Люди и кибернетика - Никита Моисеев

Программный метод в теории технического управления системами

Сейчас Программный метод принято называть Программно-целевым. Наверное, такое уточнение особого смысла не имеет. Ведь говорить об управлении можно лишь тогда и только тогда, когда существует цель управления. И тем не менее такой лингвистический нонсенс, как мы увидим, имеет известное оправдание.

Начнем с того, что первый этап Программного метода — это назначение цели. Для технических систем, какими бы они ни были, цели назначаются извне: проектанты их не разрабатывают, а получают свыше, они им задаются. Космический аппарат можно вывести на круговую орбиту радиусом и в 200 километров и в 400, а на какую именно — руководители вывода сами не решают, а получают указание.

Создавая нефтегазовый комплекс, инженеры-проектировщики и управленцы получают готовое задание от вышестоящих организаций или заказчиков с точным указанием основных характеристик комплекса, сроков строительства и в течение скольких лет этот комплекс должен выдавать заданное количество продуктов нефти и газа. Откуда взялись эти задания и каким образом их удалось сформулировать, строителей и эксплуатационников не волнует: задания ими не разрабатываются, а им задаются! Если окажется, что поставленная цель недостижима — система не может обеспечить заданной добычи, — инженеры возвращают задание заказчику со своими комментариями. И только.

Итак, цель для технической системы задается «верхним уровнем», а весь механизм управления настроен на достижение этой цели. Можно сказать и так: цель является отправным пунктом планирования ресурсов! Или, другими словами, планирование производится от поставленной цели.

Сказанное может показаться тавтологией, повторением очевидных истин. Но в дальнейшем мы увидим, что эти совершенно очевидные истины служат источником далеко не благодушных дискуссий, а степень их понимания является главной оценкой интеллекта и профессиональной культуры управляющего, плановика, проектировщика!

Второй этап реализации Программного метода — это построение программы (или плана) такого распределения ресурсов управления, которое обеспечивает достижение цели. Если ресурса достаточно, например, если в баках ракеты достаточно горючего для вывода ее на орбиту, то цель может быть достигнута многими способами, и тогда возникает проблема оценки и сравнения этих способов, И вот здесь-то и возникают многочисленные трудности, часто носящие совсем не технический характер.

Сегодня многие произносят слова «оптимальное решение», не всегда отдавая себе отчет в том, насколько условным может быть эта самая оптимальность. Разные дополнительные требования и условия так связывают проектировщика, что у него практически нет никаких возможностей сравнивать свое решение с чем-нибудь иным. Проектируя пассажирский самолет, он обязан обеспечить заданную посадочную скорость, заданные условия безопасности, заданную крейсерскую скорость, заданные экономические требования и многое другое. Эти ограничения так сужают его возможности, что он оказывается в положении человека, попавшего в узкий извилистый коридор: полметра влево стена, полметра вправо — тоже стена, и весь его выбор, вся оптимизация сводятся к тому, чтобы идти посредине этого коридора. И оказывается, что ему остается найти лишь одно-единственное допустимое управляющее решение, которое обеспечивает достижение цели.

Но мы остановимся на вопросе, который, может быть, является самым трудным в практике и теории управления, — на вопросе о неоднозначности оценки решения, на необходимости уметь согласовывать противоречивые требования. Проектировщик или управляющий всегда должен отыскивать компромиссы, находить проход между Сциллой и Харибдой. Самый простой пример компромисса, с которым мы всегда сталкиваемся в повседневной практике, — это компромисс между качеством и стоимостью. Конструктору всегда хочется сделать свою конструкцию и подешевле и получше. Эти желания противоречивы: чтобы сделать машину более надежной и красивой, надо затратить больше труда, а значит, она станет более дорогой. И каких-либо общих рецептов, позволяющих увязать эти противоречивые критерии (требования), не существует. И все же в ТТУ разработаны приемы анализа подобных «неразрешимых» конфликтов и отыскания приемлемых для практики решений.

Один из них получил название метода двухэтапной оптимизации. Сегодня он лежит в основе технологии Программного метода управления народным хозяйством, и нам стоит в нем разобраться.

Чтобы пояснить существо дела, вернемся снова к проблеме вывода космического аппарата и рассмотрим случай стыковки его с орбитальной станцией. Рассчитывая траекторию, конструктор должен примирить два противоречивых требования: экономичность и точность.

Затратить как можно меньше горючего и как можно точнее вывести аппарат в точку встречи с орбитальной станцией. Но эти два критерия противоречивы. В самом деле, чтобы обеспечить точность вывода, система управления должна быть способной парировать все не предусмотренные полетной программой случайные внешние воздействия, о которых уже говорилось. Но ничего не дается даром: работа, системы управления требует затраты энергии — того же горючего. Значит, чем точнее мы выведем аппарат в заданную точку встречи (чем лучше нам удастся справиться со случайными внешними помехами), тем больше израсходуем горючего, тем дороже нам будет стоить вывод. Задача кажется неразрешимой! Однако инженеры научились находить выход из этой «безвыходной» ситуации, научились находить приемлемый для практики компромисс. Это крупнейшее завоевание ТТУ.

Проследим еще раз за ходом рассуждений на том же примере космического аппарата.

На первом этапе наших расчетов мы выбираем определенный сценарий внешней обстановки: характер движения атмосферы, параметры работы двигателей, одним словом, мы считаем вполне определенными все те величины, от которых зависит траектория полета. И для этих фиксированных, на самом деле гипотетических, условий мы и проводим расчет программы, выбирая ее наиболее экономной с точки зрения расчета горючего.

Но в предыдущем параграфе говорилось, что по оптимальной траектории ракета никогда не летает — ей мешают помехи. Чтобы парировать их действие, ставится стабилизатор (программный регулятор) — система обратной связи, которая измеряет отклонения от программной траектории и корректирует полет таким образом, чтобы он был как можно ближе к программному.

Точнее говоря, с помощью этого корректирующего управления мы добиваемся наилучшего значения второго критерия — максимальной точности. Создается впечатление, что конструкторам удалось каким-то образом «надуть» природу одновременно провести оптимизацию по обоим критериям: обеспечить при наименьших затратах горючего максимальную точность. Но «надуть» природу невозможно. В действительности они лишь нашли приемлемый компромисс: при относительно небольших затратах топлива ими достигнута нужная точность, и таким образом найден способ управления, обеспечивающий выполнение основного задания — стыковку с орбитальной станцией.

Конечно, описанный метод отыскания компромисса не всегда может быть использован. Он хорош лишь в том случае, если затраты горючего на коррекцию малы по сравнению с затратами на реализацию основной программы, то есть на вывод корабля на орбиту.

Тем не менее область применения Программного метода чрезвычайно широка и все время расширяется по мере усложнения технических систем. Схема его может быть изображена в виде следующей цепочки процедур:

формирование цели — расчет программы — построение механизма обратной связи.

Дальнейшее развитие метода

Итак, Программный метод в той форме, в какой мы его представили, пригоден тогда, когда случайные неконтролируемые факторы, когда «помехи» не очень существенны и преодоление их требует относительно небольшой затраты ресурсов. Но бывает, что необходимо создавать системы управления, работающие в условиях, когда «помехи» эти становятся очень большими. Пример тому — система управления водохранилищами.

Запасы воды в водохранилищах, как правило, зависят лишь от зимних снегопадов, и в конце апреля инженеры-гидрологи, отвечающие за ее использование, довольно точно знают тот ресурс, которым они могут распоряжаться. А вот потребности в воде они заранее знать не могут и не могут их рассчитать, так как они в сельском хозяйстве зависят от того, сколько выпадет осадков, сколько будет солнечных дней и прочих погодных факторов, величины которых варьируют в самых широких пределах. И, несмотря на подобную неопределенность, перед инженерами стоит задача создать такую систему управления, которая обеспечивала бы по возможности более высокий урожай на поливных землях.