Интерпретация и анализ традиционных общих схем идентификации как нормативных моделей поведения разработчиков в реальной идентификации на предпроектных стадиях создания САУ

К.С.  Гинсберг,
с.н.с., к.т.н., доц., ginsberg@mail.ru
ИПУ РАН, г. Москва

Обсуждаются традиционные общие схемы идентификации технического объекта. Приводятся понятия и представления, необходимые для интерпретации этих общих схем как нормативных моделей поведения разработчиков современных систем автоматического управления в реальной идентификации.

Traditional common schemes of identification of technical object are discussed. Concepts and the representations necessary for interpretation of these common schemes as normative models of behaviour of developers of modern systems of automatic control in real identification are contained.

Введение

Проблема разработки научной методологии организации реальной идентификации в условиях априорной структурной неопределенности как составной части общей процедуры построения системы автоматического управления (САУ) является особо трудной проблемой для научных исследований в области идентификации систем. Ее научное решение до сих пор невозможно из-за отсутствия реалистических моделей поведения коллектива разработчиков САУ как субъекта реальной идентификации на предпроектных стадиях и этапах проектирования САУ.

Какие же новые средства необходимо разработать, чтобы появилась надежная основа для создания научной методологии? Краткий ответ очевиден. Необходимо построить модели возможного поведения высокопрофессиональных коллективов разработчиков САУ в реальной идентификации в условиях априорной структурной неопределенности и рассматривать эти модели как нормативные для всех других коллективов разработчиков. Разработку этих моделей следует осуществлять с позиций системного и функционального подходов к исследованию реальных систем. Идея использования указанных моделей для построения научной методологии основана на предположении, что научная методология в первом приближении представляет собой научно и экспериментально обоснованную детальную системно-функциональную нормативную модель поведения субъекта реальной идентификации.

В докладе обсуждаются традиционные общие схемы идентификации, предложенные в различных научных работах традиционного направления исследований в области идентификации систем. Эти общие схемы анализируются с точки зрения возможности их использования в качестве моделей поведения высокопрофессиональных коллективов разработчиков САУ в реальной идентификации. Интерпретация и анализ приведенных общих схем основывается на использовании понятий и представлений междисциплинарного направления исследований в области идентификации систем.

1. Ключевые понятия в области идентификации в рамках междисциплинарного направления исследований

Междисциплинарное направление исследований в области идентификации систем возникло сравнительно недавно. Его возникновение в основном связано с появлением научных исследований, нацеленные на создание системно-функциональных нормативных моделей поведения субъекта идентификации для цели проектирования САУ, в которых структурная идентификация рассматривается как системный объект, а коллектив разработчиков САУ – как субъект этой идентификации. Эти работы по концептуальному видению процессов структурной идентификации, исследуемым научным проблемам, нацеленностью на разработку методов поиска адекватной математической модели технического объекта, использованием результатов различных научных дисциплин принципиально отличаются от традиционных научных исследований в области структурной идентификации. в которых в основном обсуждаются проблемы разработки алгоритмов выбора «наилучшей» модельной структуры из заданного набора модельных структур реального объекта. Под модельной структурой понимается семейство математических моделей технического объекта для цели проектирования САУ, параметризованных скалярным или векторным параметром с заданным множеством допустимых значений в евклидовом пространстве. Модельные структуры выбираются таким образом, что эмпирические значения параметров, параметризирующих модели этих структур, а также эмпирические значения параметров данных моделей можно определить на основе традиционных математических методов параметрической идентификации. Исследования в области разработки указанных алгоритмов структурной идентификации началась в конце 30-х годов XX, особенно интенсивно велись в 70-80-е гг. и продолжаются до настоящего времени. В настоящее время большинство публикаций по структурной идентификации можно отнести к традиционным научным исследованиям.

Поиск адекватной математической модели технического объекта. Под адекватной математической моделью технического объекта для цели проектирования САУ понимается математическая модель, которая имеет такой уровень соответствия характеристикам технического объекта, при котором коллектив разработчиков может на основе этой модели спроектировать САУ, удовлетворяющую требованиям технического задания на ее создание.

Поиском адекватной математической модели технического объекта для цели проектирования САУ называется итерационный процесс, каждая итерация которого в наиболее полном составе состоит из:

1) этапа структурной идентификации технического объекта для цели проектирования САУ;

2) этапа параметрической идентификации технического объекта;

3) стадии синтеза регулятора проектируемой САУ;

4) стадии оценивания приемлемости синтезированного регулятора для проектирования САУ, удовлетворяющую требованиям технического задания.

Совместно проведенные этапы структурной и параметрической идентификации называются стадией идентификации технического объекта для цели проектирования САУ или, стадией структурно-параметрической идентификации. Субъектом поиска считается коллектив разработчиков САУ. В качестве ведущего мотива его деятельности в процессе поиска принимается построение реальной САУ, удовлетворяющей требованиям технического задания на ее создание. Конечной идеальной целью поиска считается построение адекватной математической модели технического объекта для цели проектирования САУ.

Понятие об идентификации технического объекта. Идентификацией технического объекта для цели проектирования САУ называется итерационный процесс, на каждой итерации которого осуществляется построение пробной математической модели технического объекта для цели проектирования САУ, основанное на анализе экспериментальных наблюдений входных и выходных сигналов технического объекта. Конечной идеальной целью данного итерационного процесса является построение адекватной математической модели технического объекта для цели проектирования САУ. Субъект идентификации – коллектив разработчиков, ведущий мотив его деятельности – построение реальной САУ, удовлетворяющей требованиям технического задания. Построение пробной математической модели технического объекта, осуществляемое на каждой итерации, состоит из этапа постановки содержательной задачи идентификации и этапа поиска ее пробного решения в форме определенной математической модели.

Под содержательной задачей идентификации понимается система знаний, которая состоит из условий задачи идентификации (кратко, условия) и требований задачи идентификации (кратко, требования). Термин «условия» обозначает все знание субъекта идентификации о среде (то есть о фрагменте реальности), в которой предполагается осуществить поиск адекватной модели объекта. Термин «требования» обозначает все знание субъекта идентификации, которое он рассматривает как набор обязательных требований к конечному результату идентификации в целом. В частности, обязательным элементом требований является наличие в нем установки на поиск адекватной модели технического объекта. Термин «содержательная задача идентификации» обозначает систему знания, состоящую из определенных выше условий и требований. Эта система возникает в сознании субъекта идентификации на предпроектных стадиях создания САУ. С появлением новых знаний эта система пополняется и изменяется, переходя из первоначально неполного знания к более полному и адекватному знанию.

Идентификация для цели проектирования САУ является одним из процессов, которые коллектив разработчиков организует в рамках инженерной практики создания системы автоматического управления, удовлетворяющей требованиям технического задания. Все процессы этой инженерной практики образуют систему, для которой конечная цель этой практики выступает в качестве системообразующего фактора. Поэтому научное исследование идентификации следует вести с позиций системного подхода.

Условия возникновения потребности в структурной идентификации технического объекта. Структурная идентификация для цели проектирования САУ обычно реализуется на предпроектных стадиях создания системы автоматического управления, до начала стадии разработки и утверждения технического задания на ее создание. Решение об осуществлении структурной идентификации принимается только в том случае, если у коллектива разработчиков:

· отсутствует достоверное априорное знание об адекватной модельной структуре технического объекта, т. е. имеет место полная априорная структурная неопределенность в априорном знании об объекте автоматизации;

· имеется начальный (неполный и неокончательный) набор рабочих гипотез об адекватной модельной структуре технического объекта.

Отсутствие достоверного априорного знания интерпретируется как наличие слабой модельной изученности объекта автоматизации как объекта управления. Этот же объект как технологический процесс, имеющий определенное производственное назначение, может быть достаточно хорошо изучен в рамках определенного набора технологических и технических наук. Каждая рабочая гипотеза представляет собой предположение, что определенная пробная модельная структура является адекватной модельной структурой. Пробной модельной структурой называется модельная структура, которая выбирается субъектом структурной идентификации как возможный кандидат на роль адекватной модельной структуры. Адекватная модельная структура – это модельная структура, на основе которой в процессе параметрической идентификации можно определить адекватную математическую модель технического объекта для цели проектирования САУ.

Структурная идентификация технического объекта. Под структурной идентификацией технического объекта для цели проектирования САУ понимается итерационный процесс, каждая итерация которого состоит из постановки содержательной задачи структурной идентификации и поиска ее пробного решения в форме определенной модельной структуры. Конечной идеальной целью итерационного процесса является нахождение адекватной модельной структуры. Субъект структурной идентификации – коллектив разработчиков, ведущий мотив его деятельности – построение реальной САУ, удовлетворяющей требованиям технического задания.

Под содержательной задачей структурной идентификации понимается система знаний, которая состоит из условий и требований. Условия содержат все знание субъекта реальной структурной идентификации о своем системном окружении (внешней среде). К требованиям относится все знание субъекта о желательных свойствах конечного результата структурной идентификации в целом, которое он рассматривает как набор обязательных требований к этому конечному результату. В частности, обязательным элементом требований является наличие в нем установки на поиск адекватной модельной структуры как наилучшего решения задачи структурной идентификации.

Поиск пробного решения содержательной задачи структурной идентификации, осуществляемый на каждой итерации структурной идентификации, состоит из пяти этапов:

1) формирование набора рабочих гипотез об адекватной модельной структуре; каждая рабочая гипотеза представляет собой предположение, что определенная пробная модельная структура является адекватной модельной структурой; пробной модельной структурой называется модельная структура, которая выбирается субъектом структурной идентификации как возможный кандидат на роль адекватной модельной структуры;

2) определение «наилучшей» рабочей гипотезы в заданном наборе рабочих гипотез на основе знаний и экспериментальных данных о техническом объекте;

3) предварительный инженерный анализ «наилучшей» рабочей гипотезы с точки зрения полезности ее применения в процессе организации параметрической идентификации;

4) принятие решения о переходе к следующей итерации структурной идентификации или решения о начале итерации параметрической идентификации после окончания текущей итерации структурной идентификации;

5) разработка программы исследований «наилучшей» рабочей гипотезы в рамках системного окружения структурной идентификации после принятия решения о начале итерации параметрической идентификации.

Формирование набора рабочих гипотез осуществляется субъектом структурной идентификации на основе имеющихся у него знаний и экспериментальных данных о техническом объекте, включающих результаты теоретических и экспериментальных исследований «наилучших» рабочих гипотез в рамках системного окружения структурной идентификации.

«Наилучшей» рабочей гипотезой считается гипотеза, которая обеспечивает наилучшее (для заданного набора рабочих гипотез) значение выбранного коллективом разработчиков показателя функционального соответствия каждой пробной модельной структуры входо-выходным характеристикам технического объекта. Этот показатель желательно выбрать таким образом, чтобы его значение для каждой пробной модельной структуры как можно лучше соответствовало реальному уровню согласия между выходными сигналами объекта и эмпирическими следствиями, которые могут быть получены с помощью математической модели, которая интерпретируется как модель - представитель этой пробной модельной структуры. Модель - представитель характеризуется двумя свойствами. Она должна содержаться в пробной модельной структуре, которую представляет, и быть выбранной субъектом структурной идентификации в качестве кандидата на роль адекватной математической модели технического объекта.

Значение показателя функционального соответствия интерпретируется как косвенное измерение практической эффективности модельной структуры, т.е. способности модельной структуры обеспечить определенный уровень достижения конечной цели проектирования при ее использовании в процессе синтеза регулятора проектируемой САУ. Под прямым измерением практической эффективности модельной структуры понимается значение заданного эмпирического показателя, характеризующего степень выполнения технических требований Заказчика для пробного варианта САУ, спроектированного с использованием этой модельной структуры.

Системное окружение идентификации технического объекта. Системное окружение структурно-параметрической идентификации, необходимое для ее практической реализации, состоит из двух подсистем:

· подсистемы, в которой реализуется синтез пробного регулятора проектируемой САУ на основе построенной пробной математической модели технического объекта;

· подсистемы, в которой реализуются стадии оценивания приемлемости синтезированного пробного регулятора для проектирования САУ, удовлетворяющей требованиям технического задания.

Системное окружение идентификации, главным образом, используется для теоретической и опытной проверки возможности спроектировать САУ на основе пробной математической модели технического объекта, выбранной в процессе структурно-параметрической идентификации. Результаты этой проверки (испытания пробной математической модели) поступают на вход системы, в которой формируется структурно-параметрическая идентификация в том случае, когда тестируемая пробная модель отвергается. В этом случае коллектив разработчиков начинает новую итерацию структурно-параметрической идентификации, в ходе которой разрабатывается новая пробная модель технического объекта. Процесс разработки пробной модели и ее испытание продолжаются до тех пор, пока не будет найдена адекватная математическая модель технического объекта для цели проектирования САУ или ее приемлемое приближение.

2. Традиционные общие схемы идентификации

Традиционными общими схемами идентификации будем называть блок-схемы этапов поиска приемлемой математической модели технического объекта, представленные в различных научных работах в области идентификации систем в период с середины 60-х годов по начало 90-х годов XX века. В частности, эти общие схемы содержатся:

· в работе [1, с. 35]: рисунок 1.7 с названием «этапы итеративного подхода к построению модели» [1];

· в работе [2, с. 28]: рисунок 1.1, который, с точки зрения автора этой работы, иллюстрирует «связь между априорной информацией (о структуре) и апостериорной информацией (об измерениях) при построении модели» [2];

· в работе [3, с. 53]: рисунок 1.7, который, с точки зрения автора этой работы, является схемой «поэтапного решения задачи построения восстановленной модели» [3];

· в работе [4, с. 7]: рисунок 1 с названием «схема идентификации» [4];

· в работе [5, p. VIII]: рисунок «fig. 1» с названием «an identification scheme» (схема идентификации) [5];

· в работе [5, p. XIV]: рисунок «fig.7» с названием «steps in the identification procedure» (этапы процедуры идентификации) [5];

· в работе [6, с. 26]: рисунок 11 с названием «обобщенная схема построения модели» [6];

· в работе [7, с. 141]: рисунок 8.1 с названием «блок-схема процедуры построения модели» [7];

· в работе [8, с. 21]: рисунок 1.11 с названием «контур идентификации системы» [8].

В настоящей работе ввиду ограниченного объема публикации на рис. 1-3 приведены только общие схемы, опубликованные в работах [1, 5, 8]. Надпись под любым рисунком представляет собой ссылку на работу, в которой находится оригинал рисунка. Имеющиеся различия между рис. 1-3 и их оригиналами представляются несущественными с точки зрения понимания смысла изображения. Наибольшее отличие от оригинала имеет рис. 3. На наличие этого различия указывает его подрисуночная надпись. Рис. 3 назван «схема рис. «fig. 7» из работы [5]». Последнее означает, что блок-схема оригинала «fig.7» воспроизводится на рис. 3 с изменением формы блоков и несущественным для понимания изменением расположения стрелок и надписей вне и внутри блоков, а также осуществлен перевод всех надписей оригинала «fig.7» с английского языка на русский язык.

В период с середины 60-х годов по начало 90-х годов XX века общие схемы идентификации присутствовали в большинстве научных книг в области идентификации систем, которые были нацелены на разработку математических средств идентификации. В этих работах они выполняли две функции. Во-первых, иллюстрировали сложность процесса идентификации. Во-вторых, позволяли авторам указать, на каких этапах идентификации следует применять разработанные математические методы идентификации.

С точки зрения междисциплинарного направления каждый блок этих схем можно рассматривать как описание определенной функции коллектива разработчиков САУ, который является субъектом идентификации. Поэтому традиционные общие схемы идентификации можно интерпретировать как нормативные модели коллектива разработчиков в процессе идентификации. Сопоставляя эти схемы с представлениями междисциплинарного направления, приведенные в разделе 1, можно выделить общие схемы, опубликованные в работах [1, 5, 8] и изображенные на рис. 1-3. Эти блок-схемы, по мнению автора, лучше других схем соответствуют представлениям междисциплинарного направления. Отличие состоит в том, что представления этого направления более сильно регламентируют поведение разработчиков, чем блок-схемы на рис. 1-3. Однако и эти представления в настоящее время не позволяют создать эффективные средства информационной поддержки коллектива разработчиков в процессе идентификации ввиду недостаточно полного (для инженерных приложений) регламентирования его поведения.

Рис. 1. Рис. 1.7 из работы [1] Рис. 2. Рис. 1.11 из работы [8]

Рис. 3. Схема рис. «fig.7» из работы [5]

Заключение

Представляется, что общие схемы идентификации, изображенные на рис. 1-3 и представленные в работах [1, 5, 8], могут быть использованы в качестве начальной основы для процесса построения нормативных моделей поведения разработчиков в реальной идентификации на предпроектных стадиях создания САУ. Однако только в качестве начальной основы. В существующем виде эти общие схемы слабо регламентируют поведение коллектива разработчиков, намечая лишь общие «контуры» его возможного поведения. Для того чтобы стать эффективным средством информационной поддержки деятельности разработчиков, эти общие схемы необходимо существенно конкретизировать и детализировать. В идеале необходимо стремится к построению общих схем идентификации, которые содержат детальной описание всех желательных функций разработчиков САУ в процессе поиска адекватной математической модели технического объекта. Это описание должно быть настолько детальным, что основываясь на его содержании разработчики могут реализовать все желательные функции, приведенные в общей схеме. Данное описание должно обязательно включать все функции разработчиков, связанные с выбором необходимых математических средств идентификации и их использованием в процессе идентификации. Представляется несомненным, что в недалеком будущем общие схемы идентификации будут содержать графическое изображение метода организации эффективного взаимодействия коллектива разработчиков с математическими средствами идентификации. Разработка указанного метода является одной из актуальных задач идентификации систем.

Литература

1. Бокс Дж. Анализ временных рядов. Прогноз и управление: пер. с англ. / Дж. Бокс, Г. Дженкис. М.: Мир, 1974. 408 с.

2. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления: пер. с англ. / П. Эйкхофф. М.: Мир, 1975. 685 с.

3. Перельман И.И. Оперативная идентификация объектов управления. / И.И. Перельман. М.: Энергоиздат, 1982. 272 с.

4. Эйкхофф П. Современные методы идентификации систем: пер. с англ. / П. Эйкхофф, А. Ванечек, Е. Савараги, Т. Соэда, Т. Накамизо, Х. Акаике, Н. Райбман, В. Петерка / Под ред. П Эйкхоффа. М.: Мир, 1984. 400 с.

5. Eykhoff P. Identification Theory: Practical Implications and Limitations // Proceeding of the 4th IMEKO Symposium on Measurement and Estimation, Bressanone (Brixen), Italy, May 8-12, 1984. P. VI-XVI.

6. Неуймин Я.Г. Модели в науке и технике. История, теория, практика / Я.Г. Неуймин. Л.: Наука. 1984. 190 с.

7. Дрейпер Н. Прикладной регрессионный анализ: В 2-х кн. Кн. 2: пер. с англ. / Н. Дрейпер, Г. Смит. М.: Финансы статистика, 1987. 352 с.

8. Льюнг Л. Идентификация систем. Теория для пользователей: пер. с англ. / Л. Льюнг. М.: Наука, 1991. 432 с.