Информационные основы управления

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ

Компьютер изначально создавался как машина для вычислений, но быстрые вычисления были нужны прежде всего для того, чтобы автоматизировать управление сложными техническими системами (приборами автоматического наведения в военной технике, релейными телефонными станциями, станками на производстве и т.п.). Современный период развития человечества называют веком автоматизации. Системы автоматического управления и автоматизированные системы управления прочно вошли в нашу жизнь. Автоматизация управления сегодня не мыслится вне компьютеров. Да и сам компьютер можно рассматривать как средство автоматизированного управления информационными процессами.

Проблемы автоматизированного управления изучаются в кибернетике. Первоначальному введению в эту область деятельности и посвящена эта глава.

§ 1.1 Управление как основа целенаправленной деятельности

ПОНЯТЬ

Человечество всегда пыталось понять, как зарождалась жизнь и чем живое принципиально отличается от неживого.

Все тела в природе – и камни, и вода, и цветы, и человек – состоят из одних и тех же химических элементов. Почему же живые организмы коренным образом отличаются от объектов неживой природы? Одно из важнейших отличий заключается в том, что живой организм обладает способностью целесообразно взаимодействовать с окружающей средой. Это позволяет ему активно приспосабливаться к изменяющимся условиям, противостоять внешним разрушающим воздействиям. Одной из основных целей, в соответствии с которыми функционируют живые организмы, является сохранение жизни и её продолжение.

Пример

Каменная глыба не укрывается от непогоды, как это делают животные и птицы, прячась в нору или гнездо. Она не защищается от зноя или стужи, как это делают растения, например, сворачивая или опуская листья.

Пример

Перед выходом на улицу многие люди смотрят на уличный термометр и только потом принимают решение, насколько тепло стоит одеться. При этом выбор одежды зависит от многих факторов: одно дело, если Вы закалённый человек и выходите на несколько минут, другое – если после лечения простуды выходите на долгое время.

Кроме того, целесообразное взаимодействие с окружающей средой включает в себя выбор средств, которые помогут достигнуть цель, а также управление этими средствами.

Пример

Узнать о погоде, можно и без термометра. Можно включить радио и настроить его на радиостанцию, передающую метеосводку или попросить кого-то из близких выйти на улицу и сообщить, насколько там холодно.

Вообще управление играет значительную роль в любом целесообразном взаимодействии. Настройка радиоприёмника и обращение к кому-то с просьбой – это простые примеры управления. В повседневной жизни мы всюду встречаемся с управлением и сами участвуем в этом процессе: водитель управляет автомобилем, начальник цеха – производством, дирижёр - оркестром, учитель – классом, пользователь – компьютером, операционная система – процессами, происходящими в компьютере.

Управлять – значит влиять на ход какого-то процесса или на состояние некоторого объекта и его положение в пространстве. Любое управление подразумевает вполне определённую цель. Управление – это всегда целенаправленное, целесообразное действие, и цель управления всегда определяется заранее.

Пример

Машинист, управляя поездом, должен привести его в назначенный пункт в определённое время. Родители, воспитывая детей (по-сути, управляя ими), стремятся сохранить их здоровье и вырастить их достойными людьми. Светофор регулирует движение на перекрестке для предотвращения аварий. Операционная система управляет компьютером, чтобы все устройства и программы работали согласованно.

Реальных ситуаций управления много, но можно построить модель процесса управления, общую для всех них. Эта модель называется общей схемой управления.

Рис. Общая схема управления

Поясним эту схему.

Управление – это воздействие одного объекта на другой с целью достижения определённого результата. Объект, оказывающий воздействие, называется или субъектом управления или управляющей системой. Объект, на который оказывается воздействие, называется или объектом управления или управляемой системой.

Перед управляющей системой стоит цель. Она заключается в том, чтобы управляемый объект перешёл во вполне определённое (желаемое) состояние. По каналам обратной связи управляющая система получает сведения о текущем состоянии объекта управления. Как правило, текущее состояние отличается от желаемого. Оценив, как велико это отличие, управляющая система вырабатывает управляющее воздействие, а затем по каналам прямой связи воздействует на объект управления, чтобы достинуть цели. При этом учитывается и влияние окружающей среды, которое может ослаблять или усиливать управляющее воздействие. Таким образом, по каналу прямой связи передаются команды управления, вырабатываемые в управляющей системе. Объект управления выполняет эти команды. В свою очередь, объект управления соединен с управляющей системой каналом обратной связи, по которому управляющая система получает информацию о том, насколько результативно было управляющее воздействие и в каком состоянии теперь находится объект управления. В управляющей системе эта информация используется для выработки новых сигналов управления.

Пример

Необходимо распечатать текст на принтере. Пользователь (управляющая система) с помощью меню текстового редактора (канал прямой связи) подаёт команду операционной системе компьютера (объект управления). После чего уже операционная система становится управляющей системой и «смотрит», в каком состоянии находится принтер (объект управления) – готов ли он к работе: включен ли, заправлена ли бумага, находится ли он в режиме online и т.п. Если сигналы, пришедшие от принтера по каналам обратной связи, свидетельствуют о готовности к работе, то операционная система активизирует работу программы вывода (оказывает управляющее воздействие), если нет, то пользователю выводится на экран (канал обратной связи) сообщение о невозможности выполнить команду. Пользователь, получив информацию о не соответствующем задаче состоянии принтера, может включить его, заправить бумагу и т.п., чтобы перевести в режим готовности (управляющее воздействие).

Управление может быть связано с физическим воздействием на управляемый объект. Но часто управляющее воздействие носит информационный характер.

Пример

Пользователь переключает «рычаги» управления принтером, водитель нажимает педаль газа или поворачивает руль управления автомобилем – примеры физических управляющих воздействий.

Приказы, распоряжения, законы, просьбы, в соответствии с которыми регулируется совместная жизнь людей – примеры информационных управляющих воздействий.

Одним из основных принципов работы компьютера является принцип программного управления. В соответствии с этим принципом все устройства компьютера работают под управлением программ. Отдельные команды, из которых состоят программы, выступают в качестве управляющих воздействий, передаваемых процессору по каналам связи.

Процесс передачи информации, а также надёжное функционирование каналов прямой и обратной связи играют значительную роль в управлении. В любом процессе управления всегда происходит взаимодействие двух объектов — управляющего и управляемого. Если они соединены каналами прямой и обратной связи, то такую систему называют замкнутой или системой с обратной связью. Но иногда бывает так, что нарушается нормальное функционирование каналов прямой или обратной связи. В этом случае система управления становится разомкнутой.

Примеры, когда нарушена работа прямого канала связи.

Учитель объясняет ученикам задание, которое они должны выполнить, но громкий шум за окнами заглушает его голос.

Пользователь набирает на клавиатуре команду компьютеру, но соединительный провод поврежден.

Рабочее окно программы не активно, а пользователь с помощью меню «горячих клавиш» пытается задать команду компьютеру.

Когда нарушена работа прямого канала связи, управляющее воздействие не доходит до объекта управления. Его поведение либо становится хаотичным, непредсказуемым, либо он продолжает действовать по последним полученным инструкциям, которые, вероятнее всего, уже устарели. Вряд ли в этом случае можно ожидать достижения заданной цели деятельности.

Примеры, когда обратная связь нарушена, либо отсутствуют каналы обратной связи.

Информация, отображаемая на дисплее компьютера - важный канал обратной связи в системе “пользователь-компьютер”, если дисплей выходит из строя, то использовать компьютер становится крайне затруднительно.

Светофор на перекрестке неспособен воспринимать информацию о текущем состоянии движения на этом перекрестке, например, с какой стороны скопилось больше машин.

Если руководство страны не получает точную информацию о положении и настроениях граждан, то его «управление» может идти во вред благополучию страны.

Разомкнутая система оказывается неспособной к управлению. И в этом случае вряд ли можно ожидать достижения заданной цели деятельности.

Принцип замкнутой системы управления, или принцип управления с обратной связью, лежит в основе действия большинства современных систем автоматического управления, в том числе компьютера.

Информация и управление являются основными понятиями кибернетики — науки об управлении и связи в живом организме, машине, обществе.

ЗНАТЬ

Управление – процесс, обеспечивающий целенаправленное поведение биологической, социальной, технической систем.

В технике под управлением понимают совокупность действий, осуществляемых человеком или автоматическим устройством, направленных на поддержание или улучшение работы управляемого объекта в соответствии с имеющейся программой (алгоритмом функционирования) или целью управления.

Ситуация управления характеризуется наличием объекта управления и управляющей системы, которые соединены между собой каналами прямой и обратной связи.

Текущее состояние объекта управления как правило отличается от желаемого. Уменьшить эту разницу, то есть перевести объект управления в желаемое (заданное) состояние – это и есть цель управления.

Управляющая система оказывает на объект управления управляющие воздействия так, чтобы достичь цели управления.

Управляющее воздействие может быть физическим или информационным.

Преобразование, анализ и передача информации — основа процессов управления в любой области.

Для выработки управляющих решений, обеспечивающих достижение цели, управляющая система должна получать информацию как о состоянии объекта управления, так и о состоянии внешней среды.

Система управления, в которой прямой и обратный каналы связи функционируют нормально, называется замкнутой. Если работа какого-либо канала нарушена, то система называется разомкнутой.

Принцип замкнутой системы управления, или принцип управления с обратной связью, лежит в основе действия большинства современных систем автоматизированного управления, в том числе компьютера.

УМЕТЬ

Определите основные компоненты процесса управления (объект управления, состояние объекта управления, цель управления, управляющая система, каналы прямой и обратной связи, управляющее воздействие, информация о состоянии объекта управления, воздействие внешней среды) для следующих ситуаций:

а) пользователю нужно скопировать файлы с дискеты на жёсткий диск;

б) пилот управляет самолётом;

в) автопилот управляет самолётом;

г) автоматическая стиральная машина работает под управлением программы.

Знание особенностей пользовательского интерфейса программного средства облегчает пользователю работе с этим программным средством. Определите, в каком качестве выступает система меню в процессе управления работой программного средства. Ответ обоснуйте.

Определите, какие управляющие воздействия могут оказать управляющие системы на объект управления в следующих ситуациях:

а) водитель управляет автомобилем;

б) пользователь создаёт рисунок в графическом редакторе;

в) директор завода обеспечивает получение прибыли заводом;

г) государство регулирует общественную жизнью своих граждан.

Ученик постоянно опаздывает на урок. Какие управляющие воздействия может оказать на него учитель, чтобы прекратить опоздания?

Приведите примеры систем управления, в которых отсутствует канал обратной связи.