ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 120
Скачиваний: 0
ствием случайного возмущения М величина X может флюктуи ровать, случайно отклоняться от ее заданного значения, прини мая одно из возможных ее разнообразий. В этом случае воз никает неопределенность в том значении разнообразия X, ко торое может возникнуть на выходе системы. В таких случаях управляющая система должна играть роль коррегирующего устройства, уменьшающего неопределенность возможного зна чения величины X. Так как степень неопределенности процесса управления зависит от того разнообразия, которое может при нимать величина X, будем рассматривать энтропию Я как функцию разнообразия, принимаемого X: Н(Х). При реализации в системе управления управляющих воздействий неопределен ность системы будет функцией не только того разнообразия, которое может принять выход системы X под воздействием внешних возмущений М, но и зависеть от тех управляющих воз действий, которые будут реализованы в целях компенсации внешних возмущений. Если количество разнообразий системы, в которых она может находиться под воздействием возмущений М, составляет величину Н(Х), то число разнообразий, в кото ром будет находиться система при использовании эффективных управляющих воздействий У в целях компенсации воздействий M:H(X\Y), будет меньше величин Я(Х). В результате таких опытов удается установить количество разнообразий, в которых может находиться система при реализации определенных уп равляющих воздействий, их вероятность. Таким образом, вели чина Я будет зависеть от значений, принимаемых X в зависи мости от заданной величины Y : H(X\Y) . Степень уменьшения неопределенности состояния системы, достигаемая посредством управляющих воздействий, может быть выражена таким соот ношением: Н( Х ) — H(X\Y)=1(X У ) .
Таким образом, величина 1(Х У ) отразит уменьшение разно образия в состоянии системы, которое может быть достигнуто с помощью управляющего воздействия У. Величина I(X\Y) определяет количество информации в величине У относительно величины X, где У рассматривается как случайная величина из множества управляющих воздействий, которые в процессе уп равления используются с определенной вероятностью. Если, на пример, с помощью фиксированного управляющего воздействия У, компенсирующего определенное возмущение внешней среды М, мы можем достоверно предсказать ожидаемое значение ве личины X на выходе системы, то энтропия такой системы будет равна 0, исходя из того, что вероятность предусматриваемого
П
состояния системы будет равна 1, т. е. |
Я (Хг) = — 2 |
1 • l°g21 = 0; |
||||||
|
|
• l-log2l=0, |
это |
следует |
i = i |
того, |
что |
|
t f ( X i | У 5-) = |
— ' Е Е Р ( У з ) |
из |
||||||
условная |
вероятность |
исхода |
X, |
при |
событии |
Yj в этом |
слу |
|
чае равна |
Е Такая система носит детерминированный характер, |
|||||||
а следовательно, не |
относится |
к |
кибернетическим |
системам. |
171
В таких системах количество информации, содержащееся в сиг нале о состоянии выхода системы, исходя из посылок теории информации, равно 0, так как заведомо известно получателю (приемнику) информации, какое сообщение будет получено. Таким образом, в этом случае состояние выхода системы не содержит неопределенности, его энтропия равна 0 и разрешаю щая способность получаемой информации в этом случае также равна 0. Правомерно сделать вывод о том, что детерминирован ный источник не может генерировать информацию. Предельные возможности управления в таких детерминированных системах должны выражаться в том, что флюктуирующему множеству возмущений M j система управления должна быть в состоянии противопоставить такое множество управляющих воздействий Yj, которое в любом случае обеспечило бы полную компенсацию внешних воздействий и поддержание выходной величины У в заданном программой управления состоянии Jo-
Однако в реальной жизни мы чаще имеем дело с явлениями,
которые носят не детерминированный, |
а случайный характер. |
В вопросах управления производством |
это выражается, напри |
мер, в том, что не может быть изготовлено двух абсолютно одинаковых деталей, выращено несколько абсолютно одинако вых деревьев, животных. Компенсация с помощью воздействия Yj возмущения Mj при неоднократном повторении также не обеспечит получения одного значения У*. Величина Уг будет флюктуировать, т. е. случайно отклоняться от своего среднего значения. Как известно, информация передается в том случае, если в сообщениях, генерируемых источником, содержится слу чайность, а мера информации отражает статистические свой ства источника информации.
Если случайная величина У принимает значения У1; У2, ..., Улг, а случайная величина X — значения Х и У2, ..., X L , то услов ной вероятностью P ( X i \ Y j ) называется вероятность того, что X примет значение Л,-, если известно, что У приняло значение Yj. Условная вероятность, усредненная по всем возможным значе ниям У, составит безусловную вероятность Р ( Х Л : Р ( Х Л —
= ^ P { Y i ) P { X i \ Yj ) .
Как известно из теории информации, первоначальная неопределенность сигнала равна его энтропии: H(Xj) = = —2Р(Уj) log2P(Xj), которая является мерой статистического разнообразия возможного значения величины У*. Энтропия воз растает по мере роста числа разнообразий, в которых может находиться управляемая величина X, что пропорционально ло
гарифму их, а также вероятности появления того либо иного разнообразия Уг.
Приведенной формулой безусловной энтропии определялась бы неопределенность величины Уг-, если бы однозначно она определялась воздействием Yj. При этом при получении значе ния Xj неопределенность в системе исчезла бы, что позволяет
172
сделать вывод о том, что в полученном сообщении содержалась величина информации, равная разрешенной ею неопределенно сти: /(Х ,)=Я (Х ,).
Но во многих процессах управления после воздействия У значение управляемой величины X определяется условной ве роятностью Ру(Х), или Р(Х| У), и усредненная неопределенность
величины |
X определяется условной энтропией: |
Я(Х|У) = |
||
= —22Р (Yj) Р ( Xi | yj)log2P(Xi|yj). |
Условная |
энтропия всегда |
||
не больше |
безусловной: Н ( X \ Y ) |
( X ) , при |
этом |
равенство |
возможно только в том случае, если величина энтропии не кор-
релируется с величиной X, т. е. Р ( Х ) |
= Р(Х|У). |
Исходя из этого, |
в процессах управления естественно |
принять |
в качестве меры |
количества информации в случайной величине У о случайной величине X величину, на которую в среднем уменьшается неоп ределенность величины X, если нам становится известно значе ние величины У, т. е. разность между безусловной и условной энтропией: I ( Y \ X ) = H ( X ) — H ( X \ Y ) . Количество информации равно 0, если управляющее воздействие и управляемая вели чина независимы, количество информации достигает макси мума— величины Я(Х), когда управляющее воздействие одно значно определяет'значение управляемой величины, т. е. когда Р(Х|У) = 1, и, следовательно, Я (Х |У )=0, т. е. в этом случае неопределенность управляемой величины X при воздействии У равна 0. При этом важно, чтобы определенному значению У однозначно соответствовало определенное значение X . Однако одному значению X может соответствовать некоторое множество значений У. Этим определяется альтернативность в выборе У (например, действительных чисел, векторов и т. п.) в достиже нии заданного значения управляемой величины Х0.
В общем случае количество информации удовлетворяет не равенствам: /(X; У )^Я (У ) и /(X; У )^Я (Х ). Управление со стоит в уменьшении неопределенности управляемой величины X. Для уменьшения неопределенности Я(Х) управляющая сис тема должна располагать достаточным разнообразием различ ных управляющих воздействий в соответствии с соотношением Я (Х )^/(Х ; У), если информацию рассматривать как величину снимаемой разрешаемой неопределенности в возможном со стоянии величины X под воздействием величины У при наличии
взаимосвязи между величинами |
У и X. Исходя из того, |
что |
/(У; X) = Я (X) — Я(Х| У) и /(У; |
Х )^ Я (Х ); Я (У )^/(У ; |
X), |
находим: Я(Х| У) ^ Я (Х ) — Я(У ). |
|
|
Это неравенство выражает предельные возможности управ ления. Оно превращается в равенство в тех случаях, когда управляющее воздействие У однозначно определяет значение управляемой величины X, т. е. когда управляющая система точ но определяет, какое отклонение получает управляемая вели чина X под воздействием возмущения М , и совершенно точно определяет выбор нужного воздействия У.
173
В практике связь между возмущениями и управляемой ве личиной, как и влияние управляющего воздействия, не могут быть определены исчерпывающе, что приводит к отсутствию однозначной связи между значениями величины X и управляю щего воздействия У, т. е. в реальных системах условная энтро
пия Я(Х|У) |
не равна 0. Исходя из того, что количество инфор |
|
мации /(У; Х) = Я( Х) — H(X\Y), |
неопределенность величины X |
|
определяется |
соотношением Я( |
Х| У) =Я( Х) — Я( У)+Я( У| Х) . |
Это соотношение показывает, что для повышения качества уп равления необходимо увеличивать разнообразие управляющих воздействий Я (У), стремясь достичь величины Н(Х). Достиже ние такого соответствия означает, что на каждое возможное значение величины X, надо располагать управляющим воздей ствием Yj и при этом использовать его так часто, как часто будет встречаться значение X,. Но этого недостаточно. При этом должна быть обеспечена максимальная адекватность управляю щего воздействия отклонению управляемой величины. Необхо димо, чтобы использовалось именно такое управляющее воздей ствие, которое бы действительно исправило возникшее отклоне ние управляемой величины. Это значит, что надо стремиться уменьшить неоднозначность управляющего воздействия У, воз никающего в связи с отклонением величины X, т. е. необходимо уменьшить Я(У|Х).
Полезность рассмотренной общей теории управления несом ненна. Однако вопрос о предельных возможностях управления в тех или иных условиях не нашел еще своего исчерпывающего решения. Так, условная энтропия Я(Х|У) не может, как пра вило, служить исчерпывающей характеристикой качества управ ления. Это обусловлено тем, что величина энтропии для дискрет
ных случайных величин зависит лишь |
от |
распределения ве |
|
роятностей, но не от самих значений |
случайной |
величины. |
|
В практике же управления более важным |
является |
величина |
случайных отклонений в управляемой системе, а не их вероят ности.
Г л а в а 9
АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ
Одной из ветвей научного аппарата кибернетики является теория автоматического регулирования, которая находит при менение и в изучении экономических систем. Эта теория реа лизуется в саморегулирующих системах.
Кибернетике предшествовала теория сервомеханизмов — устройств, которые замещают человека в обслуживании какойлибо машины или процесса. Данная теория в настоящее время представляет собой хорошо развитую область математики, бла годаря чему удалось установить, что теория автоматическо го регулирования имеет более широкую область применения, чем технологические процессы в промышленности, и может рас сматриваться поэтому как составная часть общей теории управ ления.
Под автоматическим регулированием обычно понимается ре гулирование, осуществляемое без непосредственного участия че ловека. Но при этом необходимо исходить лишь из относитель ного неучастия человека в процессе регулирования. Особенно наглядно это можно проиллюстрировать на примере управления производством.
Производство подчинено удовлетворению материальных по требностей человека, и данной цели подчинено управление и ре гулирование всех производственных процессов. Чтобы обеспе чить функционирование системы в интересах человека, он дол жен сам принимать участие в управлении ее состоянием и развитием. В противном случае функционирование системы от клонится от желаемого для человека состояния.
Из нашего практического опыта можно привести множество примеров, когда даже направленное регулирование развития систем имеет непредвиденные последствия, подчас нежелатель ные, которые затем учитываются для осуществления необходи мых корректировок.
С другой стороны, неразумно было бы разграничивать сис темы на автоматические и неавтоматические только по степени участия в управлении человека. Управление действиями стаи дельфинов, например, происходит без участия человека, но этот процесс вряд ли можно отнести к автоматическим. Не случайно поведение этих животных сейчас столь пристально изучается учеными.
175
Таким образом, автоматическое регулирование во всех слу чаях является автоматическим лишь относительно.
Автомат. В технике термином «автомат» пользуются для обозначения системы механизмов и устройств, в которой про цессы получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов и информации, необходимые для осуществ ления ее функций, осуществляются без непосредственного уча стия человека. К системам такого типа относятся, например, станки-автоматы, торговые автоматы и др.
В кибернетике используется термин «дискретный автомат», или кратко просто «автомат», для обозначения более абстракт
ного |
понятия, а именно — модели |
(рис. 35), |
обладающей сле |
||
дующими особенностями: |
|
|
|
|
|
1) |
на входы модели в каждый из дискретных моментов вре |
||||
мени tu t2. .. поступают т входных величин уи уг,---, |
Ут, каждая |
||||
|
|
из которых может принимать фик |
|||
Уг |
|
сированное число значений из оп |
|||
А |
ределенного их множества У; |
||||
Уг |
|
2) |
на выходах модели можно на |
||
|
|
блюдать п выходных величин Хи х2, |
|||
|
|
. .. , хп, каждая из которых может |
|||
|
РИС. 35. |
принимать конечное число фиксиро |
|||
|
Схема автомата |
ванных |
значений |
из |
их множе |
ства Х\
3)в каждый момент времени модель может находиться в од ном из состояний zu z2, ..., Zi\
4)состояние модели в каждый момент времени определяется входной величиной у в этот момент и состоянием z в предыду щий момент времени;
5)модель осуществляет преобразование ситуации на входе
У= (yit у2, ..., ут) в ситуацию на выходе Х= (хи х2, ..., хп) в за висимости от ее состояния в предыдущий момент.
Дискретная модель удобна для описания многих кибернети
ческих схем.
Автоматы, у которых ситуация X на выходе однозначно опре
деляется ситуацией |
У на входе, относятся к классу |
а в т о м а |
|||
тов без памяти. |
Автоматы, у которых X зависит не только от |
||||
значений У в данный момент, |
но и от состояния модели Z, опре |
||||
деляемого значениями |
У в |
предыдущие |
моменты, |
относятся |
|
к классу а вт о м а т о в |
с к о н е ч н о й п а |
м я т ь ю . |
|
Отметим, что преобразование входных величин в выходные, выполняемое дискретными автоматами без памяти, осуществля ется на основе двухбуквенного алфавита, как было показано ра нее. Оно эквивалентно преобразованиям, совершаемым в фор мальной логике, и поэтому такие автоматы еще называют логи ческими автоматами.
Представим совокупность всех возможных исходных данных, перерабатываемых каким-либо алгоритмом А, в виде последова-
176