Эффективно создаем эффективные системы

Первая проблема теории и практики управления

Мы перемещаемся на достаточно совершенных, в техническом плане, автомобилях, поездах, самолетах. Теперь не редкость увидеть технологические линии предприятий, работающие без участия человека. То есть, общество добилось впечатляющих результатов в этом вопросе. Но работают ли автоматические помощники в самом лучшем (оптимальном) режиме?

И вот здесь выясняется любопытная ситуация. Да, технологическое оборудование работает автоматически. Но режим технологического процесса устанавливается человеком, который опирается на свое, субъективное понимания того, «что такое хорошо, и что такое плохо» с точки зрения управления. Для того чтобы осознать проблему управления давайте рассмотрим простую жизненную ситуацию.

Предположим, вам нужно нагреть до определенной температуры емкость с одним литром жидкости на газовой плите.

Процессом нагрева мы можем управлять. Суть управления сводится к установке режима подачи газа, или, что тоже, к установке угла поворота ручки газовой горелки. В зависимости от того какую подачу газа мы установили, будет изменяться время нагрева жидкости до нужной температуры и расход газа (рис. 1).

Зависимости расхода газа и времени операции нагрева
Рис.1 Зависимости расхода газа и времени операции нагрева
от угла поворота вентиля газовой горелки

Если мы установим маленькую подачу газа, жидкость будет нагреваться долго. При этом много тепловой энергии нагреваемой жидкости успеет уйти в окружающую среду. Поэтому расход газа будет большим. Начальное увеличение подачи газа будет приводить к снижению времени нагрева и снижению расхода газа. Затем, время нагрева будет продолжать снижаться, а расход газа будет возрастать. Увеличение расхода газа на нагрев емкости с жидкостью, с повышение подачи газа, происходит потому, что после перехода некоторого рубежа, экономию от снижения потерь связанных с отдачей тепла жидкостью, начинают перекрывать потери газа. Это происходит потому, что пламя греет не только емкость с жидкостью, но и воздух. И с повышением скорости нагрева эти потери начинают быстро расти.

Когда мы поворачиваем ручку газовой горелки на некоторый угол, то устанавливаем режим технологического процесса. То есть, установка ручки газовой горелки на некоторый угол, это и есть управление.

При повороте ручки вправо или влево, мы доходим ее до упора справа или слева. Этими упорами ограничивается диапазон возможных управлений. На диапазон возможных управлений могут накладываться ограничения. В таком случае говорят о диапазоне допустимых управлений. Например, если мы установим очень маленькую подачу газа, то может так получиться, что жидкость до заданной температуры никогда не нагреется. Вот поэтому такие ограничения и вводят.

А теперь представьте себе, что у нас полностью автоматизированный технологический процесс. Робот набирает жидкость в емкость, ставит ее на газовую плиту, поворачивает вентиль газовой горелки на заданный угол, поджигает газ, контролирует температуру нагрева жидкости и когда температура достигает заданного значения, отключает газ и снимает емкость с нагретой жидкостью.

Все замечательно. Робот выполняет за нас практически всю работу. Вот только в зависимости от угла поворота крана газовой горелки будет меняться расход газа на нагрев и время операции нагрева. Поэтому, нужно либо указать роботу, на какой угол поворачивать вентиль газа, либо дать роботу возможность и полномочия для того, чтобы он самостоятельно осуществлял этот выбор. Эта задача относится к области управления .

Для того чтобы робот самостоятельно принимал «управленческие решения», нужно чтобы его действия были обоснованными. Другими словами, роботу нужно «объяснить» принцип, по которому он должен среди множества допустимых управлений выбрать одно. И это управление должно быть самым выгодным. Это самое выгодное управление называют «оптимальным».

Для выбора оптимального управления нужен показатель, который можно использовать в качестве критерия управления. Давайте посмотрим, какие показатели мы можем использовать для того, чтобы установить оптимальное управление.

Рассматривая то или иное управление, мы оценивали время операции нагрева. Каждому управлению соответствует свое время технологической операции. Например, мы можем запрограммировать робота на то, чтобы в рамках допустимых управлений он выбрал такое, при котором время операции нагрева будет минимальным.

Если до этого робот следил только за технологическим параметром – температурой нагрева жидкости, то теперь он будет обращать внимание еще и на такой показатель, как время. Это означает, что время является критерием управления. Выбирая различные режимы управления, робот будет оценивать время операции нагрева и через некоторое время установит вентиль в крайнее правое положение, при котором время операции будет минимальным.

Но, при таком управлении расход газа будет большим. А что если «предложить» роботу ориентироваться не на показатель «время операции», а на показатель «расход газа»? Перебирая диапазон допустимых управлений, робот через некоторое время обнаружит, что минимальный расход газа будет при управлении, когда угол поворота установлен на отметке 8 единиц.

Теперь у нас есть два альтернативных варианта управления. Один обеспечивает нам экономию времени, а второй – экономию газа. Какое из этих управлений лучше? Для того чтобы ответить на это вопрос, нужно сначала ответить на другой вопрос. А какова наша цель? Потому что если цель управления – экономия времени и газа, то лучше вообще не греть жидкость.

Чтобы говорить о цели управления лучше перейти к производственной системе. Там с целью все немного проще. Это темпы развития, которые обеспечивает получение прибыли. Да и показателей для оценивания операций побольше: затраты, прибыль, рентабельность.

Пусть у нашего крошечного производства, нагретая жидкость это продукт, который оно продает какому-то потребителю. Цена партии нагретой жидкости – шесть условных денежных единиц (рис.2).

Зависимости затрат газа и времени операции нагрева
Рис.2 Зависимости затрат газа, дохода и времени операции нагрева
от угла поворота вентиля газовой горелки

Максимум прибыли, за время проведения одной операции, производство получит при управлении, которое обеспечивает минимум затрат. Это точка «a». В этой точке находится и минимум затрат, а, соответственно, и максимум рентабельности.

Но, обратите внимание, если угол газового вентиля установить в положение 10 (точка «b»), затраты газа возрастут незначительно, а время операции значительно снизится. Это означает, что если продукцию выпускать непрерывно, то через 48 единиц времени наше предприятие при первом управлении заработает 2 ед. прибыли, а при втором, почти 3 ед. То есть, управление при котором мы получаем максимум прибыли операции, не обеспечивает максимум прибыли, которая может быть получена в процессе. А это означает, что ни затраты, ни прибыль операции, ни рентабельность не являются показателем эффективности или критерием оптимального управления.

Следовательно, опираясь на экономические показатели, робот не сможет осуществить выбор самого лучшего управления. Отсутствие показателя эффективности технологической операции, который может быть использован в качестве критерия оптимального управления, одна из причин, по которой автоматизация процессов управления не получает достаточно интенсивного развития. То есть, даже сегодня (02-01-2011 г.) каждый технологический процесс работает в режиме, который кто-то просто считает самым лучшим.

Это и есть первая проблема теории и практики управления которая тесно переплетается с аналогичной проблемой экономической науки.

Наука об общих принципах управления - это кибернетика. И экономика с ней тесно связана.