17.1.4. Основные характеристики систем

Ниже приводятся основные понятия, которые дают представление осистемах, характеризуют их строение и функционирование.

В связи с иерархичностью систем очень важны понятия, характеризующие структуру, состояние, поведение и другие параметры системы.

1. Структура системы – это фиксированная совокупность элементов, подсистем и связей между ними. В общей теории систем под структурой понимают множество связей между элементами, т.е. структура является картиной, которая отображает только конфигурацию системы, не учитывая специфику составных её элементов. Такое толкование её понятия является удобным при структурном подходе к изучению свойств разнообразных систем — систем с параллельными, последовательными, иерархическими структурами, обратными связями. На практике понятие структура объединяет не только множество связей, но и множество элементов, между которыми существуют связи. Структуру часто подают в виде иерархии.

Чаще всего структура системы изображается в форме графа: элементы и подсистемы системы – это вершины графа, а связи – дуги (ребра) графа.

2. Связи обеспечивают возникновение и сохранение структуры и целостных свойств системы. Это понятие одновременно характеризует построение (статику) и функционирование (динамику) системы. Связи разделяют по месту прокладывания (внешние и внутренние), по направленности процессов в системе в целом или в отдельных ее подсистемах (прямые и обратные) и по некоторым более частичным признакам.

3. Иерархия многоуровневая (расположение частей или элементов целого в порядке от высшего к низшему) – упорядоченность компонентов системы по степени весомости. Между уровнями иерархической структуры могут быть взаимоотношения строгого подчинения компонентов низшего уровня одному из компонентов высшего уровня. Такие иерархии называют сильными. Тем не менее, между уровнями иерархической структуры могут быть связи и в пределах одного уровня иерархии. Такие структуры называются иерархическими структурами со слабыми связями.

4. Анализ или декомпозиция – дробление сложной системы на подсистемы и элементы с установлением иерархии между ними. В первую очередь это делается с целью расчёта критериев эффективности подсистем и элементов, что упрощает решение задачи расчета критерия эффективности всей сложной системы.

На верхнем иерархическом уровне система рассматривается как совокупность взаимодействующих подсистем. При этом описание каждой подсистемы не должно быть слишком подробным, так как это приведет к чрезмерной громоздкости описаний и невозможности решения оптимизационных задач. То, что на k-м уровне называлось элементом, становится системой на более низком (k+1)-м уровне. То есть на следующем иерархическом уровне подсистемы уже рассматриваются как системы, которые состоят из некоторых частей, и имеют более подробное описание. Данный иерархический уровень является уровнем подсистем. Часто элементы наиболее низкого уровня называют базовыми, или компонентами.

Процесс декомпозиции описаний и поблочного их рассмотрения с возрастающей детальностью продолжается вплоть до получения описаний конечных, неделимых элементов. Таким образом, уровни абстрагирования различаются по степени детализации представлений об объекте.

5. Синтез или композиция, агрегатирование – процесс, обратный анализу или декомпозиции. Это процесс восстановления целостности объекта, объединения элементов и подсистем, сведения в систему, то есть в объект с новым качеством, отличным от качества составляющих его составляющих.

Процедуры анализа и синтеза являются единой и обязательной составляющей любого процесса научного познания, в том числе процесса развития, оптимизации систем.

Анализ – начальный этап этого процесса. При анализе происходит переход от общего, нерасчлененного описания изучаемого объекта к выявлению его строения, состава и отдельных свойств, исследования выделенных свойств. При синтезе восстанавливается целостность исследуемого объекта, но уже при учёте полученных знаний о его внутренней структуре и о закономерных связях его сторон и свойств.

6. Состояние – мгновенная фотография, «срез» системы, остановку в её разрезе. Состояние определяют или через входные действия и выходные результаты, или через макропараметры, макросвойства системы, например, скорость, ускорение, сигналы и т.п.

7. Поведение – способность системы переходить из одного состояния в другое (например s₁→s₂→s₃). Этим понятием пользуются, когда неизвестные закономерности переходят из одного состояния в другое.

8. Равновесие – способность системы при отсутствии внешних возмущающих или постоянных действий сохранять свое состояние как можно дольше.

9. Стабильность – способность системы возвращаться к состоянию равновесия после того, как она была выведена из этого состояния под влиянием внешних возмущающих факторов.

10. Цель – идеальная направленность; она дает возможность предусмотреть перспективу или реальные возможности, которые обеспечивают своевременность завершения определенного этапа на пути к идеальному направлению. Понятие цель связано с понятиями целеустремленности, целесообразности.

На каждом уровне иерархии соответствующая система, подсистема, элемент характеризуется параметрами и переменными.

11. Переменные – величины, которые характеризуют физическое и информационное состояние объекта.

12. Параметр – величина, которая характеризует свойства или режим работы системы. Параметры делятся на внутренние и внешние, входные и выходные.

13. Входные параметры – параметры, которые влияют на функционирование объекта. Применительно к ЭТС – это физические параметры входных потоков сырья или исходных продуктов, а также параметры различных физико-химических или других аналогичных воздействий окружающей среды на функционирование ЭТС. С точки зрения вычислительных процедур входные параметры ХТС могут выступать двояко: быть исходными данными расчёта ХТС в целом или рассчитываться в процессе решения задачи оптимизации на каждом этапе перехода от подсистемы к подсистеме, от элемента к элементу.

14. Выходные параметры – показатели качества, характеризующие правильность и эффективность функционирования объекта. Применительно к ЭТС – это физические параметры материальных и энергетических потоков на выходе из ЭТС, подсистемы, элемента. При структурно-модульном (или блочно-иерархическом) подходе при последовательном расположении элементов выходные параметры k-го уровня являются входными параметрами (k+1)-го уровня.

С точки зрения вычислительных процедур выходные параметры ХТС могут быть аналогичны понятию показатель эффективности, но применяется при расчёте систем, подсистем и элементов, то есть на любом иерархическом уровне.

15. Внутренние параметры – это характеристики объекта на данном уровне иерархии. Внутренние параметры ХТС подразделяются на топологические (параметры структуры, схемы ХТС, подсистемы и элемента), режимные (технологические) и конструктивные (в элементах, оборудовании ЭТС).

Режимные параметры подразделяются на параметры сред в ЭТС и на параметры сред в подсистемах, в элементах ЭТС. Параметры сред в ЭТС связывают между собой подсистемы и элементы. К режимным параметрам относятся параметры состояния сред (массовый расход, состав, концентрация, температура, давление, энтальпия и т. д.) и параметры свойств сред (теплоёмкость, коэффициент теплопроводности, вязкость, плотность и пр.).

Конструктивные параметры – это геометрические и другие характеристики элементов ЭТС, влияющие на эффективность их работы. Например, для теплообменников, состоящих из кожухотрубных аппаратов – это основные характеристики сечения аппарата: диаметр кожуха, диаметр теплопередающих труб, шаг между трубами, число труб в пучке, число и размеры ходов по трубной зоне, размеры и шаг между перегородками в межтрубной зоне и т. п.

16. Внешние параметры – внешние относительно объекта, влияющие на его функционирование. При многоаспектном рассмотрении технических систем, которые включают физически разнородные подсистемы и элементы, роль внешних переменных для данной подсистемы играют переменные других подсистем, которые влияют на данную подсистему.

17. Ограничение выходных параметров (технические требования к выходным параметрам) – предельные значения допустимых по техническому заданию (ТЗ) диапазонов изменения выходных параметров.