Основные законы и принципы кибернетики

Введение

Пролог

Локальная система управления содержит сведения по алгоритмическому обеспечению управляющих систем нижнего уровня современных АСУТП.

Основные цели курса ЛСУ:

1. Сформировать системный подход к решению задач алгоритмического обеспечения базового уровня АСУ ТП ТЭС;

2. Интеграция и практическое использование полученных знаний по другим инженерным дисциплинам (перечень основных дисциплин на которых базируется курс «Локальные системы управления»:

· математические основы теории систем;

· теория автоматического управления;

· метрология и технологические измерения;

· моделирование систем управления;

· котельные установки;

· режимы работы ТЭС;

· программно-технические комплексы;

· регулирующие органы систем управления;

· проектирование систем автоматизации.

Слово «кибернетика» возникло в Древней Греции. Впервые его произнес задолго до нашей эры философ Платон, произведя его от греческого слова «кибернус», что означало «кормчий». Вот почему древнее искусство управлять кораблем может служить первым символом кибернетики.

В середине ХХ века новый смысл в это понятие вложил математик Н. Винер. Кибернетика ­­­­– наука об управлении сложными динамическими системами и процессами. Объектом изучения этой науки являются системы любой природы, способные воспринимать, хранить и перерабатывать информацию и использовать её для управления и регулирования.

Система (от греч. σύστημα, «составленный») — множество взаимосвязанных объектов, организованных некоторым образом в единое целое. Основной признак системы – признак целостности. Понятие системы является одним из основных понятий кибернетики.

Наиболее важными законами кибернетики являются следующие [???]:

1. Закон необходимого разнообразия. По определению У. Р. Эшби, первый фундаментальный закон кибернетики заключается в том, что разнообразие сложной системы требует управления, которое само обладает некоторым разнообразием. Иначе говоря, значительное разнообразие воздействующих на большую и сложную систему возмущений требует адекватного им разнообразия её возможных состояний. Если же такая адекватность в системе отсутствует, то это является следствием нарушения принципа целостности составляющих её частей (подсистем), а именно - недостаточного разнообразия элементов в организационном построении (структуре) частей. На практике это означает, что чем сложнее объект управления, тем сложнее должен быть и орган, который им управляет.

2. Принцип эмерджентности. Второй принцип У. Э. Эшби, выражает следующее важное свойство сложной системы: «Чем больше система и чем больше различия в размерах между частью и целым, тем выше вероятность того, что свойства целого могут сильно отличаться от свойств частей». Указанные различия возникают в результате объединения в структуре системы определенного числа однородных или разнородных частей (элементов). Этот принцип указывает на возможность несовпадения локальных целей (частных целей отдельных элементов системы) с глобальной (общей) целью системы, а отсюда – на необходимость для достижения глобальных результатов принимать решения и вести разработки по совершенствованию системы и её частей на основе не только анализа, но и синтеза. Так, например, при построении дерева целей необходимо помнить о том, что система будет более эффективно функционировать в том случае, если достижение частных целей способствует достижению глобального (общего) оптимума системы (фирмы в целом).

Принцип эмерджентности имеет большое значение для оптимизации системы управления. Он определяет требования системного подхода в решении проблем управления. У каждой подсистемы есть свой критерий (например, уровень в баке). Правило: если локальные критерии приводят к достижению глобального (частота в сети, напряжение), то эти критерии согласованные. Но как их согласовать ­– ???

3. Принцип внешнего дополнения. Впервые сформулированный С. Т. Биром третий принцип кибернетики гласит: любая система управления нуждается в «черном ящике» ­– определенных резервах, с помощью которых компенсируются неучтенные воздействия внешней и внутренней среды. Степень реализации этого принципа и определяет качество функционирования управляющей подсистемы. Действительно, в любом, даже самом детальном и тщательно разработанном плане нельзя учесть все многочисленные факторы, воздействующие на управляемую подсистему в процессе его реализации.

Неучтенные факторы могут резко снизить надежность функционирования систем. Для удержания системы в заданных пороговых значениях переменных необходимо наделить её нормативным уровнем резервов, компенсирующих воздействие этих факторов.

4. Закон обратной связи. Четвертый принцип кибернетики возведен в ранг фундаментального закона, который известен как закон обратной связи. Без наличия обратной связи между взаимосвязанными и взаимодействующими элементами, частями или системами невозможна организация эффективного управления ими на научных принципах. Все организованные системы являются открытыми, и замкнутость их обеспечивается только через контур прямой и обратной связи. Необходимым условием их эффективного функционирования является наличие обратной связи, сигнализирующей о достигнутом результате. На основании этой информации корректируется управляющее воздействие.

Рис. 1. Обратная связь

Различают два вида обратной связи: отрицательную, которая уменьшает влияние входной величины на выходную величину и является обязательным условием поддержания устойчивого динамического равновесия, и положительную, увеличивающую это влияние и тем самым создающую неустойчивое состояние (пример с больными, которых недолечивали).

5. Принцип декомпозиции. Этот принцип указывает на то, что управляемый объект всегда можно рассматривать как состоящий из относительно независимых друг от друга подсистем (частей). Данное положение, развитое У. Э. Эшби и Г. Клаусом, представляет значительный интерес для приложения кибернетики к производству. Дело в том, что приспособление регулятора к сложному объекту, учитывая все его аспекты и переменные, является теоретически и практически невозможным. Расчленение объекта на независимые звенья и переменные и самого регулятора на отдельные управляющие блоки обеспечивает возможность приспособления ко многим условиям и последовательного управления ими. Искусство управления заключается в отборе взаимосвязанных факторов, в расчленении решаемой задачи на ряд последовательных звеньев.

Все указанные законы и принципы кибернетики взаимосвязаны и взаимообусловлены. Они должны непременно учитываться при организации структуры как объекта, так и субъекта управления.