ВВЕДЕНИЕ

Современный системный анализ - прикладная наука, которая ориентирована на прояснение причин возникновения проблем и на формирование вариантов их устранения.

Системный анализ - совокупность методологических средств, которые используются для подготовки и обоснование решений из сложных проблем политического, военного, социального, экономического, технического и научного характера. Основой является системный подход и ряд методов, математических дисциплин и современной теории управления. Основная процедура - построение обобщенной модели, которая отображает взаимосвязи реальной ситуации. Технической основой являются ЭВМ и информационные системы.

Возникновение «системного анализа» связано с необходимостью проведения комплексных исследований при:

• создании сложных технологических и производственных комплексов;

• создании сложных систем управления ими;

• анализе экономической ситуации и т.д.

Системный анализ - дисциплина, которая занимается проблемами принятия решений в условиях, когда выбор альтернативы нуждается в анализе сложной информации разной физической природы. Результатом системных исследований является выбор конкретной альтернативы, например, план развития, параметры конструкции, структура и т.д.

Основная задача дисциплины: показать, как разные знания (математика, теория управления, методы оптимизации...), могут служить решению сложных прикладных задач, а системный интегратор становится одной из главных действующих лиц, архитектором, конструктором сложных систем. Для конструирования и исследование сложных систем нет наборов рецептов, есть лишь методология.

Методы системного анализа для решения сложных комплексных проблем применяются с учетом того, что в процессе принятия решений выбор необходимо делать в условиях неопределенности. Процесс системного анализа по каждой проблеме можно разделить на четыре стадии:

• постановка проблемы, определение цели и критериев оценки;

• структурный анализ исследуемой системы;

• разработка концепции развития системы и подготовка возможных вариантов;

• непосредственный анализ отобранных вариантов решений и их следствий с помощью ПЭВМ.

Истоки системного анализа, методических концепций лежат в дисциплинах, которые занимаются проблемами принятия решений - теории исследования операций и общей теории управления.

Проектирование сложных систем управления разделяют на две стадии: макропроектирование (внешнее), когда методами системотехнического и синтеза решаются задачи функционально-структурного характера; микропроектирование, когда разрабатываются технические решения в рамках проекта системы.

Для специалистов по автоматизации производства часто наиболее ответственным этапом является начало разработки систем - аванпроектирование (выбор структуры, технических средств, программного обеспечения...). От этого зависит целый ряд аспектов в будущем, в том числе стоимость разработки и эксплуатации.

МЕТОДОЛОГИЯ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА

В соответствии с современными представлениями прикладной системный анализ - научная дисциплина, которая на основе системно организованных, структурно взаимосвязанных и функционально взаимодействующих процедур, методологических средств, математического аппарата, программного обеспечения и вычислительных возможностей компьютерных систем и сетей обеспечивает в условиях неопределенности получение и накопление информации об исследуемом предмете для следующего формирования знаний о нем как единого, целостного объекта с позиций поставленных целей исследования и принятие рационального решения в условиях разнородных многофакторных рисков.

Под системой понимают сложные структуры, которые взаимодействуют с окружающей средой как единое целое, а большие системы и сложные системы включают значительное количество элементов и подсистем. Часто понятие системы определяют через их признаки и свойства.

Система - это совокупность взаимосвязанных элементов, отделенная от внешней среды, но которая действует с этой средой как единое целое.

Система - это средство достижения цели. Соответствие цели и системы неоднозначное, а именно: разные системы могут ориентироваться на одну цель, а одна система может иметь разные цели.

Первых два определения объединяются в третье.

Система - это функционально определенное структурно упорядоченное с адаптивной реорганизацией множество элементов. Внешние и внутренние функции систем, их иерархические или одноуровневые структуры характеризуются соответствующими обменными потоками, адаптивная организация и дезорганизация систем является определяющим для их существования свойством.

Элемент - это простейшая неделимая часть системы, а ее свойства определяются конкретной задачей. Элемент всегда связан с самой системой. Элемент сложной системы может быть в свою очередь сложной системой в другой задаче.

Подсистема - компонент системы - объединение элементов, но по масштабу меньше, чем система в целом.

Если рассматривать технологический комплекс, то элементом может быть технологический процесс, технологический аппарат или конкретная конструкция. Подсистемами выступают объединения технологических процессов или аппаратов на уровне технологических отделений или цехов.

С точки зрения задач управления всегда существует оптимальное количество подсистем, которое приводит к высочайшим технико-экономическим показателям. Количество подсистем зависит от структуры общей системы управления: децентрализованные, централизованные, распределенные системы управления. Количество подсистем зависит также от количества технологических операций.

Структура - это изображение элементов и связей между ними. Здесь рассматривается функциональная, алгоритмическая, техническая, организационная структура. Предполагается, что система имеет два и больше уровней управления.

Связь - наиболее важным есть то, что здесь используются обобщенные оценки (например, связи: направленная или ненаправленная, сильная или слабая, положительная или отрицательная). Связь однозначно характеризует структуру системы.

Состояние - это мгновенная оценка или фаза развития системы.

Равновесие - это определенное установившееся состояние, а переход из одного состояния в другое называют поведением системы.

КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ

В системном анализе классификация занимает особое место, учитывая множество критериев, которые характеризуют структуру системы, ее назначение, особенности функционирования и т.д. Наиболее часто применяются при классификации систем такие критерии.

По субстациональныму признаку системы делятся на три класса:

• естественные, которые существуют в объективной действительности (неживая и живая природа, общество). Примеры систем - атом, молекула, живая клетка, организм, популяция, общество;

• концептуальные, или идеальные системы, которые отображают реальную действительность, объективный мир. Сюда относят научные теории, литературные произведения, т.е. системы, которые с разной степенью полноты отображают объективную реальность;

• искусственные, которые созданы человеком для достижения конкретной цели (технические или организационные).

При использовании системного анализа для задач синтеза и анализа сложных систем управления используют классификацию систем по:

• виду объекта - технические, биологические, организационные и др.;

• научным направлением - математические, физические, химические и др.;

• виду формализации - детерминированные, стохастические;

• типу - открытые и закрытые;

• сложности структуры и поведения - простые и сложные;

• степени организованности - хорошо организованные, плохо организованные (диффузные), с самоорганизацией.

Хорошо организованные системы - это такие, для которых можно определить отдельные элементы, связи между ними, правила объединения в подсистемы и оценить связи между компонентами системы и ее целями. В этом случае проблемная ситуация может описываться в виде математических зависимостей, которые связывают цель и средства ее достижения, так называемых критериев эффективности или оценок функционирования. Решение задач анализа и синтеза в хорошо организованных системах осуществляется аналитическими методами. Примеры: описание работы электронного устройства с помощью системы уравнений, которые учитывают особенности работы; аналитические модели объектов управления и др.

Для отображения исследуемого объекта в виде хорошо организованной системы выделяют наиболее существенные факторы и отбрасывают второстепенные. В хорошо организованных системах используется, в основном, количественная информация.

Плохо организованные системы. Для таких систем характерным является отображения и исследование не всех компонентов, а лишь некоторых наборов макропараметров и закономерностей с помощью определенных правил выборки. Например, при получении статистических закономерностей их переносят на поведение систем с некоторыми показателями вероятности. Характерным для этих систем есть использования многокритериальных задач с многочисленными предположениями и ограничениями. Примеры: системы массового обслуживания, экономические и организационные системы.

В плохо организованных системах используется, в основном, качественная информация, в частности нечеткие множества.

Системы с самоорганизацией. Такие системы имеют признаки диффузных систем: стохастичностьсть поведения и нестационарность параметров. В тоже время они имеют четко определенную возможность адаптации к смене условий работы. Частным случаем системы с самоорганизацией для управления техническими объектами являются адаптивные системы с эталонными моделями или идентификатором, которые рассматриваются в дисциплине «Теория автоматического управления».

Существует ряд подходов к выделению систем по сложности и масштабу. Например, для систем управления удобно пользоваться классификацией по числу (количеству) элементов:

• малые (10-10³ элементов);

• сложные (10⁴- 10⁷ элементов);

• ультрасложные (10⁸ - 10³⁰ элементов);

• суперсистемы (10³⁰ - 10²⁰⁰ элементов).

Большая система - это всегда совокупность материальных и энергетических ресурсов, средств получения, передачи и обработки информации, людей, которые принимают решение на разных уровнях иерархии.

В настоящее время для понятий «сложная система» и «большая система» используют такие определения:

• сложная система - упорядоченное множество структурно взаимосвязанных и функционально взаимодействующих разнотипных систем, которые объединены структурно в целостный объект функционально разнородными взаимосвязями для достижения заданных целей в определенных условиях;

• большая система объединяет разнотипные сложные системы.

Тогда определение системы можно записать как

Система - упорядоченное множество структурно взаимосвязанных и функционально взаимодействующих однотипных элементов любой природы, объединенных в целостный объект, состав и границы которого определяются целями системного исследования.

Характерные особенности больших систем:

• значительное количество элементов;

• взаимосвязь и взаимодействие между элементами;

• иерархичность структуры управления;

• наличие человека в контуре управления и необходимость принятия решений в условиях неопределенности.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ БОЛЬШИХ (СЛОЖНЫХ) СИСТЕМ

Закономерности больших или сложных систем позволяют рассмотреть их основные свойства независимо от физической природы (устойчивость, развитие, адаптация, саморегулирование и др.).

Целостность системы. Здесь рассматривается две взаимосвязанных стороны:

• свойства системы, как целого, не являются суммой свойств элементов или подсистем;

• свойства системы, как целого, зависят однозначно от свойств элементов, подсистем.

В этом проявляется сложность системы, ее поведение относительно внешней среды и внутреннее развитие. При выделении отдельных элементов или подсистем они также могут быть сложными системами, но для других задач. При оценке целостности выделяется два фактора:

• прогрессирующая факторизация, т.е. стремление системы к такому состоянию, когда отдельные части приобретают независимость;

• прогрессирующая систематизация, т.е. уменьшение системой определенной автономности элементов или систем.

Интегрированность системы - эта закономерность соединена однозначно с предыдущей (целостностью), но интегрированность подчеркивает внутренние процессы системы. Главным в интегрированности являются системообразующие и системосохраняющие факторы.

Для сложных систем управления и компьютерно-интегрированных структур этими факторами являются ЭВМ и микропроцессорные средства, объединенные в соответствующие сети. В технических системах, особенно компьютерно-интегрированных структурах, рассматриваются такие виды интеграции:

• программная интеграция;

• техническая интеграция;

• алгоритмическая интеграция;

• организационная интеграция.

Коммуникативность системы. Эта закономерность характеризует особые связи системы с внешней средой, дает возможность выделить элементы, как системы низших порядков. Для КИСУ коммуникативность проявляется в потоках информации, а также в структурах, т.е. в сетях разного уровня и назначения, в том числе корпоративных.

Корпоративная сеть - это вычислительная сеть на предприятиях, фирмах или их объединениях, в которой одновременно циркулирует информация разного назначения, т.е. технологическая и технико-экономическая.

Иерархичность системы - это закономерность, которая показывает, что живая природа и технические системы всегда имеют несколько уровней организации, принятие решений, задач и т.д. Для автоматизированных технологических комплексов выделяют разные виды управления: технологический аппарат, отделение, предприятие. Здесь главными являются такие стороны:

• с помощью иерархических представлений можно отображать системы с разными неопределенностями;

• определение количества уровней, построение всей иерархической системы всегда зависит от задачи и от цели системы.

В теории систем определяющим являются понятия функции или задачи, которые распределяют по уровням на подзадачи, т.е. образовывается иерархическая структура подзадач. Иерархической структуре подзадач отвечает своя структура математических моделей и ограничений. Эти две структуры находят отображение в технической структуре, т.е. в иерархии технических средств.

Закон необходимого разнообразия. Доказано, что для создания системы, которая может решить сложную проблему, имеющую разнообразие, необходимо, чтобы система управления имела еще большее разнообразие. Важно, чтобы это разнообразие могло создаваться в самой системе. В ТАУ существует принцип сложности, согласно которому для управления сложным объектом должна использоваться также сложная система управления.

Обобщение понятий сложных систем.

1. Общими признаками сложных систем (биологических, технических, социально-экономических) является то, что каждая из них представляет собой структурно организованную совокупность более простых частей (подсистем), взаимосвязанных и взаимодействующих в процессах целенаправленного функционирования системы.

2. Каждая из систем входит как подсистема в состав более крупной системы (старшего ранга); в свою очередь подсистемы (кроме элементарных), могут представляться как системы младшего ранга.

3. Системы взаимодействуют с внешней средой, которая реализуется через внешние связи: входные и выходные.

4. Процесс функционирования системы в узком смысле - процесс преобразования ресурсов на входе в целевые конечные результаты основной деятельности на выходе.

5. Эффективность основной деятельности системы характеризуется отношением целевых конечных результатов к затратам ресурсов на достижение этих результатов и на устранение (или ограничение в допустимом диапазоне) отрицательных следствий функционирования.

6. Целеустремленность процессов функционирования проявляется в намерении поддерживать и повышать высокую эффективность системы, адаптируясь к изменениям внешней среды.

7. Процессы функционирования системы (в широком смысле) - совокупность процессов основной деятельности в разных по масштабам процессов развития и усовершенствование систем.

8. Математическое описание процессов функционирования системы - математическая модель, но при действии нестационарных случайных сигналов процессы функционирования часто нельзя описать математически, т.е. формализовать.

9. Процессы функционирования систем нуждаются в управлении, которое реализуется за счет целенаправленных действий и обратных связей.

10. Процесс управления: сбор информации; ее анализ и контроль; изготовление управляющего действия; ее реализация.

11. Совокупность органов управления системы и подсистем всех уровней вместе с информационными связями (внутренние и внешние) - это иерархическая система управления.

МЕТОДЫ И ОБЪЕКТЫ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА

Эти методы основаны на том, что рассматриваются разные явления без раскрытия процессов, которые там происходят, а учитываются лишь формальные связи между разными факторами и характер их изменения под влиянием внешних условий. Методы системного анализа объединяют математические методы, компьютерные технологии, теории автоматического управления, исследование операций, которые приводит к объективной необходимости привлекать знание из разных наук.

Для описания поведения систем используются методы теории информации и принятие решений. В теории систем традиционные математические методы (дифференциальные, разностные уравнения и т.д.) не разрешают полностью описать реальные процессы в сложных системах, поэтому рядом с количественной информацией используется качественная информация, в частности, теория нечетких.

В дальнейшем рассматриваются методы, которые используются для таких сложных систем, как технологический комплекс, автоматизированный технологический комплекс, компьютерно-интегрированная система управления, корпоративные сети (ТК, АТК, КИСУ, КС).

Принципы системного подхода.

• принцип конечной цели: абсолютный приоритет конечной (глобальной) цели;

• принцип единства: совместное рассмотрение системы как целого и как совокупности систем (элементов);

• принцип связанности: рассмотрение любой части совместно с ее связями с окружением;

• принцип модульного построения: полезно выделить модули в системе и рассматривать ее как совокупность модулей;

• принцип иерархии: целесообразно вводить иерархию частей (элементов) и (или) их ранжирование;

• принцип функциональности: совместное рассмотрение структуры и функций с приоритетом функций над структурой;

• принцип развития: учет изменяемости системы, ее способности к развитию, расширению, замене частей, накоплению информации;

• принцип децентрализации: объединение в принимаемых решениях и управлении централизации и децентрализации;

• принцип неопределенности: учет неопределенностей и случайностей в системе.

Черты системного подхода.

В системных исследованиях широко используются процедуры декомпозиции и агрегирование, которые являются разными аспектами аналитического и синтетического приемов исследования систем. Сложная система расчленяется на менее сложные части, которые потом могут объединяться в одно целое, что дает возможность объяснить целое через его части в виде структуры целого.

Декомпозиция - разложение целого на части: задачи - на подзадачи; системы - на подсистемы. Это дает возможность упростить общую задачу, сократить ее размерность и использовать более простые модели.

Агрегирование - объединение частей в целое, что часто дает возможность получить новые качественные и количественные показатели системы. При этом новое объединение (новая система) может иметь такие свойства, которых не имеет ни один из элементов, которые объединяются. Наглядный пример проявления это свойство приведено на рис. 1.1.

Рис.1.1. Схемы соединений элементов

Цифровой автомат 8 превращает любое число на входе в новое число на выходе, которое на единицу больше входного (рис. 1.1.а). При соединении двух автоматов 8 в кольцо (рис.1.1. б) система генерирует возрастающую последовательность на выходах А и В, одна из которых состоит из парных чисел, вторая - из непарных. При параллельном соединении (рис. 1.1.в) реализуется задача резервирования.

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД ПРИ АНАЛИЗЕ ТК

Признаки технологических комплексов как сложных систем.

Можно выделить разные признаки, но главными являются те, которые характеризуют как некоторые количественные стороны, например, количество элементов, так и качественные. Известный подход, когда сложной системой (СС) называют такую, математические модели которой можно описать, по крайней мере, двумя способами (детерминированные и стохастические, теоретико-вероятностные и т.д.). Для ТК при характеристике их как СС выделяют такие признаки:

• количество подсистем, особенно это имеет значение для непрерывных ТК. Эти подсистемы, связанные между собой сложными структурными и функциональными отношениями;

• возможность управления подсистемами на основе разных критериев оптимальности;

• существование для подсистем задач оперативной оптимизации и необходимость координации работы подсистемы;

• наличие иерархической структуры;

• необходимость учета автономности подсистем.

Анализ ТК как сложных систем предусматривает определение и оценку их структуры, оценку материальных и энергетических потоков, формирование необходимых информационных определений, что дает возможность определить структуру управления. При построении автоматизированных ТК определяется количество подсистем, расположение точек получения информации, расположение пунктов управления и техническая реализация системы.

Классификация ТК.

Эта классификация может выполняться по следующим признакам:

• по производительности: мощные, средней мощности и маломощные (или продуктивные). В промышленности все больше применяются технологические аппараты большой единичной мощности, которые могут заменять группу аппаратов. При этом выделяется средняя производительность, а мощные и маломощные должны отличаться в два и больше раз.

• по способу функционирования: непрерывные, неперервно-периодические, неперервно-циклические та периодические.

• по количеству выполняемых функций: одно- и многофункциональные или одно- и многономенклатурные (ассортиментные).

• по количеству звеньев: мало- и многозвенные.

• по однородности: однотипные и разнотипные звенья или подсистемы.

• по способу соединения технологических звеньев (технологическая топология): однонаправленные, встречнонаправленные (с обратными связями) и комбинированные.

• по целевой функции (критерию оптимизации): все подсистемы могут иметь один или несколько критериев;

• по характеристикам среды: жидкость, газ...

Для разработки КИСУ, а также систем автоматизации на разных уровнях важными являются также признаки ТК:

• информационная мощность, которая характеризует величину информационных потоков, т.е. определяет характеристики необходимых технических средств и их программного обеспечения для получения информации, ее обработки и представление в необходимом виде в определенное время. Информационная мощность определяется количеством переменных, которые необходимые для управления и контроля ТК: малая мощность до 40 переменных, средняя - до 160, повышенная - до 650, большая - больше 650.

• по количеству подсистем, для которых существует и необходима задача оптимизации, а достижение требуемых технико-экономических показателей для подсистем совпадает с критерием ТК в целом.

• по количеству подсистем, для которых работа n-ой подсистемы нуждается в изменении условий работы (n-1) и (n+1) подсистем.

• по трудоемкости задач оптимизации и координации есть комплексы, в которых задача оптимизации требует значительного времени решения и значительных вычислительных мощностей.

Системный анализ технологических процессов как объектов управления.

При исследовании технологических процессов с позиций задач управления используются основные приемы системного анализа (системного подхода):

• постановка задачи исследования;

• выбор критериев качества;

• разработка плана эксперимента с выделением основных этапов;

• выполнение принципа иерархии сверху вниз при анализе и снизу вверх при синтезе сложных систем и др.

С позиций системного анализа решаются задачи моделирования, оптимизации, управления и оптимального проектирования в масштабах ТК, отделения, цеха, завода. Для этого используются соответствующие математические модели.

Условно неделимыми единицами ТК являются технологический процесс (ТП) - нижний уровень иерархии производства. В тот же время возможная дальнейшая детализация этих единиц к уровню физико-химических эффектов и явлений, который разрешает, в свою очередь, рассмотреть отдельный технологический процесс как сложную систему. Важно понимать, что единичный технологический процесс с его сложным комплексом элементарных физико-химических явлений - типичная большая (сложная) система в смысле ее классического определения. Уровень сложности этой системы определяется:

• огромным количеством (многообразием) физико-химических эффектов;

• насыщением взаимных связей между этими эффектами;

• одновременным протеканием и взаимосвязями между разными явлениями физико-химической природы в локальных объемах;

• • нелинейными зависимостями между переменными параметрами и т.д.

При системном анализе производства (предприятия) как большой (сложной) системы выделяют, как правило, три уровня:

• типичные технологические процессы в аппаратурном оформлении (механические, гидродинамические, тепло-масообменные, диффузные, химические...) и локальные системы управления ими;

• ТК, отделение, цех с соответствующими системами управления;

• производство, предприятие и системы оперативного управления, организации производства, планирование, материально-технического снабжения, реализации продукции.

При системном подходе создаются автоматизированные системы для оперативного получения математических моделей, идентификации.

Применение методологии системного подхода к созданию сложных систем управления.

Методология – это совокупность приемов исследования в науке. Системный подход при создании сложных структур управления проявляется в таких подходах:

1. Любая система на первом этапе рассматривается с учетом лишь формальных связей между разными факторами и оценки характера их изменения под влиянием внешних условий.

2. Система всегда исследуется в условиях неопределенности (цели, характеристик внешней среды и поведения оператора). Важно обеспечить в системе адаптацию и возможность развития.

3. Сложность систем управления, их информационная мощность требует привлечения некоторых специальных приемов, например, декомпозиции и агрегирование.

4. В сложных системах управления (ССУ) всегда используются структурные преобразования.

5. В общей теории систем должны использоваться определения, методы и приемы, которые являются понятными для других научных дисциплин (например, информатика и автоматика).

6. В теории систем применяются унифицированные понятия, которые дают возможность охарактеризовать как систему любой сложности, так и любую ее часть.

Системный подход к созданию автоматизированных технологических комплексов (АТК) и компьютерно-интегрированных систем управления (КИСУ)

По основным признакам АТК и КИСУ – это сложные системы, поэтому при решении задач анализа и синтеза используются методы и приемы системного анализа: определение иерархий, применение методов декомпозиции и агрегирования. Объектом для сложных систем управления является технологический комплекс, производство или предприятие в целом. В этом случае рассматриваются равные иерархии: типичный технологический процесс, участок, цех, производство (завод), предприятие.

Автоматизированный технологический комплекс включает две основные части: объект и система управления. Особенностью системного подхода являются формирования структуры и характеристик объекта, а также синтез системы управления для сформированного объекта. Это касается комплекса задач, в частности выделения подсистем, определение точек-источников информации, управляющих влияний, оценки качества процесса функционирования и т.д.

Главная особенность системного подхода при анализе и синтезе сложных систем - необходимость итераций, т.е. повторение этапов, процедур и операций с новыми данными.

Аналогичный подход используется при анализе и синтезе КИСУ с учетом таких особенностей: определение количества и уровней рабочих мест, количества и уровней вычислительных сетей.

СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Для этих систем анализируется организационная, функциональная, техническая структура. Эти структуры можно рассматривать, как определенные модели, которые отображают функции и цели, стоящие перед системой. В первую очередь учитывают иерархичность системы, поэтому их структуры всегда будут многоуровневыми. Эта многоуровневая структура помогает на разных уровнях рассматривать с разной детализацией свойства системы и ее составные. Таким образом, структура - совокупность элементов и связей между ними, которые определяются соответственно функциям и целям системы.

Рис. Многоуровневое представление структуры ССУ

Для каждой системы можно поставить в соответствие множество структур с разным количеством уровней детализации, которая определяется назначением структуры, так и самой системой. При перемещении на нижние уровне детализация всегда увеличивается, но назначение системы становится понятным при перемещении на верхний уровень. Существуют системы структурированные, слабо структурированные и неструктурированные. В соответствии с этим для каждого класса систем разрабатываются соответствующие математические модели. В структурном анализе выделяют приемы декомпозиции и агрегирование. Прием декомпозиции разрешает выделить подсистемы, а второй прием - агрегирование - разрешает объединить некоторые подсистемы, чтобы образовать технологический объект управления с заданными свойствами. В результате структурного анализа принимается решение относительно архитектуры системного управления, расположение терминальных точек (датчики, регулирующие органы, рабочие места).

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ, ОРГАНИЗАЦИОННАЯ И ТЕХНИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА

Организационная структура (на примере предприятия) Эта структура предназначена для решения таких задач:

• описание состава подсистем и связей между ними;

• определение функций подсистем и при необходимости раскрытия их внутренней структуры;

• описание материальных и информационных потоков;

• построение общей информационной структуры и соответствующих моделей.

Функциональная структура дает возможность:

• определить функции управления в структурных подразделах существующей системы;

• избрать функции, которые автоматизируются;

• определить связи между автоматизированными функциями;

• разработать иерархию задач управления и соответствующих моделей.

Техническая структура отображает основные технические средства для получения информации и ее обработки, а также устройства для связи между элементами, в том числе сети.

При анализе технической структуры:

• определяются основные элементы, которые обеспечивают информационные процессы: регистрацию и подготовку, хранение и выдачу информации;

• составляется формальная структурная модель системы технических средств с учетом топологии расположения элементов, их информационного и энергетического взаимодействия между собой и внешней средой.

Общая задача структурного анализа состоит в определении структурных свойств системы и ее подсистем на основе описания элементов и связей между ними.

При решении практических задач структурного анализа сложных систем управления принимаются три уровня описания связей между элементами:

• наличие связи;

• направление связи;

• вид и направление сигналов, которые определяют взаимодействие элементов.

На первом уровне основными задачами структурного анализа являются:

• определение связности (целостности) системы и выделение связанных подсистем со своими элементами;

• выделение циклов;

• определение минимальных и максимальных последовательностей элементов (цепей), которые разделяют элементы.

Результаты структурного анализа на втором уровне более содержательные, а задачами структурного анализа являются:

• определение связности системы;

• топологическая декомпозиция с выделением сильно связанных подсистем;

• выделение узлов приема и выдачи информации;

• выделение уровней в структуре и определение их взаимосвязи;

• определение минимальных и максимальных путей;

• определение характеристик топологической значимости элементов;

• получение информации о слабых местах структуры и т.д.

На третьем уровне описания связей между элементами системы учитывается не только направленность связи, а и раскрываются состав и характер сигналов взаимодействия элементов (входные, исходные, управление).

Кроме того, при структурном анализе решаются такие задачи:

• выделение местных и общих контуров управления;

• определение необходимых конфигураций при багаторежимному характере работы;

• оценка путей непосредственной передачи сигналов.

При незначительной начальной информации о структуре системы, когда учитываются лишь наличие и направление связи, удобно использовать аппарат теории графов.

Теория графов - раздел математики, который исследует свойство разных геометрических схем (графов), образованных множеством точек и соединительных линий. При структурном анализе систем элементам ставят в соответствие вершины графа, а связям - ребра (вершинный граф).

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА УПРАВЛЕНИЯ В СЛОЖНЫХ СИСТЕМАХ

Системный анализ многоуровневых иерархических структур

Современный этап развития автоматизации производства характеризуется внедрением сложных систем управления, которые реализуются с помощью многоуровневых иерархических структур на основе компьютерных сетей разного уровня и назначения. В основе разработки таких структур лежит понятие иерархии подзадач (функций), которые решаются системой со своими объектами и критериями. Эта иерархия отображается в иерархии математических моделей с соответствующими ограничениями и иерархии технических средств. Иерархические структуры (системы) управление имеют такие основные характеристики:

• последовательное вертикальное расположение подсистем, которые составляют систему (вертикальная декомпозиция);

• приоритет действий или права вмешательства подсистем верхнего уровня;

• зависимость действий подсистем верхнего уровня от фактического выполнения нижними уровнями своих функций.

Названные особенности нуждаются в специальных подходах к математическому описанию процесса функционирования сложной системы управления, на основе которой можно было бы проявить зависимости показателей эффективности от параметров системы и внешней среды, ее структуры и алгоритмов взаимодействия элементов. Кроме того, математические модели дают возможность решить главную системотехническую задачу - синтез оптимальной структуры. Это возможно лишь на основе многоуровневого иерархического описания с применением разных формальных языков, которое дает возможность подать исследуемую систему как элемент (подсистему) более широкой системы: рассматривать ее как единое целое; определить структуру с необходимой степенью детализации. Для возможности обеспечения нужной точности и удобства, учет многих характеристик системы используют разные уровни описания. Первый уровень отвечает информационному описанию, т.е. рассматриваются информационные связи системы с внешней средой и ее роль в получении и переработке информации. Второй уровень обнаруживает множество функциональных элементов и отношения между ними. Третий уровень - системотехническое описание, которое дает возможность определить техническую структуру системы с соответствующими средствами.

Многоуровневое описание системы имеет ряд общих свойств:

• выбор уровня описания зависит от цели исследования, разработка моделей на разных уровнях может проводиться параллельно, т.е. независимо;

• требования к условиям работы подсистем верхнего уровня выступают как ограничения подсистем нижнего уровня;

• на нижних уровнях описания выполняется наибольшая детализация, но назначение и содержание системы раскрываются на верхних уровнях.

При функционировании сложной системы управления возникает ряд особенностей, связанных со взаимодействием подсистем:

• более крупные подсистемы функционируют на верхнем уровне, который определяет более широкие аспекты поведения системы в целом. Подсистема верхнего уровня есть «командной» по отношению к другим и координирует работу подсистем нижнего уровня;

• период принятия решений на верхнем уровне всегда больший, чем на нижних. При этом необходимо учитывать такое обстоятельство: сигналы от верхнего уровня не могут поступать чаще, чем информация от нижних, так как иначе не будет координации нижних подсистем;

• подсистема верхнего уровня всегда имеет дело с более медленными аспектами поведения всей системы, она всегда ожидает результаты реакции подсистем нижних уровней, например, реакцию подсистем разных уровней можно разбить по частоте действующих возмущений;

• на верхних уровнях описание и проблемы менее структурированы, имеют больше неопределенностей, более сложные для формализации. Таким образом, проблемы принятия решений на верхних уровнях более сложные.

Основные задачи управления рассматриваются и используются как на стадии проектирования, так и в период эксплуатации.

На стадии проектирования решаются задачи:

• синтеза структуры, выбора технических средств, алгоритмического, информационного, программного и технического обеспечения на всех уровнях иерархии;

• декомпозиция объектов и задач управления;

• оценка экономической эффективности алгоритмов управления.

К задачам управления на стадии эксплуатации относят в первую очередь анализ возмущений: их амплитуда, частотный спектр, период возникновения существенно влияют на совокупность задач управления:

• получение и первичная обработка информации;

• регулирование и программно-логическое управление;

• оптимизация режимов;

• координация работы подсистем;

• оперативное управление.

КЛАССЫ ЗАДАЧ И ВИДЫ УПРАВЛЕНИЯ

При определении видов и принципов управления учитываются два основных требования:

• цель управления и его вид должны согласовываться с видом желательного функционирования объекта (с целью функционирования);

• принципы управления и значение управляющих действий должны согласовываться со свойствами объекта.

Не смотря на огромное разнообразие физических принципов функционирования и назначения технических объектов, классы задач управления ограничены:

1. Задача обеспечения заданного характера изменения координат или некоторых функций от них объекта управления - автоматизация ТП.

2. Задачи коррекции динамических свойств ОУ, например:

   • переведение из природного неустойчивого процесса в ОУ в устойчивый;

   • переведение колебательных процессов в апериодические и т.д.

3. Задачи компенсации возмущений (внешних и внутренних) с целью сохранения желательного характера функционирования ОУ:

   • подзадачи компенсации возмущений, которые вызывают отклонение координат состояния (координатные). В уравнениях динамики - это дополнительные члены в правой части;

   • подзадачи компенсации возмущений, которые приводят к нежелательным изменениям динамических свойств (параметрические возмущения) - параметров тепло- и массопередачи и т.д. В дифференционных уравнениях - переменные или коэффициенты, которые зависят от времени или координат других процессов;

   • подзадачи компенсации возмущений, которые приводят к нежелательным изменениям структуры объектов (структурные). Это может быть: изменение трудоспособности элементов; нарушение связей между элементами (нарушение целостности).

Эти структурные возмущения могут быть внутренними (дефекты объекта или его элементов; эволюция свойств ОУ) и внешними (возмущение, которые выходят за рамки технических условий эксплуатации.

4. Задачи координации взаимодействия подсистем.

Для четырех основных классов задач организуются такие виды управления:

• координатное, управляющие действия которого - изменение физических потоков, ограничение области допустимых значений координат или показателей качества процессов в ОУ;

• параметрическое, управляющие действия которого - изменение значений физических параметров элементов объекта;

• структурное, управляющие действия которого - изменение состава элементов и (или) связей между ними и режимов функционирования.

ТИПОВЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Объем задач управления и необходимые его виды однозначно определяются внутренними свойствами объекта, его структурой и необходимыми показателями функционирования. Для ТК формирование функциональной структуры системы управления имеет особое значение.

Функциональная структура - совокупность функций системы, как совокупность операций (действий), которые обеспечивают достижение частных целей (результатов) функционирование системы.

Для организации процесса управления любого вида реализуется некоторый универсальный набор функций, которые составляют типичную функциональную структуру. Это такие функции:

• информационные - измерение, сбор, сортировка, обобщение и распределение данных о состоянии ОУ;

• программирование режимов управления - преобразование внешних задач, например, от системы высшего уровня, в совокупность установок для подсистем, ограничений области состояний, показателей качества управления, программ изменения управлений;

• выработка управляющих воздействий - совокупность операций (действий), которые определяют значение параметров управляющих воздействий на основе исходных данных реализации информационной функции и функции программирования режимов управления;

• реализации управляющих воздействий - реализует результаты предыдущей функции в физическое управление на объект.

Для структурного управления выделяют свои функции:

• технического диагностирования - это специфическая информационная функция, которая предусматривает контроль изменения технического состояния, поиск места изменения этого состояния, оценка глубины (объема) изменения состояния объекта диагностирования.

При накоплении отклонений от нормы эксплуатационных параметров объекта структурного управления реализуются свои функции:

• реконфигурации структуры объекта - оценка состояния предыдущей функцией, поиск допустимой структуры объекта на выделенных вариантах, определение лучшего варианта, изменение связей и режимов функционирования элементов системы, контроль результатов влияния на структуру объекта;

• аварийной защиты: оценка типа отказа в объекте (простая или аварийная), в случае аварийной - локализация области ее влияния на работоспособные элементы системы, переведение объекта с помощью реконфигурации структуры в одно из работоспособных состояний или в такое, которое отвечает простым отказам;

• управление резервами - выявление по данным функции технического диагностирования нарушений работоспособности элемента объекта, включение резервных элементов, контроль результатов замены элементов;

• технического обслуживания и ремонта - выявление по данным функции технического диагностирования объема и содержания возобновительных работ режима функционирования объекта, проведение операций обслуживания и ремонта, контроль качества восстановительных работ.

Реализация функций структурного управления имеет свои особенности:

• реализация функций резервирования, автоматической реконфигурации, технического диагностирования выполняется децентрализовано, т.е. эти функции объединяются и часто конструктивно объединяются с техническими средствами (а временами и программными) функций координатного и параметрического управлений;

• в процессе разработки системы управления функции структурного управления должны разрабатываться так, чтобы обеспечить решение системных вопросов: глубина охвата, эффективность, унификация способов и средств реализации и др.

Сами контуры структурного управления должны определенным способом взаимодействовать между собой: так контур реконфигурации структуры целесообразно включать после того, как исчерпаны предусмотренные резервы, а контуры ремонта и технического обслуживания не только по информации от технического диагностирования, а и от контуров управления резервами, реконфигурации, аварийной защиты и т.д.

Функциональные структуры координатного и параметрического управлений

Эти структуры рассматриваются вместе т.к.:

• способы компенсации возмущений на координаты определенной мерой обеспечивают компенсацию и параметрических возмущений;

• эти контуры вместе с ОУ выступают как объект управления для контура структурного управления.

Варианты функциональных структур избираются по двум факторам:

• видом цели (задачи) управление,

• способом компенсации возмущений.

Вид цели, цели (задачи) управления

1. Системы стабилизации. Цель

Х_зд, Х(t) - соответственно заданное и текущее значения регулированной координаты.

2. Системы программного за выходами управления

х_зд var при заведомо заданных функциях времени.

Здесь есть два подкласса:

2.1. Системы временного программного по выходам управления, когда х_зд(t) жестко определяется по времени;

2.2. Системы координатного программного по выходам управления, когда х_зд(t) определяются уровнем значений некоторых координат системы высшего ранга, а значение моментов времени изменения произвольные.

З. Системы следящего управления

х(t)  х_зд(t), х_зд = var – функция произвольного вида, заведомо не известная. Показатели качества слежения определяются, как правило, значениями не только х_зд(t), а и их производных.

Для повышения точности слежения необходимо иметь как можно больше информации относительно функции х_зд(t).

4. Системы экстремального управления

Цель: показатель качества функционирования

Критерии выбираются индивидуально для каждого объекта, но часто это – потери на перемещение в области екстремуму («рыскание») и быстродействие, т.е. время перевода режима функционирования в состояние, близкий к оптимальному.

При экстремальном управлении используются также системы классов 2 и 3 для обеспечения качества переходных процессов. Часто используется экстремум статической характеристики.

5. Системы оптимального управления

Цель: на протяжении времени функционирования объекта обеспечить екстремум функции в пределах допустимых изменений параметров и при существующих моделях.

Часто ставится задача: перевести координаты объекта из состояния 1 в состояние 2 по определенной траектории.

6. Терминальные системы управления

Цель: перевести объект в заданное конечное состояние или в заданную область в указанное или произвольное время.

Показатель качества формируется в зависимости от ограничений на траекторию движения, возмущений и прогнозируемых х(t).

Эти системы можно рассматривать как подкласс систем оптимального управления, но за постановкой и специальными методами синтеза целесообразно выделять их в отдельный класс.

Способы компенсации возмущений

1. Способы компенсации координатных возмущений

1.1. Системы управления за возмущением

Рис.3.2. Структура системы управления по возмущению

Организовывается искусственный канал по каждому возмущению Zi для его компенсации. Значение параметров операторов управляющего устройства Kx, Kz находят из условия компенсации, т.е.

тогда:

,

где

После подстановки

,

т.е.

В этом способе:

В зависимости от значения Kz можно получить разную степень компенсации , или даже перекомпенсацию;

при любых значениях Kx, Kz сохраняется устойчивость системы (при устойчивом объекте).

Ограничения:

• способ применяется при медленно изменяемых Z;

• для компенсации Z его необходимо измерять;

• для достижения необходимо обеспечить стабильность параметрjв Kx, Kz, которые зависят от параметров объекта.

1.2. Системы управления по отклонению

Рис. Структура системы управления за отклонением

Значения и сравниваются непрерывно или с некоторой цикличностью. При этом:

,

,

или

Погрешность управления, вызванная действием возмущения:

Полная компенсация возможная при , или компенсация тем полнее, чем «более сильное» неравенство

1+К₀Кx>К₀₁

Методическая погрешность вызвана тем, что

при конечных значениях К_о, К_х, т.е. цель управления достигается с тем большей точностью, чем «более сильное» неравенство

К₀Кx>1 К₀Кx>К₀₁

Преимущества:

• нет потребности в измерении ;

• частично компенсируются возмущение на параметры системы К₀, К_О1, К_х, этот эффект тем больший, чем больше произведение К₀ К_х

Ограничение в применении:

• при увеличении значения коэффициента усиления Кх при наличии дифференционных операторов К₀, К_О1, К_х повышение степени компенсации возмущений ограничивается требованиями устойчивости, поэтому всегда есть проблема: статическая точность - устойчивость.

Замечание:

1. Изложенные соотношения относятся к статическим системам. При наличии в контуре управления интегрирующего звена полная компенсация обеспечивается при конечных значениях К_о, К_х, но проблема устойчивости усугубляется.

При многокомпонентных объектах, когда возмущения действуют на разные компоненты (а также в ТК) применение одного контура требует усложнения оператора К_х или компенсация вообще невозможная. Часто используются каскадные структуры, которые осуществляют раздельную компенсацию.

Рис. Структура системы каскадного управления

Структура каскадной системы более сложная, но операторы К_х более простые. Первый контур основной, второй - по Х₁ - вспомогательный, который настраивается на компенсацию .

1.3. Комбинированные системы

Способ компенсации - объединение классов 1.1 и 1.2.

Рис. Структура системы комбинированного управления

для компенсации необходимо

К₀₁-К₀Кz=0,

т.е. при конечных значениях коэффициентов.

Преимущества:

• проблема статическая точность - устойчивость решается проще;

• частично компенсируется дрейф значений коэффициентов К_х, К_z, К_о, К₀₁

Замечание: контур по возмущению используется для наиболее сильно действующего возмущения , а обратной связь - для остальных возмущений в системе. Канал значительно повышает скорость и точность.

2. Системы с компенсацией координатных и параметрических возмущений

Эти системы применяются для нестационарных объектов, или объектов с неизвестными характеристиками. Тогда принципы управления, которые определяют функциональную структуру системы, можно классифицировать так:

• по степени нестационарности динамических свойств объекта;

• по способу задания желательного функционирования;

• по способу компенсации влияния нестационарности объекта.

Общим для этих классов систем является свойство адаптации за счет:

• выбора величины и частоты коррекций управляющих действий на основе рекурентных алгоритмов обработки имеющейся информации о ходе процессов в объекте;

• изменения динамических свойств (параметров) системы заданной структуры (системы с самонастройкой);

• коммутацией структуры и режимов работы системы (системы со сменной структурой).

2.1. Системы координатно-параметрического управления

Системы с самонастройкой используют в тех случаях, когда степень нестационарности динамических характеристик ОУ является существенной, и ее не удается компенсировать ни изменением параметров, ни дополнительными действиями.

Используется два способа:

• организация прямого действия от прямо или косвенно измеренных нестационарных параметров динамических характеристик ОУ на изменяемые координаты ОУ;

• организация контура компенсации с обратными связями по измерительным нестационарным динамическим свойствам объекта.

Рис. Структура системы координатно-параметрического управления

ППУ – прибор параметрического управления;

ПКУ – прибор координатного управления;

СУ – система управления.

Основная проблема при создании – оптимальное соединение контуров координатного и параметрического управлений.

2.2. Безпоисковые системы с самонастройкой

Способ компенсации состоит в измерении и непрерывной компенсации отклонений фактической траектории изменения координат, которые определяют уровень качества функционирования объекта, от желательных траекторий, которые определяют заданный уровень качества.

Рис. Структура безпоисковой системы с самонастройкой

ПКУ - прибор координатного управления

ПСН - прибор самонастройки

Желательный режим работы может быть оптимальным, тогда - оптимальные системы с самонастройкой. Могут быть с явными оценками: с контролем частотных характеристик или корреляционных функций вход - выход.

Устройство самонастройки (адаптации) минимизирует отклонение фактической траектории от желательной, формируя на ПКУ. Временами может быть дополнительное действие .

2.3. Поисковые системы с самонастройкой

Способ компенсации заключается в автоматическом выборе с помощью поискового устройства самонастройки таких значений параметров основного контура, при которых обеспечивается экстремум функционала качества. Часто - процедуры численного поиска.

ФПК

Рис. Структура поисковой системы с самонастройкой

ПКУ - прибор координатного управления;

ФПК - формирователь показателей качества управления;

ППЕ - прибор поиска экстремального значения показателя качества.

Ограничение: скорость процесса поиска (скорость сходимости) должна быть большей скорости изменения динамических свойств объекта. При этом - чем больше эта разность, тем лучшее качество функционирования.

2.4. Автоматические системы с идентификатором

Способ компенсации похож на системы с эталонной моделью, но в этом случае используется полная или частично настраиваемая модель объекта, которая адаптируется в процессе работы.

Рис. Структура адаптивной системы с идентификатором

ПКУ - прибор координатного управления

С помощью этой модели определяются совокупности управляющих воздействий, которые обеспечивают экстремальное или допустимое в конкретных случаях значения показателя качества управления.

Для сложных объектов, которые характеризуются разными моделями, используется несколько идентификаторов: оперативные (которые отслеживают количественные изменения параметров) и стратегические (которые отслеживают изменения вида динамических операторов структуры объекта).

2.5. Системы со сменной структурой

В этих системах в зависимости от желательного качества регулирования и состояния объекта дискретно изменяется закон регулирования, т.е. структура системы (набор функциональных элементов и связей между ними). Конкретный набор структур управляющего устройства и логические условия их переключения в процессе изменения исходных координат зависит не только от вида математического описания процессов в объекте и характера изменения его параметров, а и от того, какие координаты доступны измерению.

В основе системы со сменной структурой лежат две идеи:

• переходные процессы по возмущению или изменению задачи состоят из отрезков (кусков) траектории системы, отвечающим разным динамическим звеньям, которые автоматически коммутируются при выполнении заведомо установленных соотношений между значениями координат объекта, регулирующего устройства и возмущений;

• создается искусственное скользящее движение в системе; характерное для нелинейных систем, которое практически не зависит от изменяемых параметров объекта. Это движение обеспечивается выбором соответствующих операторов в законе управления и порядка их переключения.

Эти системы используются как средство борьбы с изменяемыми параметрами объекта и для обеспечения высокого качества регулирования, которые являются для систем с неизменяемой структурой часто противоречивыми.

КООРДИНАЦИЯ В СЛОЖНЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ