Экстремальное управление проектами: новое в управлении современными проектами. Настройка (экстремальное управление) Плюсы и минусы XPM

Название: Экстремальное управление проектами.

Экстремальное управление проектами - это гибкая и динамичная модель для проектов любого типа, характеристиками которых являются высокие скорость и неопределенность, и в которых неудача недопустима.
Книга Экстремальное управление проектами дает практические рекомендации для руководителей, работающих с большими рисками и под сильным давлением для достижения ожидаемого конечного результата. Основанная на обширном опыте Дуга ДеКарло в работе с более чем 250 командами проектов, его модель экстремального управления проектами построена на наборе согласованных принципов, ценностей, навыков, инструментов и практик, которые показали высокий результат в условиях постоянных изменений и неопределенности.

В мире, где новые технологии развиваются и внедряются головокружительными темпами, мы все чаще и чаще сталкиваемся с проектами нового типа. Кажется, что мир буквально охвачен ими. Это проекты, где сроки исполнения критичны, цена ошибки крайне высока, хаотично и непредсказуемо меняются требования, а заказчик в последний момент может решить, что вообще-то ему нужен совсем другой результат. Неопределенность во всем, ее подчас слишком много, ей управляют особые люди -менеджеры экстремальных проектов в «проектно-безумных» компаниях.
Для управления неизвестным нельзя использовать традиционное управление проектами, основанное на тщательном планировании и четких процессах, этот подход работает все хуже и хуже, а на некоторых проектах - не работает вообще, считает Дуг ДеКарло. Необходимо принять высокую неопределенность как норму, научиться существовать в этом изменчивом мире и добавить к традиционным «ньютоновским» инструментам управления проектами «квантовое» мышление.

СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие к русскому изданию.
Проект - это джаз 11
Предисловие 13
Введение. Увидеть свет 17
Чем отличаются экстремальные проекты 20
Приготовиться, Огонь, Целься! 23
Экстремальное управление проектами 2 5
Изменение парадигмы 27
Часть первая: Новая реальность 31
1 Применение квантового образа мышления для экстремальной реальности 33
Есть ли метод в вашем безумии? 35
Линейное безумие 37
Ньютоновский невроз и управление экстремальными проектами 39
Инструменты самодиагностики 41
Вы отвечаете за свои слова? 43
Это джаз, а не классика 44
Навстречу мирному сосуществованию 45
Заключение 4б
2 Экстремальная модель успеха 49
Ключи к успеху 49
Что такое «проект»? Новое определение 51
Что такое «управление проектами»?
Новое определение 53
Что такое «экстремальный проект»? 56
Что такое «экстремальное управление проектами»? 56
Как измерить успешность экстремального проекта? 59
Кто определяет успешность проекта? 60
Каковы основные элементы экстремальной модели достижения успеха? 62
Инструменты, навыки и условия достижения успеха:
5 Критических факторов успеха 67
Часть вторая: Навыки лидерства в экстремальном мире 71
3 Лидерство начинается с самодисциплины 75
Проектно-безумные организации 76
Формула самоистязания 78
Формула самодисциплины 82
Обращение в высшие инстанции 98
4 Роль лидера для руководителя экстремального проекта 103
Роль руководителя экстремального проекта 104
Участники: Управление проектной средой экстремального проекта 112
Вы в роли лидера процессов 118
Девять причин неудач руководителя экстремального проекта 129
Вы гораздо сильнее, чем можете себе представить 131
Если добиться приверженности невозможно 135
5 Принципы, ценности и навыки межличностного общения для лидера проекта 139
4 Ускорителя: как раскрыть мотивацию и способствовать созданию инноваций 141
10 Общих ценностей: как установить взаимодоверие для достижения успеха 146
4 Вопроса бизнеса: как добиться того, чтобы заказчик получал ценные результаты на каждом этапе 150
Развитие навыков межличностного общения в экстремальном мире 152
Принципы эффективного общения 159
Как вести переговоры 165
Разрешение конфликтов 178
Если ничего не помогает 180
6 Управление экстремальной командой 183
Ценности процесса 184
Описание команды 186
Создание основной команды 188
Создание условий для успешной работы команды 197
Правила проведения эффективных совещаний 210
Навыки фасилитатора 216
Принятие решений и решение проблем 220
Как заслужить право стать лидером процессов 227
7 Управление участниками экстремального проекта 233
Трудности управления участниками 234
Ценности бизнеса 237
Управление отношениями 238
Вселенная участников 238
Управление участниками проекта 244
Роль управляющего комитета 258
Как бороться с иллюзорным циклом утверждений 260
Управление изменениями: вы их создали, но приживутся ли они? 261
Четвертый вопрос бизнеса: Оно того стоит? 269
Часть третья: Гибкая модель проекта 271
8 Видение проекта: понимание видения проекта спонсором 279
Ответ на первый вопрос бизнеса: кому это нужно и зачем? 280
Первая встреча со спонсором 284
Начало работы над Уставом проекта 295
Вторая встреча со спонсором 304
9 Разработка видения проекта: создание коллективного видения 311
Подготовка к третьей встрече со спонсором 312
Получение или неполучение разрешения: третья встреча со спонсором 320
Подготовка к рамочной встрече 327
Проведение рамочной встречи 332
После встречи 346
10 Оценка проекта: совещание по планированию 357
Подготовка к совещанию по планированию 359
Двенадцать этапов совещания по планированию Зб 1
11 Оценка проекта: работы, выполняемые по завершении планирования 397
Оценка инфраструктуры управления проектом 399
Оценка финансовых требований 400
12 Этап Обновления проекта: обучаемся, делая 413
Основные движущие силы 414
Составление временных блоков 418
Применение модели ИПССР 420
Цель этапа обновления проекта 432
13 Переоценка проекта: определение судьбы проекта 443
Чем не является переоценка проекта 44б
Процесс переоценки 447
14 Внедрение проекта: получение экономического эффекта 467
Что случилось с четвертым вопросом бизнеса: оно того стоит? 470
Момент передачи результата 472
Стабилизационный период 473
Совещание по анализу проекта 474
Реализация преимуществ 477
Часть четвертая: Управление проектным окружением 489
15 Общение в реальном времени 491
Каковы основные потребности в общении участников проекта? 495
Каковы основные характеристики жизнеспособной системы общения в реальном времени? 497
Из чего состоит система общения в реальном времени? 499
Где найти приемлемые решения для быстрого начала работ? 502
В чем состоят технические требования, предъявляемые
к планированию и проведению виртуальных встреч? 506
Что надо знать о планировании и проведении web-конференций? 509
Как не попасть в ловушку? 510
16. Гибкая организация: Брифинг для руководства 513
Новая динамика проекта 515
Как руководство организации может подорвать эффективное управление проектами 517
Роль спонсора проекта 520
Гибкая организация: худшие и лучшие подходы 523
Достижение согласия 538
Переходный период 540
Мир становится все более экстремальным 541
Послесловие Роберта К. Высоцки 543
Экстремальные средства и методы 547
Средства и методы самодисциплины 547
Межличностные инструменты и навыки 5бЗ
Техники фасилитатора 572
Инструменты управления проектами 580
Список литературы 583

Область применения XPM не ограничивается разработкой программного обеспечения. Экстремальный проектный менеджмент будет эффективен для опытных команд, которые реализуют инновационные проекты, стартапы, работают в хаотичных, непредсказуемых условиях.

Что такое Extreme Project Management?

Концепция XPM была разработана в 2004 году. Но считать его единственным разработчиком было бы несправедливо. Дуг вдохновился рядом методик других авторов:

• моделью радикального проектного менеджмента Роба Томсета ,
• APM Джима Хайсмита ,
• концепцией экстремального программирования Кента Бэка .

В основу Extreme Project Management ДеКарло вложил теорию хаоса и сложные адаптивные системы.

Теория хаоса — математическая область, посвящённая описанию и изучению поведения нелинейных динамических систем, которые в определенных условиях подвержены так называемому динамическому хаосу.

Сложная адаптивная система — система из множества взаимодействующих компонентов, которая отвечает ряду условий (фрактальное строение, способность к адаптивной активности и т.д.). В качестве примеров САС можно привести город, экосистемы, фондовый рынок.

Дуг сравнивает экстремальный проектный менеджмент с джазом.

Хоть джаз и может звучать хаотично, у него есть своя структура, благодаря которой музыканты имеют возможность импровизировать и создавать настоящие шедевры.

Вместо того, чтобы идти по проторенной дорожке, в Extreme Project Management проектные менеджеры обсуждают лучшую альтернативу с клиентом, экспериментируют, изучают результаты и используют эти знания в следующем проектном цикле.

Одно из свойств некоторых хаотичных систем,
которые являются объектами рассмотрения теории хаоса — «эффект бабочки»,
ставший популярным после «И грянул гром» Рэя Брэдбери

Брайан Вэрнхем, автор книги « », выделил пять шагов, по которым должна следовать команда, работающая по методике экстремального проектного менеджмента, для успешного завершения проекта:

1. Увидеть — четко обозначьте видение проекта перед началом экстремального проектного менеджмента
2. Творить — вовлекайте команду в креативный мыслительный процесс и мозговой штурм для создания и отбора идей по достижению установившегося видения проекта
3. Обновить — стимулируйте команду проверить свои идеи через внедрение инновационных решений
4. Переоценить — при приближении цикла разработки к концу команда должна сделать переоценку своей работы
5. Распространить — после прохождения обучения важно распространить знания и применить их к будущим этапам проекта, а также к новым проектам в целом.

Так как во главе угла Extreme Project Management стоят люди, то это определяет и специфику измерения успеха XPM-проекта:

• пользователи удовлетворены прогрессом и промежуточными доставками — есть ощущение того, что проект движется в верном направлении, несмотря на окружающую нестабильность.
• пользователи довольны конечной доставкой.
• члены команды довольны качеством своей жизни во время работы над проектом. Если спросить их, хотели бы они поработать над похожим проектом, большая часть ответит "да«.

Плюсы и минусы XPM

Среди основных преимуществ методологии нужно отметить такие:

• целостность — несмотря на то, что Extreme Project Management включает самые разные методы, инструменты и шаблоны, они имеют смысл только при применению ко всему проекту в целом. Вы как проектный менеджер можете видеть весь проект как единую систему без необходимости анализировать отдельные её части
• человеко-ориентированность — в XPM акцент делается на динамике проекта. Он позволяет заинтересованным сторонам взаимодействовать и общаться, и в итоге — удовлетворять потребности клиента
• фокус на бизнес — как только будет достигнут результат, у вас будет четкое видение того, как проект может принести пользу вашему клиенту. Команда постоянно сосредоточена на ранней и частой доставке продукта
• гуманизм — один из принципов Extreme Project Management. Заключается в учёте качества жизни вовлеченных в проект людей. Будучи неотъемлемой частью проекта, увлечение работой и корпоративный дух сильно влияют на бизнес, поэтому во время работы над проектом важно физическое и моральное состояние команды
• реальность в качестве основы — экстремальный проектный менеджмент позволяет работать в непредсказуемой, хаотичной среде. Вы не можете изменить реальность для приспособления к проекту. Происходит обратное: вы адаптируете проект под внешние факторы.

Не обошлось и без минусов. К ним можно причислить:

• неопределённость — эта особенность отсекает большой сектор проектов, начиная с имеющих критическую опасность (военные объекты, атомные станции, приложения интернет-банкинга и т.п.), заканчивая тендерными проектами со строго оговоренным бюджетом, сроками и другими свойствами проекта;
• высокие требования к опыту и квалификации проектной команды — необходимо постоянно приспосабливаться к изменениям в проектной среде, наладить эффективную коммуникацию друг с другом, стейкхолдерами и проектным менеджером, и работать короткими итерациями (последнее актуально для IT-сферы);
• необходимость сменить образ мышления — в отличие от традиционного проектного менеджмента, в котором работа над проектом идёт по привычным этапам, согласно утвержденному плану и ролям, в XPM команде нужно перестроиться и быть готовым к невозможности полного контроля над проектом;
• невозможность долгосрочного планирования — вчерашний план по актуальности будет не свежее новостей за прошлый месяц. Для корректной работы команды по достижению цели проекта нужно проявить качества гибкости и самоорганизации.

1. проект создаётся в динамичной среде — происходит постоянная смена обстоятельств, скорости, требований;
2. возможно применение метода проб и ошибок в работе над проектом;
3. над проектом работает опытная команда — в отличие от традиционного проектного менеджмента, во главе угла стоят люди, а не процессы;
4. разрабатываете приложение — за жизненный цикл разработки программное обеспечение в большинстве случаев успевает сменить функционал или расширить список доступных платформ. Чем больше пользователей пользуются ПО, тем больше изменений может быть внесено, для чего и отлично подходит экстремальный проектный менеджмент
5. это мета-проект — то есть который делится на много мелких проектов. XPM в этом случае поможет справиться с задержкой в старте работы;
6. владелец бизнеса готов участвовать в работе над проектом от начала до конца. Должны быть налажены связи «проектный-менеджер — бизнесмен»,
   «проектный-менеджер — стейкхолдер»,
   "менеджер проекта — владелец бизнеса — стейкхолдер«.

Стейкхолдеры — люди и организации, которые так или иначе оказывают влияние на проект. Сюда относятся и активно вовлеченные в него (проектная команда, спонсор), и те, кто будут пользоваться результатами проекта (заказчик), и люди, которые могут влиять на проект, хотя и не участвуют в нём (акционеры, компании-партнёры).

Экстремальный проектный менеджмент требует быстрой адаптации команды к необычным, постоянно меняющимся условиям, в которых предстоит работать. Поэтому можно выделить несколько ключевых правил, которые обязательны для эффективного использования Extreme Project Management:

Наочный пример отличия классического проектного менеджмента от экстремального . В первом достигается запланированный результат, во втором — желаемый.

eXtreme Project Management:
Using Leadership, Principles, and Tools to Deliver Value in the Face of Volatility Дуг ДеКарло

№ 1 для всех, кто хочет освоить Extreme Project Management. На основе опыта работы с более чем 250 проектными командами автор написал подробный справочник по экстремальному проектному менеджменту. О книге восторженно отзываются проектные менеджеры крупнейших международных организаций: Management Solutions Group, Inc., Zero Boundary Inc., Guru Unlimited и т.д.

Effective Project Management: Traditional, Adaptive, Extreme,
Third Edition Роберт К. Высоцкий

Прочитав который можно составить представление не только об экстремальном проектном менеджменте, но и адаптивном. Из интересного — в конце каждой главы даются вопросы для упорядочивания поданного материала, который насыщен реальными кейсами проектов из разных сфер.

Radical Project Management Роб Томсетт

В экстремальный проектный менеджмент представлен от «А» до «Я», разобран каждый инструмент и техника, с помощью которых внедряется Extreme Project Management. Максимум практической информации с разбором кейсов.

Architectural Practices: Extreme Project Management for Architects

Не книга, а , но не включить его в подборку нельзя из-за уникальности. Это емкий ресурс по использованию XPM в архитектуре и строительстве. К сожалению, автор сайта больше его не обновляет, но в качестве шпаргалки страница годится до сих пор.

Вердикт

искусством и наукой о содействии и управлении потоком мыслей, эмоций и действий таким образом, чтобы получать максимальные результаты в сложных и нестабильных условиях.

Причины успеха XPM среди остальных методик менеджмента лежат в трех плоскостях:

1. Extreme Project Management делает возможным непрерывную самокоррекцию и самосовершенствование в режиме реального времени;
2. XPM фокусируется на определении и следовании миссии проекта , прививая уверенность стейкхолдерам и проектной команде;
3. человеко-ориентированность , гуманизм и приоритет людей над процессами как ключевые особенности методологии.

Цель работы

Ознакомиться с построением шаговых экстремальных систем управления при управлении динамическими объектами с запаздыванием.

Теоретическая часть

В любом производстве (на заводе, комбинате) имеется некото­рый ведущий технико-экономический показатель (ТЭП), полно­стью характеризующий эффективность работы этого производства. Этот ведущий показатель выгодно поддерживать на экстремальном значении. Таким обобщенным показателем может быть прибыль предприятия.

Для всех технологических процессов (в цехах, отделениях), входящих в состав производства, исходя из ведущего ТЭП, можно сформулировать свои частные ТЭП (например, себестоимость еди­ницы продукции при заданной производительности). В свою оче­редь технологический процесс обычно можно разбить на ряд участ­ков (технологических агрегатов), для каждого из которых также можно найти критерий оптимальности Q. Достижение экстремума Q будет приближать к экстремуму частный ТЭП процесса и веду­щий ТЭП производства в целом.

Критерий оптимальности Q может быть непосредственно ка­ким-либо технологическим параметром (например, температура фа­кела топочного устройства) либо некоторой функцией, зависящей от технологических параметров (например, к.п.д., тепловой эффект реакции, выход полезного продукта за заданный промежуток вре­мени и т.д.).

Если критерий оптимальности Q является функцией некоторых параметров объекта, то для оптимизации этого объекта может быть применена система экстремального регулирования (СЭР).

В общем случае величина критерия оптимальности зависит от изменения ряда входных параметров объекта. Имеется много объ­ектов управления, у которых величина критерия оптимальности Q зависит в основном от изменения одного входного параметра. При­мерами таких объектов могут служить различного рода топочные устройства, каталитические реакторы, химводоочистка на тепловых электростанциях и многие другие.

Итак, системы экстремального регулирования предназначены для поиска оптимальных значений управляющих воздействий, т.е. таких значений, которые обеспечивают экстремум некоторого кри­терия Q оптимальности процесса.

Системы экстремального регулирования, которые предназначены для оптимизации объекта по одному входному каналу, называются одноканальными. Такие СЭР получили наибольшее распростране­ние.

При оптимизации объектов, обладающих значительной инерци­онностью и чистым запаздыванием, целесообразно применение ша­говых экстремальных систем, которые воздействуют на управ­ляемый вход объекта через дискретные промежутки времени.

При исследовании экстремальной системы объект оптимизации в большинстве случаев удобно представить последовательным соединением трех звеньев: входного линейного инерционного звена, экстремальной статической характеристики у = F (х ) и выходного линейного инерционного звена (рис. 1). Такую структурную схему замещения можно обозначить ЛНЛ.

Рис. 1 Схема экстремального объекта ЛНЛ

Коэф­фициенты усиления обоих линейных звеньев удобно принимать равными единице. Если инерционность входного линейного звена пренебрежи­мо мала по сравнению с инерционностью выходного линейного звена, объект можно пред­ставить схемой замещения НЛ; если инерционность вы­ходного линейного звена пренебре­жимо мала, - схемой замещения ЛН. Собственные инерционные свой­ства объекта обычно представляют­ся выходным инерционным звеном; к этому же звену отно­сится инерционность измерительных устройств системы.

Входное линейное звено обычно появляется в структурной схеме объ­екта тогда, когда исполнительный механизм (ИМ) экстремальной си­стемы воздействует на собственно объект оптимизации через звено, обладающее инерционностью, напри­мер, если входным параметром опти­мизируемого объекта является тем­пература, а ИМ воздействует на из­менение ее через теплообменник. К входной линейной части относят и инерционность исполнительного меха­низма.

Следует отметить, что промежу­точные между линейными и нели­нейными звеньями координаты объ­екта управления в подавляющем большинстве случаев замерить не­возможно; это легко осуществить лишь при моделировании системы.

В некоторых случаях определить структурную схему замещения объ­екта можно лишь экспериментально.

Для этого следует изменить входную координату объекта v 1 , соответствующую значению выхода z 1 , до v 2 (рис. 2,а ), при котором значение выходной координаты объекта в результате переходного процесса будет приближенно равно z 1 .

Если это возмущение практически не вызвало сколько-нибудь заметного изменения выходной координаты объекта (рис. 2,б ), то входное инерционное звено отсутствует. Если же переходный про­цесс в результате такого возмущения имеет вид, качественно близ­кий к представленному на рис. 2, в , то инерционное звено на входе объекта существует.

Рис. 2 Характеристики экстремального ОУ

Структурой объектов НЛ и ЛН, у которых линейная часть описывается дифференциальным уравнением первого порядка с за­паздыванием или без него, а статическая характеристика y=f (x ) может быть любой непрерывной функцией с одним экстремумом в рабочем диапазоне может быть аппроксимировано достаточно большое количество промышленных объектов оптимизации.

Системы экстремального управления:

Системы автоматической оптимизации с запоминанием экстремума

В экстремальных регуляторах САО с запоминанием экстремума на сигнум-реле подается разность между те­кущим значением выходного сигнала у объекта и его значением в предыдущий момент времени.

Структурная схема САО с запоминанием экстремума представлена на рис. 3. Выходная величина объек­та О со статической характеристикой у=f (х ) подается на запоминающее устройство ЗУ экстремального регулятора.

Рис. 3 Система автоматической оптимизации с запоминанием экстремума

Запоминающее устройство такой системы долж­но фиксировать только увеличение входного сигнала, т.е. запоминание происходит только при увеличении у. На уменьшение у запоминающее устройство не реагирует. Сигнал с запоминающего устройства непрерывно пода­ется на элемент сравнения ЭС, где сравнивается с теку­щим значением сигнала у. Сигнал разности у -у макс с элемента сравнения поступает на сигнум-реле СР. Ког­да разность у -y макс достигает значения зоны нечувстви­тельности у н сигнум-реле, оно производит реверс испол­нительного механизма ИМ, который воздействует на входной сигнал х объекта. После срабатывания сигнум-реле запомненное запоминающим устройством ЗУ значение y сбрасывается и запоминание сигнала у на­чинается снова.

Системы с запоминанием экстремума обычно имеют исполнительные механизмы с постоянной скоростью пе­ремещения, т.е. dx/dt=±k 1 где k =const. В зависимо­сти от сигнала и сигнум-реле исполнительный механизм меняет направление перемещения.

Поясним работу САО с запоминанием экстремума. Допустим, что в момент t 1 (рис. 4), когда состояние объекта характеризуется значениями сигналов на входе и выходе соответственно х 1 и у 1 (точка М 1), включен в работу экстремальный регулятор. В этот момент запо­минающее устройство запоминает сигнал у 1 . Предполо­жим, что экстремальный регулятор после включения в работу начал увеличивать значение х, при этом зна­чение у уменьшается - запоминающее устройство не реагирует на это. В результате на выходе сигнум-реле по­является сигнал у -у 1 . В момент t сигнал у -у 1 достигает зоны нечувствительности сигнум-реле у н (точка М 2), которое срабатывает, производя реверс исполнительного механизма. После этого запомненное значение у 1 сбра­сывается и запоминающее устройство запоминает новое значение у 2 . Сигнал входа объекта х уменьшается, а сиг­нал выхода у возрастает (траектория от точки М 2 к М 3). Поскольку у все время увеличивается, выход ЗУ непре­рывно следует за изменением у.

Рис. 4 Поиск оптимума в САО с запоминанием экстремума:

а - характеристика объекта; б - изменение выхода объекта; в - сигнал на входе сигнум-реле; г - изменение входа объекта.

В точке М 3 система достигает экстремума, но умень­шение х продолжается. Вследствие этого после точки М 3 значение у уже уменьшается и ЗУ запоминает y макс. Теперь на входе сигнум-реле СР опять появляется сиг­нал разности у-у макс. В точке M 4 , когда y 4 -y макс =y н, сигнум-реле срабатывает, производя реверс исполнитель­ного механизма и сброс запомненного значения y макс и т.д.

Устанавливаются колебания вокруг экстремума ре­гулируемой величины. Из рис. 4 видно, что период колебаний входа Т вх объекта в 2 раза больше, чем пе­риод колебаний выхода объекта Т вых. Сигнум-реле реверсирует ИМ при y =y макс -y н. На­правление движения ИМ после срабатывания сигнум-реле зависит от направления движения ИМ до срабаты­вания сигнум-реле.

Из рассмотрения работы САО с запоминанием экс­тремума видно, что ее название не совсем точно отра­жает сущность действия системы. Запоминающее устрой­ство фиксирует не экстремум статической характеристи­ки объекта (его значение в момент включения регуля­тора в работу неизвестно). Запоминающее устройство фиксирует значения выходной величины у объекта, ког­да у увеличивается.

Системы автоматической оптимизации шагового типа

Структурная схема шаговой САО показана на рис. 5. Измерение выходного сигнала у объекта в системе происходит дискретно (за датчиком выхода объекта имеется импульсный элемент ИЭ 1), т. е. через опреде­ленные промежутки времени ∆t (∆t - период повторения импульсного элемента). Таким образом, импульсный эле­мент преобразует изменяющийся выходной сигнал у объ­екта в последовательность импульсов, высота которых пропорциональна значениям у в моменты времени t=n ∆t, называемые моментами съема. Обозначим значения у в момент времени t=n ∆t через у п. Значения у n подаются на запоминающее устройство ЗУ (элемент запаздывания). Запоминающее устройство подает на элемент сравнения ЭС предыдущее значение у п- 1 . На ЭС одновременно поступает y n . На выходе элемента сравнения получается сигнал разности ∆y n =y n -у п- 1 В следующий момент t =(n +1) ∆t съема сигнала запомненное значение у п- 1 сбрасывается с ЗУ и запоминается сигнал у п+ 1 , a cигнал у п поступает с ЗУ на ЭС и на входе сигнум-реле СР появляется сигнал ∆у п+ 1 = y n + 1 -y n .

Рис. 5 Структура дискретной (шаговой ) САО

Итак, на сигнум-релe в шаговой САО подаетcя сигнал, пропорциональный приращению ∆у выхода объекта за отрезок времени ∆t. Если ∆у>0 то такое движение допускается сигнум-реле; если ∆у<0, то сигнум-реле сра­батывает и изменяет направление сигнала входа х.

Между сигнум-реле СР и исполнительным механиз­мом ИМ (рис. 5) включен еще один импульсный эле­мент ИЭ 2 (работающий синхронно с ИЭ 1), который осу­ществляет периодическое размыкание цепи питания ИМ, останавливая ИМ на это время.

Исполнительный механизм в подобных САО обычно осуществляет изменение входа х объекта шагами на по­стоянное значение ∆х. Изменение входного сигнала объ­екта на шаг целесообразно производить быстро, чтобы время перемещения исполнительного механизма на один шаг было достаточно мало. При этом возмущения, вно­симые в объект исполнительным механизмом, будут при­ближаться к скачкообразным.

Таким образом, сигнум-реле изменяет направление последующего шага ∆х п+ 1 исполнительного механизма, если значение ∆у п становится меньше нуля.

Рассмотрим характер поиска экстремума в шаговой САО с безынерционным объектом. Допустим, что начальное состояние объекта характеризуется точкой M 1 на статической зависимости y=f (x ) (рис.6,а). Пред­положим, что экстремальный регулятор включается в работу в момент времени t 1 и исполнительный меха­низм делает шаг ∆х на увеличение сигнала входа объекта.

Рис. 6 Поиск в дискретной САО : а - характеристика объекта; б - изменение выхода; в - изменение входа

Сигнал на выходе объекта у при этом также увели­чивается. Через время ∆t (в момент времени t 2) испол­нительный механизм производит шаг в ту же сторону, так как ∆у 1 =у 2 -y 1 >0. В момент t 3 исполнительный механизм производит еще один шаг на ∆х в ту же сто­рону, так как ∆y 2 =y 3 -y 2 больше нуля, и т. д. В момент времени t 5 приращение выходного сигнала объекта ∆y 3 =y 5 -y 4 , станет меньше нуля, сигнум-реле срабатывает и следующий шаг ∆х исполнительный механизм сделает в сторону уменьшения сигнала входа объекта х и т. д.

В шаговых САО для обеспечения устойчивости необходимо, чтобы движение системы к экстремуму было немонотонным.

Существуют шаговые САО, у которых изменение сиг­нала на входе за один шаг ∆х переменно и зависит от значения y .

Системы автоматической оптимизации с управлением по производной

Системы автоматической оптимизации с управлением по производной используют то свойство экстремальной статической характеристики, что производная dy/dx рав­на нулю при значении входного сигнала объекта х=х опт (см. рис. 7).

Рис. 7 График измене­ния производной унимо­дальной характеристики

Структурная схема одной из таких САО приведена на рис. 8. Значения входного и выходного сигналов объ­екта О подаются на два дифференциатора Д 1 и Д 2 , на выходе которых получаются сигналы соответственно dx/dt и dy/dt. Сигналы производных поступают на делительное устройство ДУ.

Рис. 8 Структура САО с измерением про­изводной статической ха­рактеристики

На выходе ДУ получается сиг­нал dy/dx, который подается на усилитель У с коэффи­циентом усиления k 2 . Сигнал с выхода усилителя посту­пает на исполнительный механизм ИМ с переменной скоростью перемещения, значение которой пропорцио­нально выходному сигналу усилителя и. Коэффициент усиления ИМ равен k 1 .

Если статическая характеристика объекта y=f (x ) имеет форму параболы y=-kx 2 , то САО описывается линейными уравнениями (при отсутствии возмущений), так как dy/dx= -2kx, а остальные звенья системы ли­нейны. Логическое устройство для определения направ­ления движения к экстремуму в такой системе не при­меняется, так как она чисто линейна и в ней, казалось бы, заранее известно значение экстремума (поскольку dy/dx= 0 при x=x oiit).

В момент включения САО в работу на ИМ подается некоторый сигнал для приведения его в движение, в противном случае dx/dt= 0 и dy/dt= 0 (при отсутствии случайных возмущений). После этого САО работает, как обычная САР, у которой заданием является величи­на dy/dx= 0.

Описанная система обладает рядом недостатков, ко­торые делают ее практически малоприменимой. Во-пер­вых, при dx/dt→ 0 производная dy/dt также стремится к нулю - задача отыскания экстремума становится не­определенной. Во-вторых, реальные объекты обладают за­паздыванием, поэтому необходимо делить друг на друга не одновременно замеренные производные dy/dt и dx/dt, а сдвинутые по времени в точности на время задержки сигнала в объекте, что выполнить достаточно сложно. В-третьих, отсутствие в такой САО логического устройства (сигнум-реле) приводит к тому, что в некото­рых условиях система теряет работоспособность. Допу­стим, что САО включилась в работу при x(см. рис. 7) и исполнительный механизм ИМ (рис. 8) начал увеличивать сигнал на входе объекта х. Скорость исполнительного механизма пропорциональна сигналу производной dy/dx, т. е. dx/dt=k 1 dy/dx. Поэтому САО будет асимптотически приближаться к экстремуму. Но предположим, что при включении регулятора ИМ на­чал бы уменьшать входной сигнал объекта (dx/dt< 0). При этом у также уменьшается (dy/dt< 0) и dy/dx бу­дет больше нуля. Тогда в соответствии с выражением для производной dx/dt=k 1 dy/dx (где k 1 > 0) скорость из­менения сигнала на входе dx/dt должна стать положи­тельной. Но из-за отсутствия логического (реверсирую­щего) устройства реверс ИМ в такой САО произойти не может и задача отыскания экстремума опять-таки ста­новится неопределенной.

Кроме того, даже если такая система в начальный момент движется к экстремуму, то она теряет работо­способность при сколь угодно малом дрейфе статической характеристики без коммутатора поверочных реверсов.

Рис. 9 Система оптимизации с измерением производной выхода объекта:

а - структура системы; б - характеристика объекта; в - изменение выхода; г - сигнал на входе, д - изменение вхо­да объекта.

Рассмотрим другой тип САО с измерением производ­ной и исполнительным механизмом ИМ постоянной ско­рости перемещения, структурная схема которой пред­ставлена на рис. 9.

Рассмотрим характер поиска экстремума САО с изме­рением производной со структурной схемой, показанной на рис. 9,а .

Пусть безынерционный объект регулирования О (рис. 9,а) имеет статическую характеристику, пока­занную на рис. 9,б . Состояние САО в момент вклю­чения экстремального регулятора определяется значения­ми сигналов входа x 1 и выхода у 1 - точка М 1 на стати­ческой характеристике.

Предположим, что экстремальный регулятор после включения его в работу в момент времени t 1 изменяет сигнал на входе х в сторону увеличения. При этом сиг­нал на выходе объекта у будет изменяться в соответст­вии со статической характеристикой (рис. 9,в ), а про­изводная dy/dt при движении от точки М 1 до М 2 умень­шается (рис. 9,г ). В момент времени t 2 выход объек­та достигнет экстремума у макс, а производная dy/dt будет равна нулю. За счет нечувствительности сигнум-реле система будет продолжать движение, удаляясь от экстремума. При этом производная dy/dt изменит знак и станет отрицательной. В момент t 3 , когда значение dy/dt, оставаясь отрицательным, превысит зону нечув­ствительности сигнум-реле (dy/dt ) H , произойдет реверс исполнительного механизма и входной сигнал х начнет уменьшаться. Выход объекта начнет снова приближать­ся к экстремуму, а производная dy/dt станет положи­тельной при движении от точки М 3 до М 4 (рис. 9,в ). В момент времени t 4 сигнал на выходе снова достигает экстремума, а производная dy/dt=0.

Однако за счет нечувствительности сигнум-реле дви­жение системы будет продолжаться, производная dy/dt станет отрицательной и в точке М 5 снова произойдет ре­верс и т.д.

В этой системе дифференцируется только выходной сигнал объекта, который подается на сигнум-реле СР. Поскольку при переходе системы через экстремум знак dy/dt изменяется, то для отыскания экстремума нужно реверсировать ИМ, когда производная dy/dt станет отрицательной и превысит зону нечувствительности (dy/dt ) H сигнум-реле.

Система, реагирующая на знак dy/dt, по принципу действия близка к шаговой САО, но менее помехоустой­чива.

Системы автоматической оптимизации с вспомогательной модуляцией

В некоторых работах такие системы автоматической оптимизации называются системами с непрерывным по­исковым сигналом или по терминологии А.А. Красовского просто непрерывными системами экстремаль­ного регулирования.

В этих системах используется свойство статической характеристики изменять фазу колебаний выходного сиг­нала объекта по сравнению с фазой входных колебаний объекта на 180° при переходе выходного сигнала объек­та через экстремум (см. рис. 10).

Рис. 10 Характер прохожде­ния гармонических колебаний через унимодальную характе­ристику

В отличие от рассмотренных выше САО системы с вспомогательной модуляцией имеют раздельные поис­ковые и рабочие движения.

Структурная схема САО с вспомогательной модуля­цией представлена на рис. 11. Входной сиг­нал х объекта О с характеристикой y=f (x ) представляет собой сумму двух составляющих: x=x o (t )+a sinω 0 t , где а и ω 0 - постоянные величины. Составляющая a sinω 0 t является пробным движением и вырабатывается генера­тором Г, составляющая x o (t ) является рабочим движением. При движении к экстремуму переменная составляющая a sinω 0 t входного сигнала объекта вызывает по­явление переменной составляющей той же частоты ω 0 =2π/Т 0 в выходном сигнале объекта (см. рис. 10). Переменная составляющая может быть найдена графи­чески, как это показано на рис. 10.

Рис. 11 Структура САО с вспомогатель­ной модуляцией

Очевидно, что переменная составляющая сигнала на выходе объекта совпадает по фазе с переменной состав­ляющей сигнала на входе для любого значения входа, когда x 0 =x 1 Следовательно, если колебания сигналов входа и выхода совпадают по фазе, то для дви­жения к экстремуму необходимо увеличивать х 0 (dx 0 /dt должна быть положительной). Если х 0 =x 2 >x опт, то фаза выходных колебаний будет сдвинута на 180° по отношению к входным колебаниям (см. рис. 10). При этом для движения к экстремуму необходимо, чтобы dx 0 /dt была отрицательной. Если x 0 =x опт, то на выходе объекта появляются колебания двойной частоты 2ω 0 , а колебания частоты ω 0 отсутствуют (если статическая характеристика вблизи экстремума отличается от пара­болы, то на выходе объекта могут появиться колебания с частотой больше 2 ω 0).

Амплитуда а поисковых колебаний должна быть не­велика, так как эти колебания проходят в выходной сиг­нал объекта и приводят к погрешности в определении экстремума.

Составляющая величины у, имеющая частоту ω 0 , вы­деляется полосовым фильтром Ф 1 (рис. 11). Задача фильтра Ф 1 состоит в том, чтобы не пропускать посто­янную или медленно меняющуюся составляющую и со­ставляющие второй и высших гармоник. В идеальном случае фильтр должен пропускать только составляющую с частотой ω 0.

После фильтра Ф 1 переменная составляющая величи­ны у, имеющая частоту ω 0 , подается на множительное звено МЗ (синхронный детектор). На вход множитель­ного звена подается также опорная величина v 1 =a sin (ω 0 t + φ ). Фаза φ опорного напряжения v 1 подби­рается в зависимости от фазы выхода фильтра Ф 1 , по­скольку фильтр Ф 1 вносит дополнительный сдвиг фазы.

Напряжение на выходе множительного звена u=vv 1 . При значении x <x опт

u = vv 1 = b sin (ω 0 t + φ ) a sin (ω 0 t + φ ) = аb sin 2 (ω 0 t + φ ) = = ab/ 2 .

При значении сигнала на входе x >х 0ПТ значение сиг­нала на выходе множительного звена МЗ составляет:

и = vv 1 = b sin (ω 0 t + φ + 180°) a sin (ω 0 t + φ ) = - ab sin 2 (ω 0 t + φ ) = = - ab/ 2 .

Рис. 12 Характер по­иска в САО с вспомога­тельной модуляцией:

а - характеристика объек­та; б -изменение фазы ко­лебаний; в - гармонические колебания на входе; г - суммарный сигнал на входе; д - сигнал на выходе мно­жительного звена.

После множительного звена сигнал и подается на низкочастотный фильтр Ф 2 , который не пропускает пе­ременную составляющую сигнала и. Постоянная состав­ляющая сигнала и=и 1 после фильтра Ф 2 подается на релейный элемент РЭ. Релейный элемент управляет исполнительным механизмом с постоянной скоростью пе­ремещения. Вместо релейного элемента в схеме может быть фазочувствительный усилитель; тогда исполнитель­ный механизм будет иметь переменную скорость пере­мещения.

На рис. 12 показан характер поиска экстремума в САО с вспомогательной модуляцией, структурная схе­ма которой приведена на рис. 11. Предположим, что начальное состояние системы характеризуется сигналами на входе и выходе объекта соответственно х 1 и y 1 (точка M 1 на рис. 12,а).

Поскольку в точке М 1 значение x 1 <х опт то при вклю­чении экстремального регулятора фазы входных и вы­ходных колебаний будут совпадать. Допустим, что при этом постоянная составляющая на выходе фильтра Ф 2 положительна (аb /2>0), что соответствует движению с возрастанием х, т. е. dx 0 /dt>0. При этом САО будет двигаться к экстремуму.

Если начальная точка М 2 , характеризующая поло­жение системы в момент включения экстремального ре­гулятора, такова, что сигнал входа объекта x >x опт (рис. 12,а), то колебания сигналов входа и выхода объекта находятся в противофазе. Вследствие этого по­стоянная составляющая на выходе Ф 2 будет отрицатель­на (ab /2<0), что вызовет движение системы в сторону уменьшения х (dx 0 /dt<0 ). В этом случае САО будет приближаться к экстремуму.

Таким образом, независимо от начального состояния системы будет обеспечен поиск экстремума.

В системах с исполнительным механизмом перемен­ной скорости скорость движения системы к экстремуму будет зависеть от амплитуды выходных колебаний объ­екта, а эта амплитуда определяется отклонением сигна­ла входа х от значения х опт

Задача оптимизации обычно состоит в отыскании и поддержании таких управляющих воздействий, при которых обеспечивается экстремум некоторого критерия качества функционирования объекта управления. Эта задача может решаться автоматически с помощью экстремальных регуляторов, осуществляющих в процессе работы поиск оптимальных управляющих воздействий. Системы, реализующие автоматический поиск и сопровождение экстремума некоторого показателя качества работы объекта, называются экстремальными системами управления или системами автоматической оптимизации. Системы автоматической оптимизации, благодаря реализации в них алгоритмов поиска оптимальных управлений, обладают рядом преимуществ, главным из которых является их свойство нормально функционировать в условиях неполной априорной информации об объекте и о действующих на него возмущениях. Применение экстремальных систем управления целесообразно в тех случаях, когда критерий качества работы объекта имеет ярко выраженный экстремум и имеются возможности реализации поиска и поддержания оптимального (экстремального) его режима функционирования. Развитие теории и техники экстремальных систем управления достигло в настоящее время значительного уровня. Промышленностью выпускаются типовые экстремальные регуляторы (автоматические оптимизаторы) для ряда технологических процессов.

Экстремальные системы управления составляют один из наиболее теоритически и практически развитых классов адаптивных систем. Экстремальными называются такие объекты автоматического управления, в которых статическая характеристика имеет экстремум, положение и величина которого не известны и могут изменяться непрерывным образом.

Обычно экстремальный регулятор осуществляет поиск и поддержание таких значений координат объекта , при которых выход достигает экстремального значения. Такой режим работы объекта и системы в целом является оптимальным в смысле минимума или максимума критерия качества. Примером одномерного экстремального объекта может служить самолет. Зависимость километрового расхода топлива y от скорости полета x характеризуется наличием экстремума, величина и положение которого изменяются при изменении веса самолета за счет расхода топлива.

В зависимости от количества экстремумов объекты разделяются на одноэкстремальные и многоэкстремальные, причем в последнем случае задача управления заключается в отыскании глобального экстремума, т.е. наибольшего максимума или наименьшего минимума. В зависимости от числа управляющих воздействий, формируемых в экстремальном регуляторе, различают одномерные и многомерные системы экстремального управления. По характеру работы во времени экстремальные системы могут быть непрерывными и дискретными. В зависимости от характера поискового сигнала различают экстремальные системы с детерминированными и случайными поисковыми сигналами.

Настройка (экстремальное управление)

Экстремальное управление получило такое название от специфической цели этого управления. Задача экстремального управления заключается в достижении экстремальной цели, т. е. в экстремизации (минимизации или максимизации) некоторого показателя объекта, значение которого зависит от управляемых и неуправляемых параметров объекта. К экстремальному управлению приводит очень распространенная операция настройки.

Всякая настройка заключается в построении такой системы действий, которые обеспечивают наилучший режим работы настраиваемого объекта. Для этого необходимо уметь различать состояния объекта и квалифицировать эти состояния так, чтобы знать, какое из двух состояний следует считать «лучше» другого. Это означает, что в процессе настройки должна быть определена мера качества настройки.

Например, при настройке технологического процесса показателем его качества может служить число бракованных деталей в партии; в этом случае задача настройки процесса заключается в том, чтобы минимизировать брак. Однако далеко не все экстремальные объекты допускают столь простое количественное представление показателя качества настройки. Так, например, при настройке радиоприемников или телевизоров такими мерами качества настройки могут служить качество звучания и качество

изображения принимаемой передачи. Здесь уже довольно сложно определить показатель качества настройки в количественной форме. Однако, как будет показано ниже, для решения задач экстремального управления часто важно знать не абсолютное значение показателя качества, а знак его приращения в процессе управления. Это означает, что для управления достаточно знать, увеличился или уменьшился показатель качества. В случае настройки радиоаппаратуры человек довольно хорошо решает эту задачу, если речь идет о качестве звучания или изображения.

Рис. 1.3.1.

Таким образом, в дальнейшем предполагается, что всегда существует такой алгоритм переработки информации настраиваемого объекта, который позволяет количественно определись качество настройки этого объекта (или знак изменения этого качества в процессе управления). Качество настройки измеряется числом Q , которое зависит от состояния управляемых параметров объекта:

. (1.3.1)

Целью настройки является экстремизация этого показателя, т. е. решение задачи

где буквой S обозначена область допустимого изменения управляемых параметров.

На рис. 1.3.1 показана блок-схема экстремального объекта. Он образуется из собственно объекта настройки с управляемыми входами и наблюдаемыми выходами, которые несут информацию о состоянии объекта, и преобразователя, который на основе полученных сведений образует скалярный показатель качества объекта.

Примером экстремального объекта может служить радиоприемник в процессе поиска станции. Если слышимость станции уменьшается (как говорят, станция «уплывает»), то для получения наилучшего звучания передачи, т. е. для настройки приемника, необходимо подстроить контур. Управление настройкой в данном случае заключается в определении направления вращения рукоятки настройки. Уровень слышимости станции здесь является показателем качества настройки. Он не несет необходимой

Рис. 1.3.2.

информации об управлении, т. е. не указывает, в каком направлении следует вращать рукоятку настройки. Поэтому для получения необходимой информации вводится поиск -- пробное движение рукоятки настройки в произвольном направлении, что дает дополнительную и необходимую информацию для настройки. После этого уже можно точно сказать, в каком направлении следует крутить рукоятку: если слышимость уменьшилась, нужно крутить в обратном направлении, если уже увеличилась, следует вращать ручку настройки туда же до максимума слышимости. Такой простейший алгоритм поиска, применяемый при настройки радиоприемника, который является типичным примером экстремального объекта.

Таким образом, объекты экстремального управления отличаются недостаточностью информации на выходе объекта, наличием своеобразного информационного «голода». Для получения необходимой информации в процессе управления экстремальными объектами необходимо ввести поиск в виде специально организованных пробных шагов. Процесс поиска отличает настройку и экстремальное управление от всех других видов управления.

В качестве более «серьезного» примера однопараметрического экстремального объекта рассмотрим задачу об оптимальном демпфировании следящей системы второго порядка (рис. 1,3.2). На вход этой следящей системы подается задающее возмущение у* (t), определяющее состояние выхода у (t). Относительно характера поведения у* (t) ничего не известно. Более того, статистические свойства возмущения у* (t) могут изменяться непредвиденным образом.

Рис. 1.3.3.

Задача настройки заключается в выборе такого демпфирования о которое делает эту следящую систему оптимальной в смысле минимума функционала:

Величина Q является оценкой дисперсии невязки о(t)=y(t)-y*(t) на базе Т . Очевидно, что при настройке следящей системы следует добиваться минимизации величины Q.

Здесь в качестве объекта настройки выступает указанная следящая система, выходной информацией для определения качества работы объекта являются его вход и выход, а преобразователь образует показатель качества по формуле (1.3.3). Полученный экстремальный объект имеет характеристику, показанную на рис. 1.3.3. Характер зависимости Q (о ) выражает тот очевидный факт, что малое демпфирование столь же плохо, как и слишком большое. Как видно, характеристика (1.3.3) имеет ярко выраженный экстремальный характер с минимумом, соответствующим оптимальному демпфированию о *. Кроме того, характеристика зависит от свойств возмущения у* (t). Следовательно, оптимальное состояние о*, минимизирующее Q (о ), также зависит от характера задающего возмущения y*(t) и изменяется вместе с ним. Это и заставляет обратиться к созданию специальных систем автоматической настройки, поддерживающих объект в настроенном (экстремальном) состоянии независимо от свойств возмущений. Эта автоматические приборы, решающие задачу настройки, носят название экстремальных регуляторов или оптимизаторов (т. е. приборов для оптимизации объекта).

Отличительной особенностью экстремальных объектов является немонотонность (экстремальность) характеристики, что приводит к невозможности воспользоваться методом регулирования в целях управления подобными объектами. Действительно, наблюдая выходное значение Q объекта в рассмотренном выше примере (см. рис. 1.3.3), нельзя построить управление, т. е. определить, в каком направлении следует изменить управляемый параметр о. Эта неопределенность связана, прежде всего, с возможностью двух ситуаций и, выход из которых к цели о* производится прямо противоположным образом (в первом случае следует увеличивать о, а во втором -- уменьшать). Прежде чем управлять таким объектом, необходимо получить дополнительную информацию -- в данном примере эта информация заключается в определении, на какой ветви характеристики находится объект. Для этого, например, достаточно определить значение показателя качества в соседней точке о + ? о, где? о -- достаточно малое отклонение.

Следует отметить, что автоматизация процесса настройки оправдана лишь в том случае, если экстремальная характеристика объекта изменяется во времени, т. е. при блуждании экстремального состояния. Если же характеристика объекта не изменяется, то процесс поиска экстремума имеет однократный характер и, следовательно, не нуждается в автоматизации (достаточно стабилизировать объект в однажды определенном экстремальном состоянии).

На рис. 1.3.4 для иллюстрации показана блок-схема экстремального управления демпфированием следящей системы, отслеживающей положение цели у (t), характер поведения которой изменяется.

Рис. 1.3.4.

Здесь экстремальный регулятор решает задачу настройки, т. е. поддерживает такое значение демпфирования о , которое минимизирует показатель качества следящей системы.