2.3 Системы

Основным понятием теории систем, кибернетики, системного анализа является понятие системы, которое до настоящего времени не получило окончательного определения. Очевидно, системой можно назвать любой объект, созданный для достижения определенной цели. Отсюда вытекает, что система – это средство достижения цели, которая отображается в названии системы (например, система управления технологическим процессом изготовления пара). В приведенном определении системы ничего не говорится о ее внутреннем строении. Поэтому систему можно отобразить как “черный ящик“, выделенный из окружающей среды ( рис. 2.1). Это отражает два важных свойства системы: целостность и наличие внешней оболочки, причем этот ящик не является полностью изолированным от среды.

Достижение цели, как результата целенаправленной деятельности системы, – это запланированные заранее изменения в окружающей среде. Это означает, что система связана с окружающей средой и с помощью этих связей влияет на нее. Эти связи называют выходом системы.

Система является средством достижения цели, поэтому внешняя среда имеет возможность использования системы, влияния на нее с помощью связей, которые называют входом системы.

Множество входных действий можно записать как , а множество выходных величин как . Главной причиной многочисленности входов и выходов черного ящика является то, что всякая реальная система взаимодействует с объектами окружающей среды разными средствами. Причем часть входов может быть известной, а часть – неизвестной. Из тех, что известны, часть – управляемые, а остальные – неуправляемые. Среди выходов есть такие, характер влияния которых на окружающую среду неизвестен. Это усложняет представление системы в виде черного ящика. При анализе системы из множества связей надо выбрать конечное их число для включения в множества X и Y. Критерием отбора является целевое назначение системы, т.е. цель ее деятельности.

Очевидно, вопрос внутреннего строения системы невозможно решить с помощью модели черного ящика, поскольку ее целостность и обособленность выступают как внешние свойства. Внутренность ящика, т.е. системы, состоит из определенных частей. При этом некоторые части также могут быть разбиты на составляющие.

Те части системы, которые являются неделимыми, называются элементами, а те, что содержат более одного элемента, называются подсистемами. В результате декомпозиции системы получают перечень подсистем и элементов, из которых она состоит. Граница дробления системы на подсистемы и элементы определяется целью построения системы. Подсистемы и элементы системы имеют свои цели. Цели низших уровней декомпозиции подчинены целям высших уровней, т.е. существует иерархия целей. Цели подсистем и элементов могут не совпадать с целями всей системы.

Для достижения поставленных целей недостаточно выбрать определенный элементный состав системы. Необходимо еще правильно соединить подсистемы и элементы по их входам и выходам, т.е. установить межэлементные связи (отношения). Совокупность подсистем, элементов и отношений между ними называется структурой системы.

Структуру системы удобно представить в виде структурной схемы, на которой изображены подсистемы, элементы и связи между ними. В качестве примера на рис. 2.2 представлена структурная схема системы автоматического регулирования (САР) скорости вращения электродвигателя с отрицательной обратной связью по скорости.

Это простейшая САР, в которой осуществляется процесс автоматического регулирования скорости ω вращения входного вала рабочего органа технологической машины на уровне, который задается входным сигналом u_зад. Фактическое значение скорости измеряется с помощью датчика скорости, на выходе которого формируется сигнал u_о.с обратной связи. Элемент сравнения (алгебраический сумматор) формирует на своем выходе сигнал =u_зад -u_о.с рассогласования. Сигнал обрабатывается управляющим устройством – регулятором по определенному алгоритму (закону). Регулятор подает сигнал управления на вход усилителя мощности. Последний преобразует слабый по мощности информационный сигнал в поток энергии, которую потребляет электродвигатель для осуществления механической работы. В этой САР реализуется принцип регулирования по отклонению. Это означает, что чем больше сигнал рассогласования , тем больше сигнал управления и мощность потока энергии, которую потребляет двигатель. Благодаря этому скорость ω вращения вала двигателя (входного вала рабочего органа технологической машины) приближается к заданной. Таким образом, структура САР скорости благодаря элементному составу и взаимосвязям между структурными элементами обеспечивает достижение поставленной цели ее функционирования.

Подытоживая все сказанное о структуре, можно дать определение системы через ее строение: система – это совокупность взаимосвязанных элементов, отделенных от внешней среды и взаимодействующих с ней как одно целое.

Важным этапом системного анализа является классификация системы, которая исследуется. Элементы системы могут быть материальными объектами или идеальными конструкциями. Классификация необходима, чтобы выбрать один из известных способов анализа системы.

Прежде всего, системы делятся на открытые и закрытые. Система считается закрытой, если ее свойства сохраняются при изменении условий окружающей среды. Это устойчивая система, которая сохраняется при влиянии внешних воздействий. Устойчивость систем естественно рассматривать на интервалах времени их функционирования, поэтому требования к определению закрытости могут быть смягчены: Закрытой можно считать систему, у которой элементы и их взаимосвязи подвергаются влиянию извне, но продолжают принимать участие в достижении цели функционирования системы. В противном случае систему называют открытой.

Системы бывают материальными и идеальными. Идеальная конструкция строится средствами мышления и отображается в виде текста, математических формул. Материальная конструкция – это реальное отображение системы в виде материального объекта.

В соответствии с назначением системы могут отображать искусственные, естественные и смешанные объекты. Элементы системы и их взаимосвязи могут быть описаны качественно и количественно. Системы могут управляться извне, быть самоуправляемыми и с комбинированным управлением.

Структура системы отображает ее в некоторый момент времени. Если состояние системы во времени не изменяется, то она может считаться статической. Системы, в которых со временем происходят изменения, называются динамическими. К числу последних относятся, например, системы управления технологическими машинами и процессами.

Различают два типа динамики систем: функционирование и развитие. Функционирование – это процессы, которые происходят в системе и ее окружении при реализации поставленной цели. Развитие – это то, что происходит с системой при изменении цели. Чертами развития являются изменения структуры и взаимосвязей элементов системы, если существующая система не способна функционировать так, как это нужно для достижения новой цели. При перестройке системы некоторые элементы и подсистемы старой структуры могут продолжать функционировать по своим алгоритмам. Возможны и такие системы, для функционирования которых отдельные подсистемы должны постоянно развиваться.

Способы математического описания динамических систем разнообразны. В общем виде математическим представлением системы является тройка , где T – множество отрезков времени ; E – множество элементов; R – множество взаимосвязей (т.е. поведение системы по определенным законам).

Рассматривая выход y() системы (это может быть вектор) как ее реакцию на управляемые u() и неуправляемые v() входы, можно считать y() результатом некоторого преобразования Ф процесса , т.е. y()=Ф(x()). “Черный ящик” предполагаает, что это преобразование неизвестно. В том же случае, когда он превращается в “белый ящик”, соответствие между входом и выходом можно описать каким-либо способом.

Технические системы инерционны, т.е. не могут изменять свое состояние мгновенно. Реальные системы не только инерционны, но и подчинены принципу причинности. Согласно к этому принципу, отклик системы на некоторое воздействие не может начаться раньше самого воздействия. Однако, имея модель процесса в системе в виде, например, математического выражения, можно прогнозировать результат того или иного влияния на реальную систему.

Могут существовать системы с неизвестными нам целью и структурой. Тогда возникает задача изучения этих систем. А может возникнуть задача создания системы для исследования какого-то явления. Законы природы не запрещают создания систем искусственного интеллекта. Поэтому даже на современном уровне знаний достижение этой цели не исключается.

При системном анализе искусственных и естественных объектов часто применяют такие понятия как простая (малая) и сложная (большая) система. Характеристика сложности субъективна. Специфической особенностью сложных систем является то, что наше знание о них ограничено. Чтобы сложная система превратилась в простую, необходимо выяснить причину сложности, получить дополнительную информацию о свойствах системы, т.е. снизить ее энтропию. Можно, если это допустимо, изменить цель системы, что может привести к снижению ее сложности.