропии системы до нулевого значения означает полную «заорганизованность» системы и приводит к негативному результату (вырождению системы), так же как и ее чрезмерное возрастание.

Делимость. Система может быть разделена на относительно самостоятельные части – элементы. Выделение элементов в сложных системах опосредуется разбиением систем на подсистемы, представляющие собой относительно самостоятельные части системы, которые в свою очередь состоят из подсистем и/или элементов, т. е. при необходимости подвергаются дальнейшему разбиению. Вместе с тем, следует иметь в виду важное обстоятельство: деление системы на части есть нарушение ее целостности и эмерджентности. Мы будем иметь дело уже с другой системой. Поэтому деление системы в процессе анализа должно быть очень искусным, чтобы не упустить существенных особенностей системы.

Разделение объектов на элементы и подсистемы относительно. Каждая система может быть представлена как элемент системы большего масштаба («надсистемы» или «суперсистемы»). В свою очередь, любой элемент можно рассматривать в качестве относительно самостоятельной системы, состоящей из элементов. Так, атом, будучи элементом системы «молекула», сам является системой, состоящей из ядра и электронов. Цех, будучи элементом системы «предприятие», является одновременно системой производственных участков и/или рабочих мест. Таким образом, выявляется еще одно свойство систем – упорядоченность систем по вложению или иерархичность.

Иерархичность, или иерархическая упорядоченность, была в числе первых закономерностей систем, которые выделил и исследовал Л. фон Берталанфи. Он, в частности, показал связь иерархической упорядоченности мира с явлениями дифференциации и негэнтропийными тенденциями, т. е. с закономерностями самоорганизации, развития открытых систем. Каждый уровень иерархической упорядоченности имеет сложные взаимоотношения с вышестоящим и нижестоящим уровнями. При этом по отношению к нижестоящему уровню данный имеет характер автономного целого (системы), а по отношению к вышестоящему – проявляет свойства зависимой части (элемента системы большего масштаба) [8].

Существует так называемый парадокс иерархичности, который заключается в том, что решение задачи описания системы возможно лишь при условии наличия описания этой системы как элемента более широкой системы (надсистемы). В свою очередь, описание системы как элемента более широкой системы возможно только при условии наличия описания данной системы как системы. Парадокс иерархичности, таким образом, представляет собой взаимную обусловленность решения двух задач:

1) описания системы как таковой;

2) описание этой системы как элемента более широкой системы.

Не все системы имеют иерархическую упорядоченность. Выделяют и неиерархические системы, в которых доминируют горизонтальные, а не вертикальные связи между элементами.

Наследственность – способность системы сохранять признаки, присущие предшествующим поколениям данного вида систем. Свойство характерно для естественных и социально-экономических систем. Например, по мнению Г.Б. Клейнера [12], такая система, как предприятие, имеет социально-экономический генотип (совокупность наследуемых характеристик), благодаря которому осуществляется сохранение, воспроизводство и эволюция этой системы.

Потенциальная эффективность – способность системы осуществить свое предназначение, выполнить поставленные задачи, цели. Категория эффективности системы имеет двойственную приро­ду. С одной стороны, эффективность имманентно присуща самой системе, а с дрyгой - связана со свойствами «надсистемы» (системы более высокого уровня) и является xapaктeристикой, внешней по отношению к данной системе.

2. Свойства функционирования и развития систем. К ним относят:

· устойчивость,

· управляемость,

· динамичность (изменчивость),

· гибкость,

· инерционность,

· безопасность,

· надежность,

· неопределенность.

Подустойчивостьюпонимается способность системы возвращаться в состояние равновесия после воздействия внешних возмущений. Устойчивость системыпонимают как:

- способность системы сохранять динамическое равновесие со средой;

- способность системы компенсировать воздействие возмущений.

Простейшим случаем устойчивого состояния системы является равновесие, т. е. такое состояние системы, в котором она остается сколь угодно долго, если отсутствуют возмущающие воздействия. Для технических систем понятие устойчивости может быть определено строго, для организационных систем – качественно. Условием функционирования системы является определенная степень ее устойчивости к тем возмущающим воздействиям, которым она подвергается. Термин «устойчивость» подразумевает, что, несмотря на «возмуще­ние», система сохраняет неизменными те свои свойства и характеристики, которые делают ее данной системой. Под возмущением понимается любое воздействие на систему, переводящее ее из одного состояния в другое.

Примером устойчивости системы является случай, когда поведение системы характеризуется цикличностью. Цикл возникает, если при отсутствии возмущений система периодически проходит повторно одну и ту же последовательность состояний – устойчивое множество состояний.

Понятие равновесия (гомеостазиса) развил английский нейрофизиолог и кибернетик У.Р. Эшби. Гомеостазисом называют свойство системы сохранять в процессе взаимодействия со средой значения существенных переменных в некоторых заданных пределах. Существенными называют характеристики, тесно связанные с основным качеством системы, нарушение которого приводит к ее разрушению.

Состояние равновесия (или цикл) системы может быть устойчивым, неустойчивым или безразлично устойчивым относительно некоторого возмущения, действующего на систему. Результаты влияния возмущающих воздействий на систему, находящуюся в состоянии равновесия, могут быть различны. Если система возвращается в состояние равновесия при любых возможных возмущениях, то равновесие абсолютно устойчиво. Если система возвращается в состояние равновесия при возмущениях из некоторой области, то равновесие называется устойчивым относительно этой области. Если после воздействия система сохраняет состояние, вызываемое возмущением, говорят, что система безразлично устойчива. В других случаях система считается неустойчивой.

Иногда выделяют два рода устойчивости. Устойчивостью первого рода называется свойство системы вновь возвращаться в исходное состояние после выхода из состояния равновесия. Такой вид устойчивости соответствует статическому равновесию. Но отклонения могут быть слишком велики, и система может разрушиться. Тогда она перейдет в новое состояние, так называемое энтропийное равновесие. Устойчивость второго рода имеет место тогда, когда после выхода системы из состояния равновесия она переходит в состояние колебания вблизи нового равновесного состояния. Такой вид устойчивости соответствует динамическому равновесию, при котором возмущающие воздействия подавляются с помощью внутренней перестройки структуры и нового роста.

Управляемость – свойство, характеризующее степень охвата связей системы сознательным контролем. Это свойство присуще системам, в которых осуществляется процесс управления. Обычно его связывают с искусственными системами. Мерой, позволяющей судить о степени управляемости системы, может служить отношение количества контролируемых связей к общему их числу.

Динамичность (изменчивость) – способность системы меняться во времени. Важным системным свойством является инерционность,определяющая время, необходимое для перевода системы из одного состояния в другое при заданных параметрах управления. В экономике большинство систем обладают значительной инерционностью. Это явление находит отражение в моделях с лагом (периодом запаздывания).

Гибкость - свойство системы изменять цель и параметры в зависимости от условий функционирования или состояния подсистем.

Безопасность системы. С одной стороны, безопасным называют явление и (или) состояние какого-либо носителя опасности, которое не содержит угрозы, возможного вреда для его окружения; с другой – свойство безопасности приписывают объекту, надежно защищенному от опасных для него воздействий. Следовательно, понятие безопасности имеет две стороны:

1) внешнюю, определяющую воздействие объекта на среду;

2) внутреннюю, характеризующую свойства сопротивляемости объекта по отношению к действиям среды.

Внутренняя безопасность–способность системы поддерживать свое нормальное функционирование в условиях внешних и внутренних воздействий. Внешняя безопасность– способность системы взаимодействовать со средой без нарушения равновесия последней. Иначе, воздействие системы на среду не приводит к необратимым изменениям или нарушениям важнейших параметров, характеризующих состояние среды, принятое за допустимое.

Надежность системы –ееспособность сохранять свои наиболее существенные свойства (безотказность) на заданном уровне в течение фиксированного промежутка времени при определенных условиях эксплуатации. Этим свойством обладают, например, информационные системы. Надежность может оцениваться, например, вероятностью того, что при функционировании в заданных условиях система будет удовлетворительно выполнять требуемые функции в течение установленного промежутка времени.

3. Свойства, характеризующие взаимодействия системы и среды. К ним относят:

· изолированность,

· коммуникативность (открытость),

· адаптивность.

Любая система изолирована (автономна): совокупность элементов, образующих систему, можно отделить от других объектов и рассматривать изолированно. Изолированность системы относительна: отдельные элементы системы (входы и выходы) связаны с наблюдателем и средой. При этом входы и выходы системы либо контролируемы, либо, по крайней мере, наблюдаемы.

Двойственным свойством изолированности является коммуникативность (открытость), которая означает, что система не изолирована от других систем, она связана множеством коммуникации со средой, представляющей собой, в свою очередь, сложное и неоднородное образование. Среда включает надсистему (систему более высокого порядка, задающую требования и ограничения исследуемой системе), подсистемы («нижележащие» системы), и системы одного уровня с рассматриваемой.

Системы могут обладать разной степенью открытости. Между системами происходит обмен веществом, энергией и информацией. Причиной обмена является неравновесное состояние систем, как во взаимодействии между элементами, так и между системами. В открытой системе устанавливается динамическое равновесие, которое может быть направлено в сторону усложнения организации (вопреки второму закону термодинами­ки, благодаря вводу негэнтропии извне), и функционирование является не просто реакцией на изменение внешних условий, а сохранением ста­рого или установлением нового подвижного внутреннего равновесия системы.

Адаптивностьпонимается как способность системы изменять свою структуру и варианты поведения в соответствии с новыми целями и под воздействием факторов внешней среды. Система обладает способностью приспособления к изменяющимся факторам внешней среды. Взаимодействия системы со средой порождают определенный тип поведения системы, ее адаптацию к условиям среды. Процесс адаптации обусловлен как внешними факторами (сложностью и изменчивостью среды), так и внутренними особенностями системы, в том числе ее способностью приспосабливаться, иначе – адаптивностью.

По характеру влияния на окружающую среду системы различной сложности делятся на две группы. К первой группе относятся объекты, которые сохраняют себя как целое, не изменяя среду, не приспосабливая её к себе, ко второй – объекты, способные «развернуть среду на себя».