Ступенчатое адаптивное управление с эталонной моделью

ВВЕДЕНИЕ (INTRODUCTION)

Адаптивное управление, как известно, применяется в случае слабоструктурированных, пло-хоформализуемых систем. Оно предусматривает дополнительный контур самонастройки. Однако даже при самонастройке все равно необходимо на что-то опираться, иметь некоторые уставки, в некоторых случаях это могут быть критерии. С другой стороны, роль такой опоры может исполнять эталонная модель. Однако обычно эта модель представляется гладкими функциями [1] и управление проходит в один этап.

Существует много практических задач, в которых конечный результат недостижим за один этап – «кавалерийской атакой». Например, чтобы достичь необходимой точности крупной детали – вала, после поковки, которая приводит к большому разбросу значений диаметров, необходимо сначала провести обдирочную операцию, затем черновую обработку и только после этого чистовую. В результате модель должна быть процессной, включающей несколько подпроцессов и ступенчатой.

ТЕОРИЯ (THEORY)

Общая схема адаптивного управления выглядит следующим образом (рис. 1).

На рис. 1 обозначено: Р – регулятор, y*(t) – целевое управление, yэ(t) - реакция эталонной модели, y(t) – реакция объекта управления, f(t) -возмущающие воздействия, u(t) – управляющие воздействия.

Рассмотрим функционирование этой схемы с процессной моделью, т.е. моделью, отражающей изменения объекта управления при переходах с одной стадии процесса на каждую следующую. Процессный подход в управлении плохоформализуемыми, слабоструктурированными системами активно применяется с конца 90-х годов и призван заменить функциональный подход [2, 3, 4]. Недостатком функционального подхода является повышенное локальное внимание к каждой из совокупности функций, реализующих управляемый процесс. При этом упускается из вида постадийный и, самое главное, конечный результат управления.

При процессном же подходе контролируется каждый этап процесса управления и при необходимости вносится соответствующие корректировки. В этом смысле процессный подход органично сочетается с адаптивным управлением.

Обычно исследуемый процесс подвергается декомпозиции [5]. Хотя выделение подпроцессов может представить определенные трудности [6] в общем случае эта задача разрешима за счет проведения простых границ, например по изменениям структуры. Так это в случае упомянутой выше обработки вала меняется обрабатывающее оборудование и это служит основанием для выделения трех подпроцессов.

Неопределенность (трудность формализации) в этом случае выражается разбросом диаметров вала до и после обработки, что показано

Рис. 1. Схема адаптивной системы управления на рис. 2 в виде сужающейся полоски, причем дисперсия величины конечного диаметра уменьшается при переходе от одной операции к другой.

Модель же, играющая роль уставки, должна быть четко определенной. Ступенчатую модель можно представить в табличной форме (табл. 1)

Здесь в первой строчке указывается ступенчатая реакция модели на входной временной сигнал. Во второй строчке показано значение аргумента, которое непосредственно связано с выполняемой операцией. Надо иметь в виду, что здесь указан нижний предельный размер диаметра, ниже которого деталь попадает в брак. Использование эталонной модели в этом случае способствует преобразованию обработки вала в отработанную технологию и обеспечивает автоматизацию производства [7].

Диаметр

Рис. 2. Управление обработкой вала по ступенчатой модели

Таблица 1. Ступенчатая модель процесса металлообработки

У э (Г)	D 1	D 2	D 3
T	Обдирка	Черновая	Чистовая

ДАННЫЕ И МЕТОДЫ (DATA AND METHODS)

Рассмотрим применение указанной теории к яркому представителю слабоструктурированных и плохоформализованных систем - к педагогике, где адаптация является важным инструментом повышения качества образования [8]. С переходом на уровневое образование квалификация выпускников вузов оценивается компетентностью. Компетентность возрастает в процессе обучения с естественным выделением этапов в виде семестров. Компетентность – качество интегральное и слагается из компетенций, каждая из которых постулируется образовательным стандартом.

Размерность по каждой компетенции связана с процедурой оценки достигнутых уровней [9]. При этом можно оценивать компетенцию обычными экзаменационными оценками, а интегральная оценка будет равна сумме оценок по каждой из дисциплин, развивающих конкретную компетенцию, и будет находиться между суммой всех удовлетворительных и отличных оценок.

МОДЕЛЬ (METHODS OR MODEL)

Моделирование в педагогике используется достаточно широко [10]. По мнению авторов А.М. Новикова и Д.А. Новикова «модели носят нормативный характер для дальнейшей деятельности, играют роль стандарта, образца, под который «подгоняется» впоследствии как сама деятельность, так и ее результаты» [11]. Таким образом, модель в педагогике выполняет две функции, реализуемые независимо или одновременно, модель – эталон для достижения цели и модель – инструмент ее достижения, то есть в педагогике под моделью обычно понимается как идеальный результат, так и процесс который к нему ведет.

Полная модель компетентности академического бакалавра по направлению подготовки 27.03.03 - Системный анализ и управление включает 8 общекультурных, 8 общепрофессиональных и 8 профессиональных компетенций, которые развиваются 67 изучаемыми дисциплин, фигурирующими в учебном плане [12, 13]. Процесс развития компетентности по этой модели удобно всего рассматривать в многомерном пространстве компетенций [14], где каждой компетенции выделяется своя координата. В этом случае интегральное развитие всех компетенций должно приводить в конце образовательного процесса к идеальной компетентностной модели бакалавра.

На вход схемы адаптивного управления в схеме на рис. 1 подается в этом случае временная диаграмма в виде учебного плана с четким следованием дисциплин

Ступенчатую модель процесса развития одной из компетенций тремя дисциплинами можно представить в табличной форме (табл. 2)

Таблица естественным образом расширяется на все компетенции, постулированные в стандарте направления.

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ (RESULTS)

Применив эту модель к образовательному процессу, получим этапы, связанные с промежуточной аттестацией, семестрами [15]. Однако уровень компетенций развивается конкретными дисциплинами, которые могут длиться не один семестр и, следовательно, речь идет о параллельном развитии уровня компетенции несколькими дисциплинами в одном семестре, каждая из них должна обеспечить свой вклад.

Отдельно следует обсудить вопрос адаптации к конкретной группе обучаемых студентов. Конечно, можно разработать индивидуальный образовательный маршрут для каждого студента. Однако это довольно затратный путь и при большой нагрузке преподавателя не всегда осуществим. В таком случае необходимо некоторое осреднение способностей студентов данной группы к обучению и выбор педагогических средств в соответствии с этим «осредненным» студентом.

С другой стороны, можно потребовать, чтобы даже самый слабый студент в группе гарантированно преодолевал минимальный уровень, задаваемый ступенчатой моделью за время прохождения каждой ступени, и тогда педагогические средства могут довольно резко поменяться. В этом случае можно применить некоторую комбинацию педагогических средств, при которой со слабыми студентами ввести дополнительные занятия по индивидуальному маршруту, а осреднение проводить без их учета.

Процесс адаптивно управляемого развития компетенции изображен на рис. 3

ЗАКЛЮЧЕНИЕ (CONCLUSIONS OR DISCUSSION AND IMPLICATION)

Таким образом, ступенчатое адаптивное управление с эталонной моделью позволяет

Таблица 2. Ступенчатая модель развития компетенции

У э (Г)	К 11	К 12	К 13
T	3 семестр	4 семестр	5 семестр

Уровень

Рис. 3. Управление развитием компетенции по ступенчатой модели на примере трех дисциплин

упростить процесс поэтапного контроля при управлении сложной плохоформализуемой и слабоструктурированной системой. Оно сводит процесс управления к ступенчатому достижению заранее установленных эталонных норм, а управление по отклонению от этих норм является регулированием и глубоко исследовано.