4.4Модели структуры системы
4.4.1Понятие структуры системы
При изучении процессов функционирования внимание исследователя концентрируется на тех свойствах, особенностях поведения и характеристиках системы, которые меняются во времени. При анализе структур, напротив, интересуются свойствами и характеристиками системы, не зависящими от времени и сохраняющимися постоянными на всем промежутке функционирования или достаточно длительной его части.
Однако структурные и функциональные свойства тесно связаны между собой. Даже хорошо изучив законы функционирования отдельных элементов, но не зная структуры, нельзя представить систему как целое и, следовательно, понять, как она функционирует. С другой стороны, не зная хотя бы общих законов функционирования системы, невозможно определить её структуру. Таким образом, анализ функционирования и изучение структуры являются двумя взаимосвязанными, дополняющими друг друга стадиями исследования любой системы.
Хотя смысл понятия структуры представляется интуитивно ясным, дать ему удовлетворительноеопределениенетак-толегко. Может быть, поэтомув литературе встречается большое число различных определений структуры. В качестве примера приведем некоторые наиболее типичные из них [11].
Структура есть форма представления некоторого объекта в виде составных частей.
Структура – это множество все возможных отношений между подсистемами и элементами внутри системы.
Под структурой… понимается совокупность и взаимодействие её отдельных подсистем.
Под структурой… будем понимать совокупность элементов и связей между ними, которые определяются, исходя из распределения функций и целей, поставленных перед системой.
Структура системы – это то, что остается неизменным в системе при изменении ее состояния, при реализации различных форм поведения, при совершении системой операций и т.п.
В совокупности данные определения достаточно хорошо отражают то главное, что присутствует в любой структуре: элементный состав, наличие связей, инвариантность (неизменность) во времени. В сущности, лишь последнее свойство позволяет разграничить понятия системы и структуры. Однако учесть только инвариантность структуры еще недостаточно. Поскольку структура – это часть системы, необходимо четко указать, какая именно часть, какие свойства и признаки системы являются структурными, а какие– нет. Ответы на эти вопросы, естественно, зависят от целей исследования системы, что также необходимо учитывать. Поэтому
36
далее под структурой будем понимать совокупность тех свойств системы, которые являются существенными с точки зрения проводимого исследования и обладают инвариантностью на всем интересующем системотехника интервале функционирования или на каждом непересекающемся подмножестве, на которые разбит интервал функционирования.
Из определения следует, что структура может включать в себя как общесистемные свойства (наличие элементов, существование связей между ними и т.п.), так и специальные, присущие только данной системе и связанные с особенностями её функционирования (специфика отношений между элементами, закономерности распределения информации, материальных и иных потоков и т.п.). Определение не требует безусловной инвариантности перечисленных свойств на всем интервале функционирования, что позволяет рассматривать также системы с переменной структурой. В зависимости от целей изучения системотехника должны интересовать различныеинвариантныевовремени свойства системы. Изопределения следует, что для одной и той же системы можно построить различные структуры и между системой и её структурой отсутствует однозначное соответствие.
Формирование структуры является частью решения общей задачи построения системы, причем такой, которая не определяет заранее систему в целом, а лишь выявляет её конфигурацию. Следовательно, построение структуры – самостоятельная задача, предваряющая синтез системы в целом и облегчающая его проведение. Рассмотрим основные методы формализованного описания структурных свойств систем [11].
Таким образом, теперь, когда нам известен набор тех базовых функциональных «первокирпичиков», из которых складывается структура любых ЭРЭС, следующим логическим шагом является поиск ответа на три главных вопроса системотехники: какие ФУ соединять, каким образом и с какой целью?
Операцией, противоположной декомпозиции, является операция агрегирования, т.е. объединения нескольких элементов в целое. В самом общем виде агрегирование можно определить как установление отношений на заданном множестве элементов. При этом в системотехническом случае под элементами мы понимаем ФУ. Необходимость агрегирования может вызываться различными целями и сопровождаться разными обстоятельствами. Однако у всех ТС, являющихся результатами процесса агрегирования, есть одно общее свойство, получившее название эмерджентности. Это свойство присуще всем системам, и ввиду его важности остановимся на нём подробнее [1].
Объединённые и взаимодействующие элементы образуют систему, которая обладаетнетольковнешней целостностью, обособленностью отокружающей среды, но и внутренней целостностью, единством. Если внешняя целостность отображается моделью «черного ящика», то внутренняя целостность связана со структурой системы. Наиболее яркое проявление внутренней целостности системы состоит в том, что свойства системы не являются только суммой свойств её составных частей. Система есть нечто большее, она в целом обладает такими свойствами, которых нет ни уодной еёчасти, взятой в отдельности. Модель структуры подчеркивает главным
образом связанность элементов, их взаимодействие. Однако необходимо сделать акцент на том, что при объединении частей в целое возникает нечто качественно новое, чего не было и не могло быть без этого объединения.
В качестве демонстрации проявления этого свойства приведем пример М. Арбиба [1]. Пусть имеется некоторый цифровой автомат S, преобразующий любое целое число на его входе в число, на единицу большее входного (рисунок 4.18,а). Если соединить два таких автомата последовательно в кольцо (рисунок 4.18,б), то в полученной системе обнаружится новое свойство: она генерирует возрастающие последовательности на выходах А и В, причем одна из этих последовательностей состоит только из четных, другая – только из нечетных чисел.
а
Рисунок 4.18 – Иллюстрация внутренней целостности систем (свойства эмерджентности)
Такое «внезапное» появление новых качеств у систем и дало основание присвоить этому свойству название эмерджентности (от англ. emergence – возникновение из ничего, внезапное появление, неожиданная случайность). Новые свойства возникают благодаря конкретным связям между конкретными элементами. Другие связи дадут другие свойства, не обязательно столь же очевидные. Например, параллельное соединение тех же автоматов (рисунок 4.18,в) ничего не изменяет в арифметическом отношении, но увеличивает надежность вычислений, если на выход поступает сигнал только от одного исправного автомата.
4.4.2 Отношения, свойства и структура системы
Для того чтобы получить функционирующую ТС, иметь совокупность ФУ недостаточно, необходимо ещё правильно соединить все элементы между собой, или, выражаясь обобщенно, установить между элементами определенные связи – отношения. Совокупность необходимых и достаточных для достижения цели отношений между элементами называется структурой системы.
Когда мы рассматриваем некоторую совокупность ТО как систему, то из всех отношений важными, т.е. существенными для достижения цели, являются лишь некоторые. Точнее, в модель структуры (т.е. в список отношений) мы включаем только конечное число связей, которые, по нашему мнению, существенны по отношению к рассматриваемой цели.
В отношении участвуют не менее двух ТО, а свойством называется некий атрибут одного ТО. Свойство есть модель отношения. Говоря, что свойства какогото ТО можно использовать в технической системе, мы имеем в виду установление некоторых отношений между данным ТО и другими частями системы, т.е. включение этих отношений в структуру системы.
Техническая система есть совокупность взаимосвязанных элементов, обособленнаяот среды и взаимодействующая сней какцелое. Модели «черногоящика», состава и структуры в совокупности охватывают понятие структурной схемы технической системы, которая также является моделью данной ТС. В литературе [12] встречаются термины «белый ящик», «прозрачный ящик», подчеркивая отличие этой модели от модели «черного ящика», а также термин «конструкция системы», который используется для обозначения материальной реализации структурной схемыТС. Вструктурной схемеуказываютсявсеэлементысистемы, всесвязи между элементами внутри системы и связи определенных элементов с окружающей средой (интерфейсы, или входы и выходы системы).
Функционирование системы задается её структурой. Относительно замкнутая система с заданной структурой функционирует однозначно; функционирование полностью определяется структурой [13].
Функционирование не определяет стурктуру однозначно. Одна и та же функция может быть реализована различными структурами (свойство системотехнической инвариантности РЭС).
4.4.3 Способы соединения функциональных узлов
Все многообразие структур существующих технических систем базируется на нескольких простых правилах соединения функциональных узлов друг с другом. Известно пять базовых способов соединения функциональных узлов между собой (рисунок 4.19): последовательное (а), параллельное (б), с обратной связью (в, «–» – отрицательная обратная связь, «+» – положительная связь), дивергентное (г), кон-
вергентное (д). Знаком отмечен сумматор. Комбинация этих пяти способов порождает бесконечное многообразие существующих структурных электрических схем.
В теории автоматического управления целевые функции «черных ящиков» описываются в терминологии передаточных функций. В данном случае, привлекая изложенный выше математический аппарат описания технических систем, передаточную функцию сложных структурных схем или их отдельных участков можно определить при помощи правил, проиллюстрированных на рисунке 4.20 [14].
Внутри функциональных узлов в правой части рисунка приводятся результирующие выражения для эквивалентных передаточных функций преобразованных блоков. Необходимо отметить, что для рисунок 4.20,в отрицательная обратная связь (знак «минус» на левом рисунке) соответствует знаку «плюс» в знаменателе эквивалентной передаточной функции в блоке справа.
Рисунок 4.19 – Базовые способы соединения функциональных узлов
Рисунок 4.20 – Правила определения передаточной функции сложных цепей: а – объединение двух последовательно соединённых блоков; б – объединение двух
параллельно соединенных блоков; в – исключение петли обратной связи
В качестве примера преобразования структурной электрической схемы рассмотрим следующую задачу: дана структурная электрическая схема устройства (рисунок 4.21,а). Требуется найти еёэквивалентную передаточную функцию. Решим задачу, пользуясь правилами преобразования структурных схем (см. рисунок 4.20). Решение задачи приведено на рисунке 4.21,б.
Рисунок 4.21 – Пример применения правил преобразования структурных схем:
а– исходная структурная электрическая схема; б – функциональный узел
сэквивалентной передаточной функцией
4.4.4Пример разработки модели структуры электронных
ирадиоэлектронных средств
Рассмотрим порядок разработки модели структуры блока питания на основе модели его состава, которую мы разработали в п. 4.3.4.
Мы выявили пять компонентов: два ФНЧ, трансформатор, стабилизатор напряжения и выпрямитель напряжения. Теперь необходимо установить, в каком порядке будут связаны друг с другом данные функциональные узлы. Решение этой задачи логично начать с анализа главного полезного выхода как конечного результата преобразования системой входного процесса.
Согласно условию задачи на нагрузке должно формироваться постоянное напряжение амплитудой 5 В. Среди всех выявленных функциональных узлов только стабилизатор напряжения будет иметь на выходе стабильное постоянное напряжение с минимальным процентом пульсаций. Таким образом, выход стабилизатора напряжения необходимо подключить непосредственно к нагрузке, а стабилизатор расположить в самой правой части структурной электрической схемы блока питания, если принять, что направление чтения схем в данном случае совпадает с направлением чтения обычных текстов: слева направо.
Перед стабилизатором напряжения должен стоять ФНЧ, так как его функция сглаживать пульсации напряжения после выпрямителя. Таким образом, остается
понять, в какой последовательности должны включаться второй ФНЧ и блок трансформатора.
Из условия задачи известно, что, помимо главного полезного процесса (U~), на входе системы может иметь место нерегулярный случайный стационарный помеховый процесс, амплитуда которогонепревосходит5%амплитудногозначения полезного процесса, а диапазон частот занимает полосу от 100 до 1000 Гц. Поэтому ясно, что источником помех является сеть переменного напряжения, следовательно, ФНЧ необходимо поставить перед блоком трансформатора, чтобы помехи не проникали в блок питания, а блок трансформатора надо соединить с выпрямителем напряжения.
Таким образом, мы синтезировали модель структуры блока питания, структурная электрическая схема которого приведена на рисунке 4.22.
В результате решения задачи декомпозиции системотехник должен получить структурную схему проектируемой ТС. Пример процесса последовательной декомпозиции до уровня ЭКБ показан на рисунке 4.22.
Рисунок 4.22 – Схема декомпозиции «черного ящика» блока питания
Однако решение данной задачи усложняется из-за существования свойства системотехнической инвариантности, которое заключается в том, что одна и та же ЦФ ТС может быть реализована множеством разных способов. Отсюда следует, что
декомпозиция целевой функции дает в общем случае несколько вариантов структурных схем, из которых проектировщику нужно выбрать самый подходящий для условий конкретной проектной задачи.
Далее с целью формирования у обучающихся представления о принципах декомпозиции ЧЯ и способности ориентироваться в существующем многообразии типовых структурных схем основных ЭРЭС рассмотрим структурные схемы
иперспективы развития некоторых ТС.
4.4.5Структурные электрические схемы электронных
ирадиоэлектронных средств
На рисунке 4.23 приведена схема алгоритма изучения ЭРЭС на уровне систем и устройств.
Рисунок 4.23 – Алгоритм изучения ЭРЭС на уровне систем и устройств
В ходе исследования ТС, помимо учебных изданий, рекомендуется использовать как можно более широкий спектр источников информации: нормативную и техническую документацию, инструкции по технической эксплуатации от заводов-изготовителей, специальные технические справочники и энциклопедии, отраслевые журналы и специализированные периодические подписные издания.
Системы радиосвязи
Аналоговые системы радиосвязи. Упрощенная структурная схема канала аналоговой системы радиосвязи с амплитудной модуляцией (АМ) несущего колебания представлена на рисунке 4.24.
Рисунок 4.24 – Упрощённая структурная схема канала аналоговой системы радиосвязи
На структурной схеме для наглядности показаны эпюры сигналов в некоторых её характерных точках [7].
Одним из важных звеньев любой системы связи является источник сообщений, подлежащих передаче. Источник сообщений может быть аналоговым или дискретным. Выход аналогового источника может иметь любое значение из непрерывного диапазона амплитуд, тогда как выход источника дискретной информации – значения из конечного множества амплитуд. При использовании цифровой (дискретной) связи источники аналоговой информации преобразуются в источники
цифровой информации посредством дискретизации, квантования и оцифровки.
Многие устройства для ввода данных в компьютер осуществляют подобные операции. Например, звуковаякарта компьютера оцифровываетсигналсмикрофона, сканер дискретизирует сигнал, поступающий с фотоэлемента, и т.д.
В общем случаеисходноесообщение s s t неявляется электрическим, может иметь любую физическую природу (подвижное изображение, звуковое колебание и т.п.), поэтому его необходимо преобразовать в электрический (первичный) сигнал y t с помощью электрофизического преобразователя сигнала, который часто
совмещают с кодирующим устройством – кодером. Источником сообщения при телефонной передаче является говорящий, при телевизионной – передаваемое изображениеи т.д. При передачеречи и музыки преобразователемсигналаи кодером служит микрофон; при передаче изображения – передающие телевизионные трубки или специальные матрицы.
Передаваемый (первичный) сигнал является низкочастотным. Однако термин «низкочастотный» здесь достаточно условен, в частности телевизионный сигнал имеет спектр с полосой порядка 0–6 МГц. Поэтому в рядеслучаев первичный сигнал непосредственно передают по линии связи. Так поступают, например, в обычной городской телефонной сети. Для передачи на большиерасстояния первичный сигнал преобразуют в высокочастотный.
Необходимым условием преобразования сообщения в электрический сигнал является то, что оно должно быть обратимым. Тогда по выходному сигналу можно восстановить входной первичный сигнал, т.е. получить всю информацию, содержащуюся в переданном сообщении. В противном случае часть информации будет потеряна при передаче сигнала.
Передающее устройство включает в себя, кроме преобразователя сигнала,
передатчик (содержащий модулятор, генератор несущей частоты и усилитель мощности) и передающую антенну. Для передачи сообщения отражающий его сигнал необходимо предварительно ввести в несущее высокочастотное электромагнитное колебание. Это осуществляется в модуляторе передатчика. Несущее колебание вырабатывается генератором несущей частоты. В последние годы в качестве генераторов несущих частот используют так называемые синтезаторы частот. Кстати, отметим, что генераторы формируют когерентное несущее колебание, имеющее стабильные параметры. В частности, положение начальной фазы колебаний в течение длительного времени настолько постоянно, что приемные устройства используют это свойство и извлекают из него пользу. Без свойства когерентности несущего колебания не могли бы успешно функционировать мощные радиотехнические системы связи.
Модулированное ВЧ-колебание относят к вторичным сигналам и называют радиосигналом. Без модуляции НЧ-сигналы, отражающие сообщения разных отправителей, мешали бы друг другу из-за перекрытия их спектров. Модуляция позволяет отвести каждому отправителю сообщений индивидуальную полосучастот в соответствующем диапазоне волн. Образно говоря, модулятор «записывает»
