Тема 1.3 Системний аналіз управління системами

Управління – це цілеспрямований процес збору інформації про об’єкт, яка надходить як від окремого обладнання, так і від персоналу системи управління.

Ситуаційний підхід до управління полягає в тому, що основною характеристикою системи є те, які ситуації СУ може розпізнавати (контролювати) та які реакції виробляє для кожного класу ситуацій.

Функціональна структура системи управління із вказуванням функцій, які називаються фазами управління, представлена на рис. 1.

Рис. 1. Функціональна структура управління ОТС.

Розглянемо особливості підходу до автоматизації фаз управління ОТС.

(F) – Повна автоматизація фази не є можливою, так як формування цілі взагалі суттєво людська функція, яка полягає в чіткому визначенні цілей усіх членів організації та їх узгодженні з глобальною метою ОТС.

(O) – Виділення об’єкту управління при автоматизації управління ОТС полягає у класифікації тих елементів системи, взаємопов’язане функціонування яких впливає на досягнення цілей і тих, від яких цілі практично не залежать.

(S) – Полягає у виборі математичних моделей, що адекватно відображають будову та функціонування системи, що досліджується. У багатьох випадках обираються алгоритмічні імітаційні моделі. В цьому випадку структурний синтез зводиться до опису моделюючої програми на обраній мові програмування або моделювання, в якій залишаються невизначеними числові параметри.

(M) – Полягає у визначенні числових параметрів структурної моделі, визначеної на попередньому етапі. Це здійснюється комп’ютеризованою або експертною обробкою даних, отриманих в ході проведення експериментів на об’єкті.

(P) – Ставить за мету оцінку параметрів моделі з найменшими затратами ресурсів.

(U) – Здійснюється в залежності від класу моделі та цілі управління. Керування неперервними процесами синтезується методами класичної теорії управління. В дискретних процесах керування досягається шляхом розв’язання задач математичного програмування.

(R) – Алгоритм управління може бути реалізовано трьома способами:

1) схемно (створюється спеціалізований пристрій);

2) програмно (створюється програма або комплекс програм, призначених для реалізації на комп’ютері);

3) організаційно (створюється інструкція, якою керується персонал в залежності від ситуації).

Особливістю АСУ ОТС є переважання програмних рішень над схемними та організаційних над програмними.

(K) – Необхідність в адаптації виникає, коли змінюються цілі та середовище функціонування, що призводить до зміни об’єкту. В залежності від масштабів змін проводиться перебудова структури моделі та заново ідентифікуються параметри моделі. Якість АСУ ОТС багато в чому залежить від закладених в них можливостей для персоналу по перепрограмуванню моделей.

Розділ 2. Системний аналіз життєвого циклу об'єктів

Тема 2.1 Рівні, аспекти та етапи проектування

Проектування технічного об’єкту пов’язане зі створенням, перетворенням і представленням у прийнятому вигляді образу цього об’єкту. Образ об’єкту або його складових частин може створюватись у людській уяві в результаті творчого процесу або генеруватись за деякими алгоритмами в процесі взаємодії людини та ЕОМ. Проектування починається за наявності завдання на проектування, яке відображує потреби суспільства в отриманні деякого технічного виробу. Це завдання представляється у вигляді тих або інших документів та є вихідним (первинним) описом об’єкту. Результатом проектування, як правило, служить повний комплект документації, що містить достатні відомості для виготовлення об’єкту в заданих умовах. Ця документація являє собою кінцевий опис об’єкту.

Проектування – це процес, який полягає в перетворенні вихідного опису об’єкту в кінцевий опис на основі виконання комплексу робіт дослідницького, розрахункового та конструкторського характеру.

Перетворення вихідного опису в кінцеве породжує проміжні описи, які є предметом розгляду з метою визначення завершення проектування або вибору шляхів його продовження. Такі описи називаються проектними рішеннями.

Проектування, при якому всі або частина проектних рішень птримують шляхом взаємодії людини та ЕОМ, називають автоматизованим.

Можливості проектування складних об’єктів обумовлені використанням ряду принципів, основними з яких є декомпозиція та ієрархічність описів об’єктів, багатоетапність та ітераційність проектування, типізація та уніфікація проектних рішень та засобів проектування.

Описи технічних об’єктів повинні бути за складністю узгодженими з можливостями сприйняття людиною та можливостями оперування описами в процесі їх перетворення за допомогою наявних засобів проектування. Однак виконати цю вимогу в рамках деякого єдиного опису, не розділяючи його на деякі складові частини, вдається лише для простих виробів. Як правило, необхідне структурування описів та відповідне розмежування уявлень про об’єкти, що проектуться, на ієрархічні рівні та аспекти.

Розділення описів за ступенем деталізації відображуваних властивостей та характеристик об’єкту лежить в основі блочно-ієрархічного підходу до проектування та призводить до появи ієрархічних рівнів в уявленні про об’єкт, що проектується.

На кожному ієрархічному рівні використовуються свої поняття системи та елементів.

­­

На рівні 1 (верхньому рівні) складний об’єкт S, що підлягає проектуванню, розглядається як система S із n взаємопов’язаних та взаємодіючих елементів S_i. Кожен з елементів в описі рівня 1 являє собою складний об’єкт, який, в свою чергу, розглядається як система S_i на рівні 2. Елементами систем S_i є об’єкти S_ij, де j=1,2…, m_i (m_i – кількість елементів в описі системи S_i). Подібне розмежування продовжується до отримання на деякому рівні елементів, описи яких подальшому розділенню не підлягають. Такі елементи по відношенню до об’єкту S називають базовими елементами.

Таким чином, принцип ієрархічності означає структурування уявлень про об’єкти проектування за ступенем детальності описів, а принцип декомпозиції (блочності) – розбиття уявлень кожного рівня на ряд складових частин (блоків) з можливістю роздільного (поблочного) проектування об’єктів S_i на рівні 1, об’єктів S_ij на рівні 2 і т.д.

Приклади блочно-ієрархічної структури уявлень про об’єкти.

В машинобудуванні базові елементи представлені деталями. Деталі розглядаються як елементи, що фігурують в описах нижнього ієрархічного рівня, на якому системами є складальні одиниці (редуктор металооброблювального верстату, карбюратор двигуна внутрішнього згоряння). Складальні одиниці є елементами агрегатів (комплексів) – систем наступного ієрархічного рівня (металооброблювальних верстатів, двигунів внутрішнього згоряння). В деяких галузях техніки використовуються додаткові більш високі ієрархічні рівні. Так, верстат може бути елементом комплекту – сукупності технологічного обладнання в потоковій лінії, двигун – елементом в таких складних системах, як автомобіль або літальний апарат.

При проектуванні радіоелектронної апаратури до базових елементів відносять елементи принципових електричних схем (інтегральні мікросхеми, дискретні радіоелементи). Із цих елементів утворюються функціональні вузли – підсилювачі, суматори, перетворювачі сигналів та ін. В свою чергу функціональні вузли входять як елементи до складу більш складних утворень – пристроїв або блоків, що описуються за допомогою функціональних схем. Прикладами пристроїв є процесор, оперативний запам’ятовуючий пристрій, модем. З пристроїв компонуються радіоелектронні системи (ЕОМ, радіолокаційна станція, система керування об’єктом, що рухається), що описуються за допомогою структурних схем. Можливе виділення як проміжних, так і більш високих ієрархічних рівнів для опису об’єднання систем (обчислювальні мережі, що складаються з ЕОМ, обчислювальні системи, апаратура передачі даних, абонентські пункти).

Крім розділення описів за ступенем подібності відображення властивостей об’єкту, що породжує ієрархічні рівні, використовують декомпозицію описів за характером відображуваних властивостей об’єкту. Така декомпозиція призводить до появи ряду аспектів описів. Найбільш крупними є функціональний, конструкторський та технологічний аспекти. Розв’язання задач, що пов’язані з перетворенням або отриманням описів, що відносяться до до цих аспектів, називають відповідно функціональним, конструкторським та технологічним проектуванням.

Функціональний аспект пов’язаний із відображенням основних принципів функціонування, характеру фізичних та інформаційних процесів, що протікають в об’єкті, та знаходить відображення у принципових, функціональних, структурних, кінематичних схемах та супроводжуючих їх документах.

Конструкторський аспект пов’язаний із реалізацією результатів функціо-нального проектування, тобто з визначенням геометричних форм об’єктів та іх взаємним розміщенням у просторі.

Технологічний аспект пов’язаний з реалізацією результатів конструктор-ського проектування, тобто з описом методів та засобів виготовлення об’єктів.

Можливий більш диференційований опис властивостей об’єкту з виділенням у ньому ряду підсистем та відповідного числа аспектів. Наприклад, функціональні аспекти можна розділити за фізичними основами явищ, що описуються, на аспекти електричні, механічні, хімічні, гідравлічні та ін. При цьому в описах електро-механічної системи з’являються описи електричної та механічної підсистем, в описах оптико-електронного приладу – описи електричної та оптичної підсистем.

Проектування як процес, що розвивається у часі, розділяється на стадії, етапи, проектні процедури та операції.

При проектуванні складних систем виділяють стадії передпроектних дослід-жень, технічного завдання та технічної пропозиції, ескізного, технічного, робочого проектів, випробувань та впровадження.

На стадіях передпроектних досліджень, технічного завдання та технічної пропозиції на основі вивчення потреб суспільства в отриманні нових виробів, науково-технічних досягненнь в даній та суміжних галузях промисловості, наявних ресурсів визначають призначення, основні принципи побудови технічного об’єкту і формулюють технічне завдання (ТЗ) на його проектування. Ці стадії називають також стадіями науково-дослідницьких робіт (НДР).

На стадії ескізного проекту (інакше стадії дослідно-конструкторських робіт – ДКР) перевіряється коректність та можливість реалізації основних принципів та положень, що визначають функціонування майбутнього об’єкту, і створюється його ескізний проект.

На стадії технічного проекту виконується всебічне опрацювання усіх частин проекту, конкретизуються та деталізуються технічні рішення.

На стадії робочого проекту формується вся необхідна документація для виготовлення виробу. Далі створюється та випробовується дослідний зразок або пробна партія виробів, за результатами випробувань вносяться необхідні корективи до проектної документації, після чого здійснюється впровадження у виробництво на обраному підприємстві.

Етап проектування – це частина процесу проектування, що включає в себе формування усіх необхідних описів об’єкту, що відносяться до одного чи декількох ієрархічних рівнів і аспектів. Часто назви етапів співпадають з назвами відповідних ієрархічних рівнів і аспектів. Так, проектування технологічних процесів поділяють на етапи розробки принципових схем технологічного процесу, маршрутної технології, операційної технології, отримання керуючої інформації на машинних носіях для програмно-керованого технологічного обладнання. При проектуванні великих інтегральних схем (ВІС) виділяють етапи проектування компонентів, схемотехнічного, функціонально-логічного і топологічного проектування. Перші три з цих етапів пов’язані з вирішенням задач трьох ієрархічних рівнів функціо-нального аспекту, що мають аналогічні назви. Етап топологічного проектування включає в себе задачі, що відносяться до всіх ієрархічних рівнів конструкторського аспекту в проектуванні ВІС.

Складові частини етапу проектування називають проектними процедурами. Проектна процедура – частина етапу, виконання якої закінчується отриманням проектного рішення. Кожній проектній процедурі відповідає деяка задача проектування, що розв’язується в рамках даної процедури. Дрібніші складові частини процесу проектування, що входять до складу проектних процедур називають проектними операціями. Прикладами проектних процедур можуть бути: оформлення креслення виробу, розрахунок параметрів підсилювача; прикладом проектних операцій – розв’язання системи алгебраїчних рівнянь, що описують статичний стан підсилювача.

Таким чином, поняття рівня та аспекту відносяться до структурування уявлень про об’єкт, що проектується, а поняття етапу – до структурування процесу проектування.

Якщо вирішення задач високих ієрархічних рівнів відбувається раніше, ніж вирішення задач більш низьких ієрархічних рівнів, то проектування називають нисхідним. Якщо раніше виконуються етапи, пов’язані з нижчими ієрархічними рівнями, то проектування називають висхідним.

У кожного з цих двох видів проектування є переваги та недоліки.

При нисхідному проектуванні система розробляється в умовах, коли її елементи ще не визначені, тому відомості про їх можливості та властивості мають характер припущення. При висхідному проектуванні, навпаки, елементи проекту-ються раніше системи, тому характер припущення мають вимоги до системи.

Оскільки припущення можуть не виправдовуватись, часто потрібне повторне виконання проектних процедур попередніх етапів після виконання проектних процедур наступних етапів. Такі повторення забезпечують послідовне наближення до оптимальних результатів і обумовлюють ітераційний характер проектування. Отже, ітераційність слід відносити до важливих принципів проектування складних об’єктів.

На практиці звичайно поєднують нисхідне та висхідне проектування. Наприклад, висхідне проектування має місце на усіх тих ієрархічних рівнях, на яких використовуються уніфіковані елементи. Очевидно, що уніфіковані елементи, орієнтовані на застосування в ряді різноманітних систем певного класу, розробляються раніше, ніж та або інша система з цього класу.

Використання типових та уніфікованих проектних рішень призводить до спрощення та прискорення проектування. Так, типові елементи розробляються одноразово, але в різних проектах застосовуються багаторазово.

Однак, уніфікація доцільна тільки в таких класах об’єктів, в яких з порівняно невеликого числа різновидів елементів відбуватиметься проектування та виготовлення великого числа різноманітних систем. Саме ці різновиди елементів і підлягають уніфікації. Для складних систем, що складаються з елементів, в кож-ному конкретному випадку доводиться заново виконувати багаторівневе ієрархічне проектування. У цих умовах доцільно ставити питання не про уніфікацію виробів, а про уніфікацію засобів їх проектування та виготовлення.

Наявність засобів автоматизованого виконання типових проектних процедур дозволяє оперативно створювати проекти нових виробів, а в поєднанні із засобами виготовлення, в умовах ГАВ (гнучке автоматизоване виробництво) здійснювати оперативне виготовлення нових виробів.

Серед властивостей об’єкту, що відображуються в описах на певному ієрархічному рівні, розрізняють властивості систем, елементів систем та зовнішнього середовища, в якому повинен функціонувати об’єкт. Кількісне вираження цих властивостей здійснюється за допомогою величин, що називають параметрами. Величини, що характеризують властивості системи, елементів систе-ми та зовнішнього середовища, називають відповідно вихідними, внутрішніми та зовнішніми параметрами. Наприклад, для електронного підсилювача вихідними параметрами є полоса пропускання, коефіцієнт підсилення; внутрішніми параметрами – опори резисторів, ємності конденсаторів, параметри транзисторів; зовнішніми параметрами – опір та ємність навантаження, опір джерел живлення.

Позначимо кількості вихідних, вхідних (зовнішніх) та внутрішніх параметрів через m, n, l, а вектори цих параметрів відповідно через Y=(y₁,y₂,…,y_m), X=(x₁,x₂,…,x_n), Q=(q₁,q₂,…,q_l). Властивості системи залежать від вхідних (зовнішніх) та внутрішніх параметрів, тобто має місце функціональна залежність:

Y=F(X,Q). (1)

Така система співвідношень є прикладом математичної моделі об’єкту. Математична модель (ММ) технічного об’єкту – це система математичних об’єктів (чисел, змінних, матриць, множин і т. п.) та співвідношень між ними, що відображає деякі властивості технічного об’єкту. Наявність ММ дозволяє легко оцінювати вихідні параметри за відомими значеннями векторів X та Q. Однак, існування залежності (1) не означає, що вона відома розробникам і може бути представлена саме в такому явному відносно вектора Y вигляді. Як правило, ММ у вигляді (1) вдається отримати тільки для дуже простих об’єктів. Типовою є ситуація, коли математичний опис процесів в об’єкті, що проектується, задається моделлю у формі системи рівнянь, в якій фігурує вектор фазових змінних V:

V(Z)= (Z), (2)

де Z – вектор незалежних змінних, який в загальному випадку включає час та просторові координати;

(Z) – задана функція незалежних змінних.

Фазові змінні характеризують фізичний або інформаційний стан об’єкту, а їх зміни в часі породжують перехідні процеси в об’єкті.

Слід підкреслити наступні особливості параметрів у моделях об’єктів, що проектуються:

1. Внутрішні параметри (параметри елементів) у моделях к-го ієрархічного рівня стають вихідними параметрами в моделях більш низького (к+1)-го

ієрархічного рівня. Так, параметри транзистора є внутрішніми при проектуванні підсилювача і в той же час вихідними при проектуванні самого транзистора.

2. Вихідні параметри або фазові змінні, що фігурують в моделі однієї з підсистем (в одному з аспектів опису), часто виявляються зовнішніми параметрами в описах інших підсистем (інших аспектів). Так, максимальні температури корпусів електронних приладів в електричних моделях підсилювача відносяться до зов-нішніх параметрів, а в теплових моделях того ж об’єкту – до вихідних параметрів.

3. Більшість вихідних параметрів об’єкту є функціоналами залежностей V(Z), тобто для їх визначення необхідно при заданих X та Q виконати розв’язок системи рівнянь (2) і за отриманими результатами розв’язку розрахувати Y. Прикладами вихідних параметрів-функціоналів є потужність розсіювання, птивалість затримки розповсюдження сигналу.

Вихідні описи об’єктів, що проектуються, часто являють собою ТЗ (технічне завдання) на проектування. В цих описах фігурують величини, що називаються технічними вимогами до вихідних параметрів y_j (інакше нормами вихідних параметрів). Технічні вимоги утворюють вектор ТТ=(ТТ₁, ТТ₂, …,ТТ_r), де величини ТТ_j являють собою межі допустимих діапазонів зміни вихідних параметрів y_j.

Потрібні співвідношення між y_j і ТТ_j называють умовами працездатності. Умови працездатності найчастіше є односторонніми нерівностями виду:

y_j <ТТj

y_j >ТТj

При цьому розміри векторів ТТ і Y однакові (r=m). Однак для деяких вихідних параметрів y_j умови працездатності можуть мати вигляд двосторонніх обмежень:

ТТ’j < y_j < ТТ’’j