№1. Понятие системы.

Системой называется некая совокупность элементов, обособленная от окружающей среды и взаимодействующая с ней как некое целое. Важной особенностью системы является невозможность выполнения отдельными элементами ее функций. Данная особенность получила наименование эмерджентности. Чем сложнее система, чем больше различие между ней и составляющими ее элементами.

В системах управления любого типа выделяют следующие составные элементы множество входных сигналов X, множество выходных сигналов Y и каналы воздействия на систему возмущений V (см. рис.1.1). В формализованном виде в данные множества могут быть представлены как:

X={x₁,x₂,…,x_i} (1.1)

Y={y₁,y₂,…,y_i} (1.2)

V={v₁,v₂,…,v_i} (1.3)

2. Общая классификация систем.

Технические системы управления — это системы, кото­рые содержат в качестве элементов технические устройства и мо­гут в течение некоторого интервала времени функционировать без участия человека.

Технические системы управления имеют следующие особен­ности:

четко определенную единственную цель управления;

отсутствие человека в контуре управления;

достаточно высокую определенность исходных данных и воз­можность

формализации процессов функционирования.

В технических системах легко выделить объект управления и управляющую си­стему.

Автоматизированные системы управления — это системы, включающие в качестве элементов, как технические системы, так и персонал, взаимодействующий с этими системами.

Организационные системы возникают в обществе. В качестве такой системы выступает коллектив людей, деятельность которых сознательно координируется для достижения определенной цели.

С развитием вычислительной техники непосредственно связан процесс становления информационных технологий. Информация становится товаром, стратегическим ресурсом. Для автоматизации процесса приема, хранения, обработки и передачи информации был разработан определенный тип автоматизированных информационных систем управления.

Автоматизированные информационные системы функционируют в определенной предметной области. При этом предметную область можно определить как сферу интересов пользователей данной системы.

2. Понятие структуры системы.

Важным системным понятием является понятие элемента и структуры. Введем следующие определения: Элементом системы называется ее неделимая часть.

Структурой системой называется совокупность ее элементов связанных определенным образом. В общем виде структуру системы можно описать с помощью формулы

S={e_i,_j} (1.4) где i и j изменяются от 1..n; n – число связей в системе.

Совокупность элементов системы характеризуется определенным набором параметров состояний, которые изменяются во времени

Z={z₁,z₂,..,z_i} (1.5) где Z – множество состояний системы, а z_i – значение параметра системы. Если в процессе управления системой параметры состояния должны обладать определенными постоянными значениями, то такое состояние системы называется гомеостазисом.

С точки зрения структуры системы говорят о простых системах, сложных системах и больших.

Простые системы состоят из определенного набора элементов. Сложные системы состоят из отдельных подсистем, а большие системы это совокупность пространственно распределенных сложных систем.

2. Информация и ее меры.

Информация – это некоторая упорядоченная последовательность сообщений, отражающих, передающих и увеличивающих наши знания.

Информация актуализируется с помощью различной формы сообщений – определенного вида сигналов, символов.

Информация – содержание сообщения, сообщение – форма информации .

1 бит (binary digit – двоичное число) = 0 или 1,

1 байт 8 бит,

1 килобайт (1Кб) = 2¹³ бит,

1 мегабайт (1Мб) = 2²³ бит,

1 гигабайт (1Гб) = 2³³ бит,

1 терабайт (1Тб) = 2⁴³ бит,

1 петабайт (1Пб) = 2⁵³ бит,

1 эксабайт (1Эб) = 2⁶³ бит.

Измерение:

Наименьшее решение этого неравенства или мера разнообразия множества состояний системы задается формулой Р. Хартли:

Если во множестве X = {x₁, x₂, ..., x_n} искать произвольный элемент, то для его нахождения (по Хартли) необходимо иметь не менее log_an (единиц) информации.

Уменьшение Н говорит об уменьшении разнообразия состояний N системы.

Мера Хартли подходит лишь для идеальных, абстрактных систем, так как в реальных системах состояния системы неодинаково осуществимы (неравновероятны).

Для таких систем используют более подходящую меру К. Шеннона. Мера Шеннона оценивает информацию отвлеченно от ее смысла:

где n – число состояний системы; р_i – вероятность (относительная частота) перехода системы в i-е состояние, а сумма всех p_i должна равняться 1.

2. Информационная модель процесса управления

Управление - это целенаправленная актуализация знаний. Управление и особая форма - самоуправление, - высшая форма актуализации знаний.

Управление в системе - внутренняя функция системы, осуществляемая независимо от того, каким образом, какими элементами системы она должна выполняться.

Управление системой - выполнение внешних функций управления, обеспечивающих необходимые условия функционирования системы (см. рис. 7.1).

Рис.7.1. Общая схема управления системой

Управление системой (в системе) используется для различных целей:

1. увеличения скорости передачи сообщений;

2. увеличения объема передаваемых сообщений;

3. уменьшения времени обработки сообщений;

4. увеличения степени сжатия сообщений;

5. увеличения (модификации) связей системы;

6. увеличения информации (информированности).

Как правило, эти цели интегрируются.

Пример. Появление возможности управлять электрическими и магнитными колебаниями сделало массово доступным радио, телевидение, при этом скорость передачи информации достигла скорости света; пропускная способность телеканала по сравнению с пропускной способностью телефонного канала выросла примерно в 2000 раз, ускорение обработки - в миллионы раз. Возросла и сжатость информации, и информативность сообщений.

Управление любой системой (в любой системе) должно подкрепляться необходимыми ресурсами - материальными, энергетическими, информационными, людскими и организационными (административного, экономического, правового, гуманитарного, социально-психологического типа).

Управление - непрерывный процесс, который не может быть прекращен, ибо движение, поток информации в системе не прекращается.

Цикл управления любой системой (в любой системе) таков:

{ сбор информации о системе

обработка и анализ информации

получение информации о траектории

выявление управляющих параметров

определение ресурсов для управления

управление траекторией системы }

Основные правила организации информации для управления системой:

1. выяснение формы и структуры исходной (входной) информации;

2. выяснение средств, форм передачи и источников информации;

3. выяснение формы и структуры выходной информации;

4. выяснение надежности информации и контроль достоверности;

5. выяснение форм использования информации для принятия решений.

Если число возможных состояний системы S равно N, то общее количество разнообразия системы (мера выбора в системе - см. выше "информационные меры") равно

V(N)=log₂N.

Пусть управляемая система обладает разнообразием V(N₁), а управляющая - V(N₂). Цель управляющей системы - уменьшить значение V(N₁) за счет изменения V(N₂). В свою очередь, изменение V(N₁), как правило, влечет изменение и V(N₂), а именно, управляющая система может эффективно выполнять присущие ей функции управления лишь при условии, если верно неравенство

V(N₂) >= V(N₁).

Это неравенство выражает принцип Эшби (необходимого разнообразия управляемой системы): управляющая подсистема системы должна иметь более высокий уровень организации (или большее разнообразие, больший выбор), чем управляемая подсистема, т.е. многообразие может быть управляемо (разрушено) лишь многообразием.

Функции и задачи управления системой:

1. Организация системы - полное, качественное выделение подсистем, описание их взаимодействий и структуры системы (как линейной, так и иерархической, сетевой или матричной).

2. Прогнозирование поведения системы, т.е. исследование будущего системы.

Планирование (координация во времени, в пространстве, по информации) Асимптотическая устойчивость системы состоит в возврате системы к равновесному состоянию при t∞ из любого неравновесного состояния.

Пример. Известная игрушка "Ванька-встанька" - пример такой системы.

Пусть система S зависит от вектора факторов, переменных x=(x₁,x₂,...,x_n).

Матрицей системы назовем матрицу E=||e_ij|| из 1 и 0: e_ij=1 лишь тогда, когда переменная x_iоказывает влияние на x_j.

Связная устойчивость состоит в асимптотической устойчивости системы при любых матрицах Е.

3. ресурсов и элементов, подсистем и структуры системы, необходимых (достаточных - в случае оптимального планирования) для достижения цели системы.

4. Учет и контроль ресурсов, приводящих к тем или иным желаемым состояниям системы.

5. Регулирование - адаптация и приспособление системы к изменениям внешней среды.

6. Реализация тех или иных спланированных состояний, решений.

6. Универсальный язык моделирования UML, структурное моделирование.

Объектная методология позволяет выполнить не только анализ предметной области, но и моделирование функционирования программного обеспечения и структуры информационных систем. Причем применяться как процедура анализа, так и процедура синтеза.

В качестве нотации — графического языка может использоваться унифицированный язык моделирования UML (Unified Modeling Language). Язык UML позволяет с помощью определенного набора диаграмм, документировать модели информационных систем и ПО. При этом различают следующие виды моделирования:

• структурное моделирование;

• моделирование поведения систем;

• архитектурное моделирование.

Структурное моделирование

Структурное моделирование предусматривает выделение в предметной области определенного набора классов и определения взаимосвязей между ними. В результате формируется диаграмма классов (Static Structure Diagram).

Класс UML в общем виде отображается с помощью следующей структуры, показанной на рисунке 1.1.

Рис.1.1. Структура класса.

Атрибуты – это свойства, которые хранят информацию о наиболее существенных характеристиках реального объекта предметной области, выбранные разработчиком. Атрибуты задаются в следующем виде:

Доступ Название атрибута: Тип

Для указания доступа к атрибутам используются следующие условные обозначения, описанные в таблице 1.2.

Таблица. 1.2. Доступ к атрибутам.

Условное обозначение	Описание
-	Protected (Закрытый). Доступ к атрибуту возможен только в операциях класса
+	Public (Глобальный). Атрибут доступен в операциях класса и в любом месте модели, где получен экземпляр класса
#	Protected (Защищенный). Доступ к атрибуту возможен в любой операции класса и подклассах

Определение операции:

Доступ Наименование([параметры]):

[Тип Возвращаемого значения]

Задание параметров:

[Спецификация] Название: Тип

Спецификация параметров:

in – Принимает значение;

out ­– Возвращает значение;

inout – принимает и возвращает значение.

На диаграмме классов принято выделять следующие связи:

Зависимость: Один объект зависит от описания другого. Если это описание меняется, то следует изменить и зависимый объект (см. рисунок 1.3).

Рис.1.3. Класс A зависит от класса B.

Ассоциация: Один объект содержит другой. В UML объекты, связанные отношением ассоциации, соединяются друг с другом. Ассоциация может быть указана со стрелкой или без нее.

В ассоциации допускается указывать роли – место, занимаемое объектом в отношении (см. рисунок 1.4).

Рис. 1.4. Связь с ролями.

Язык UML позволяет отображать множественность (кратность) ассоциации (зависимости). Множественность обозначает возможное количество объектов, участвующих в ассоциации. В таблице 1.3. приводятся кратности ассоциации, а на рисунке 1.5 приводится пример ассоциации между классами с кратностью.

Таблица 1.3. Кратности ассоциации.

Обозначение	Значение
1	Один
*	Любое число
1..*	Не меньше одного
х..у	От х до у

Рис.1.5. Связь один ко многим.

Агрегирование: Вид ассоциации, используется для моделирования «Целое/Часть» между равноправными классами. Изображается сплошной линией с не закрашенным ромбом на конце (см. рисунок 1.6).

Рис. 1.6. Агрегация между классами.

Композиция: Вид ассоциации, моделирующий отношение «Целое/Часть» между неравноправными классами. Часть, находящаяся в отношении композиции с целым, не является независимой от целого. Изображается композиция сплошной линией с закрашенным на конце ромбом на конце соответствующим отношению «Целое/Часть» (см. рисунок 1.7).

Рис. 1.7. Композиция.

Обобщение: Такое отношение отражает связь между общим и конкретным. Представляет собой наследование. При наследовании выделяют родительский класс – суперкласс и подкласс (наследник). Подкласс наследует от суперкласса зачищенные и глобальные атрибуты и операции. Изображается обобщение сплошной линией с не закрашенной стрелкой. Стрелка должна указывать на суперкласс (см. рисунок 1.8).

Рис. 1.8. Наследование. Класс A является суперклассом для класса B.

7. Универсальный язык моделирования систем UML, архитектурное моделирование систем.

Объектная методология позволяет выполнить не только анализ предметной области, но и моделирование функционирования программного обеспечения и структуры информационных систем. Причем применяться как процедура анализа, так и процедура синтеза.

В качестве нотации — графического языка может использоваться унифицированный язык моделирования UML (Unified Modeling Language). Язык UML позволяет с помощью определенного набора диаграмм, документировать модели информационных систем и ПО. При этом различают следующие виды моделирования:

• структурное моделирование;

• моделирование поведения систем;

• архитектурное моделирование.

Архитектурное моделирование

Архитектурное моделирование системы выполняется на основе:

диаграмм компонентов (Component Diagram);

диаграмм развертывания (Deployment Diagram).

Основными элементами таких диаграмм являются:

компоненты;

узлы;

интерфейсы.

Условные обозначения элементов архитектурного моделирования приведены в таблице 1.6.

Таблица 1.6. Условные обозначения.

Элемент	Описание
	Компонент
	Узел вычислительной системы
	Интерфейс

Компонент представляет собой физическую часть системы. В компьютерных информационных системах компонент этот набор битов, который обрабатывается процессором. Компонент может представлять собой исполняемый программный код, либо электронный вариант документа.

8. Универсальный язык моделирования систем UML, моделирование поведения систем.

Объектная методология позволяет выполнить не только анализ предметной области, но и моделирование функционирования программного обеспечения и структуры информационных систем. Причем применяться как процедура анализа, так и процедура синтеза.

В качестве нотации — графического языка может использоваться унифицированный язык моделирования UML (Unified Modeling Language). Язык UML позволяет с помощью определенного набора диаграмм, документировать модели информационных систем и ПО. При этом различают следующие виды моделирования:

• структурное моделирование;

• моделирование поведения систем;

архитектурное моделирование

Моделирование поведения системы

Моделирование поведения системы средствами UML выполняется путем использования:

диаграмм прецедентов (Use Case Diagram);

диаграмм активности (Activity Diagram);

диаграмм взаимодействия (Sequence Diagram, Collaboration Diagram).

Диаграмма прецедентов

Прецедент – множество последовательностей действий для получения инициатором действий определенного результата. Инициатор действий это актер. Актер – связанное множество ролей, которые реализуются пользователями системы.

Рис. 1.16. Пример диаграммы прецедентов.

Диаграмма активности---Диаграммы активности моделируют динамический аспект поведения системы. Такая диаграмма документирует некую деятельность системы. Деятельность реализует определенную функцию системы. Она состоит из набора состояний.

Состояния бывают двух типов:

состояния действия;

состояния деятельности.

Диаграммы взаимодействия--Диаграммы взаимодействия используются для отображения объектов, отношений между ними и сообщений которыми они обмениваются. Диаграммы взаимодействий реализуются в виде:

диаграммы последовательностей (Sequence Diagram);

диаграммы кооперации (Collaboration Diagram).

9. Универсальный язык моделирования систем UML, конечные автоматы.

Объектная методология позволяет выполнить не только анализ предметной области, но и моделирование функционирования программного обеспечения и структуры информационных систем. Причем применяться как процедура анализа, так и процедура синтеза.

В качестве нотации — графического языка может использоваться унифицированный язык моделирования UML (Unified Modeling Language). Язык UML позволяет с помощью определенного набора диаграмм, документировать модели информационных систем и ПО. При этом различают следующие виды моделирования:

• структурное моделирование;

• моделирование поведения систем;

архитектурное моделирование