1 КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

УПРАВЛЕНИЯ

1.1 Система и ее характеристики

1.1.1 Система как множество взаимосвязанных элементов

Под системой обычно понимают множество взаимодействующих элементов любой природы , составляющих целостное образование.

Представление о ситеме связано с такими понятиями, как элемент, подсистема, структура, связь , отношение .

Система - это некоторая упорядоченная совокупность элементов. Признаком системы является наличие связи между элементами, объединенными общим правилом или закономерностью. Элемент, не имеющий ни одной связи с другими элементами, не входит в рассматриваемую систему. Одни и те же элементы в зависимости от их взаимосвязей могут образовывать системы с различными признаками.

Взаимодействия (взаимосвязи) между элементами определяют особое свойство системы, называемое организованной сложностью. Изменение тех или иных связей, добавление или исключение элементов приводит к изменению следующих связей, а следовательно, к изменению характеристики системы.

Организованная сложность определяет наличие у системы таких свойств, которые не являются суммой характеристик элементов, а присущи только системе. Т.е. система обладает свойствами, отличными от свойств элементов, составляющих ее, и выполняет функции, отличные от функций ее элементов. При делении системы на части эти функции перестают существовать. (СУП и подсистемы).

Признаком, объединяющим элементы в систему, является их направленность на достижение одной и той же цели.

Примеры систем: техническое устройство, состоящее из отдельных узлов и деталей, живой организм, состоящий из клеток, коллектив людей, завод, государство и т. д.

Системы разнообразны, поэтому выявлены следуюшие свойства, которые присущи всем системам и используются для определения свойств системы:

1. Всеобщность. В качестве системы могут рассматриваться все без исключения предметы, явления , процессы , не зависимо от их природы . Происходит абстрагирование конкретной сути предмета , явления , процесса и т. д.

2. Множественность систем заключается в том , что одна и та же совокупность элементов представляет не одну , а множество систем , каждая из которых определяется относительно конкретного системообразующего свойства или отношения .

3. Относительность и конкретность заключается в том , что деление объектов на системы и несистемы правомочно лишь относительно конкретно заданных свойств Р и отношений R.

Рассмотрение некоторого объекта безотносительно конкретных Р и R бессмысленно.

4. Эмерджентность - свойство или наличие свойств системы , не выводимых из известных или наблюдаемых свойств элементов . Это свойство отражает тот факт, что состояние системы C(S) зависит или является функцией состояния ее элементов и отношение между ними.

C(S)=f(C(m),R(m)) (1.1)

Свойство системы приобретаемое за счет отношения R(m) и не выводимое из C(m) называтся эмерджентным. Способ действия системы является свойством системы, как целого, так как он зависит не только от способов действия отдельных элементов, но и от структуры системы.

5. Упорядоченность - это свойство, обусловленное наличием в системе структуры.

6. Вход и выход. Система вступает в контакт с окружающей средой только посредством своих входов и выходов.

7. Эквипотенциальность - это объективное свойство системы, позволяющее рассматривать любую систему как подсистему другой более общей системы , и наоборот , рассматривать подсистему в качестве системы , образованной другими подсистемами меньшего масштаба или значения.

1.1.2 Классификация систем

В общем плане все системы можно разделить на материальные и абстрактные.

Материальные системы представляют собой совокупность материальных объектов (технических, химических, биологических, смешанных). Особые системы : эрготехнические (человек-машина-АСУ) , социальные - связанные с общественными отношениями в производстве.

Абстрактные системы являются продуктом человеческого мышления - знания, теории, гипотезы.

Различают также статические и динамические системы. Статическая система сохраняет свое состояние в определенный период времени.

Динамические системы изменяют свое состояние во времени. Динамические системы, у которых состояние элементов можно определить в любой предшествующий или последующий момент времени называются детерминированными. Если же подобное определение состояния системы невозможно, то она относится к классу вероятностных (стохастических) - например, барабан с шарами.

По характеру взаимодействия системы и внешней среды различают: закрытые и открытые системы. Внешняя среда - это множество существующих вне системы элементов любой природы, оказывающих влияние на рассматриваемую систему. Такое влияние элемента внешней среды на систему возможно , если имеется его связь с систеиой . Границы системы можно определить, разрывая те связи, которые не влияют на состояние системы. Невозможно исследовать систему, границы которой не определены, поэтому должны быть выявлены существенные связи и отделены от маловажных. Но для этой цели не существует формального аппарата, т.к. полностью не определены задачи, которые должна решать конкретная система. Если задана цель функционирования системы, то задача упрощается.

Выявление связей очень трудная задача, особенно на разных стадиях исследования системы. По мере исследования и уточнения знаний о системе, составления все более точной ее модели, границы системы постоянно уточняются.

Замкнутой называют систему, в которой любой элемент имеет связи только с элементами самой системы. Замкнутая система не имеет связи с внешней средой, ее элементы взаимодействуют только друг с другом. Но замкнутая система - абстракция, реальных таких систем не существует. Однако это понятие удобно для анализа искусственно созданной системы.

Открытой называют систему, у которой хотя бы один элемент имеет связь с внешней средой, что позволяет ей сохранять высокий уровень организованности.

По сложности и по числу элементов, входящих в системы, они делятся на простые, сложные и большие.

Простая система - это система, состоящая из небольшого числа элементов (10-10и не имеющая разветвленной структуры (10 - 10³).

Сложная система - это система с разветвленной структурой и большим числом элементов (подсистем), являющихся в свою очередь простыми системами. Количество элементов в таких системах колеблется в пределах 10² - 10⁷.

Большая система - это сложная система, имеющая подсистемы с собственными подцелями, но подчиненные цели системы, наличие большого количества связей (материальных, информационных, энергетических) между подсистемами и внутри подсистем, наличие в системе элементов самоорганизации, участие людей, машин и природной среды (10² - 10⁷ элементов). Понятие большой системы введено из-за невозможности ее точного и подробного описания.

Суперсложная система - это система, содержащая более 10³⁰ элементов.

Множество элементов, составляющих систему, для облегчения анализа и исследования системы можно разделить (декомпозировать) на подсистемы. (Определения функций разработки математических моделей)

Подсистема - выделенное из системы по определенному признаку или правилу целенаправленное подмножество элементов. В то же время каждую из выделенных подсистем можно в свою очередь делить на еще более меньшие подсистемы и т.д.

Отличие системы и подсистемы.

Правило объединения элементов в системе является более общим, а для подсистем - более частным, т.к. при объединении подсистем в систему учитывается подсистема без внутреннего ее рассмотрения, а в подсистеме уже рассматриваются сами элементы. Любая система , как нечто целое , в то же время является частью, подсистемой более крупной системы.

Декомпозиция системы позволяет выделить подсистемы различных уровней или рангов. Число уровней, число подсистем может быть самым различным. Такое деление называют иерархией.

Одну и ту же систему можно делить на подсистемы по-разному, в зависимости от выбранного правила объединения элементов в подсистеме. Лучшим правилом является то, которое обеспечивает системе эффективное достижение цели.

S 0^й уровень

S₁₁ S₁₂ 1^й уровень

S₁₁₁ S₁₁₂ S₁₂₁ S₁₂₂

2Й уровень

Структура - совокупность связей между элементами системы, отражающая их взаимодействие.

Структура - это строение, расположение, порядок.

Исходя из рассмотрения структуры для каждой подсистемы выделяют вышестоящие и подчиненные подсистемы для каждого уровня. Связи между подсистемами бывают: горизонтальные по уровням и вертикальные между уровнями. Связи системы со всеми подчиненными подсистемами считаются внутренними, а в вышестоящие - внешними. Связи, как правило, направленные во внутрь системы - это входы, из системы во внешнюю среду - выходы. Т.к. подсистемы считают самостоятельной единицей, то у каждой из них существуют свои входы и выходы.

В соответствии с иерархической структурой выделяют 4 типа входов и выходов по уровням:

(n+1) ВС n+1

x₁₄ y₁₄

x₁₁

n^й уровень n₁ n₂

x₁₃ y₁₃ y₁₁

x₁₂ y₁₂

(n-1)^й уровень (n-1)₁ (n-1)₂

x₁,y₁ - связи с вышестоящей подсистемой;

x₁₁,y₁₁ - связи с системой на одном уровне;

x₁₂,y₁₂,x₁₃,y₁₃ - cвязи с подчиненными подсистемами;

x₁₄,y₁₄ - связи с ВС.

Каждая подсистема в иерархической структуре выполняет свои функции, но согласованные с главной или глобальной целью функционирования системы. Функции подсистемы - это целенаправленный набор действий, операций или процедур.

Функции системы связаны с 2 группами преобразований.

Первая связывает входы системы X с ее состояниями W. Она означает, что при определенном наборе значений входных параметров X система придет в некоторое состояние, характеризуемое значениями W.

Вторая группа преобразований связывает состояние системы W с ее выходами Y, т.е. при определенном наборе значений внутренних параметров W эти преобразования обеспечат некоторый набор значений выходов Y.

В итоге, с точки зрения внешней среды функции системы заключаются в том, чтобы при определенном наборе значений входных параметров X, получить соответствующий набор выходных параметров Y.

Проектирование СУ заключается:

1) в определении содержания множеств X, W, Y;

2) в изучении зависимостей между ними и возможность преобразования множеств X в W и W в Y;

3) в выборе и реализации оптимальных преобразований.

Пример.

Для системы S определены:

X­={Xi} - множество входов;

W={Wi} - множество параметров, характеризующих состояние системы;

Y={Yi} - множество выходов.

Для каждого Xi существует область определения XiX, в которой он принимает текущее значение x_i  Xi, для каждого Wi своя область определения Wi W с текущими значениями w_i  Wi и для каждого Yi существует своя область YiY, в которой текущее значение y_iYi.

Т.о. имеем пространство входов X  (x_1*x_2*...), W( w_1*w₂...) пространство состояний, Y ( y_1*y_2*...) пространство выходов.

Тогда выполняемые системой преобразования представим отображениями: G : W Y; T: XW; M : XY. Система определяется как

S = (X_*W_*Y).

Для определения внешних и управляющих воздействий рассмотрим

схему

Внешняя среда

Система управления

Информация о Управляющая подсистема

внешней среде

Управляющий Управляющая Исполнительный

элемент информация элемент

Управляющее

воздействие

Управляемый Управляемая

объект подсистема

Обратная связь

( информация о состо-

янии объекта )

Внешние возму-

Внешняя среда щающие воздейст-

вия

Управление возможно лишь при наличии информации в СУ.

СУ имеет три основных элемента:

1. Объект, которым управляют ( станок, завод, отрасль ( .

2. Управляющий элемент ( человек, техническое устройство), получающий информацию о состоянии объекта, внешней среде. На ее основе этот элемент вырабатывает решение ( управляющую информацию/.

3. На основе выработанного решения исполнительный элемент ( рука рабочего, аппарат министерства, администрация цеха ( осуществляет управляющее воздействие на управляемый объект.

СУ делят на две подсистемы: управляемую ( объект ( и управляющую ( управляющий и исполнительный элемент/.

Самым главным является управляющий элемент, т.к. он должен обладать способностью своевременно перерабатывать информацию, выработать управляющее воздействие и довести его до исполнителя и до объекта управления.

Причем на каждое возможное состояние управляющий элемент должен отреагировать конкретным решением. Это положение известно как закон необходимого разнообразия согласно которому управляющий элемент должен обладать по крайней мере не меньшим разнообразием, чем ОУ.

Управляющие воздействия, поступающие из управляющей подсистемы в управляемую подсистему могут иметь различный характер: энергетический, материальный, информационный - в зависимости от природы управляемого объекта.

2. Системный анализ

1. Принципы системного анализа

Системный анализ (СА) - это методология решения сложных проблем большого масштаба - выбор направления развития производства, определение политики в области развития ресурсов и т.д.

Под системным анализом понимают всестороннее, систематизированное изучение сложного объекта в целом, вместе со всей совокупностью его внешних и внутренних связей. Системный анализ позволяет выявить имеющиеся возможности улучшения функционирования объекта.

На современном уровне развития он еще не является научным методом в строгом смысле, т.к. для ряда его этапов формальный аппарат не существует. Эти этапы выполняются на содержательном уровне, на основе логики, здравого смысла, инженерного опыта и интуиции. Однако уже сейчас число неформализованных этапов быстро сокращается и системный анализ относится с полным правом к научным методам изучения сложных систем. Для системного подхода характерными признаками являются:

1. Одновременный охват проектированием большого числа задач.

2. Максимальная типизация и стандартизация решению

3. Относительная автономность разработки подсистем;

4. Организация централизованного информационного, математического, программного и технического базисов системы.

Системный подход предлагает изменение последовательности выполнения работ по каждой задаче. Одно из существующих изменений заключается в том, что прежде, чем приступить к разработке машинного алгоритма и программы решения задачи, их взаимно увязывают по информации.

Преимущества системного подхода следующие: исключение избыточного дублирования информации; сведение к минимуму дублирования в программировании за счет использования стандартных программ; возможность построения интегрированной системы обработки информации; возможность системного решения вопроса выбора комплекса технических средств КТС.

Одним из важнейших приложений системного подхода к производственному планированию является составление и реализация комплекса моделей для всех уровней планирования. Эти задачи в целом можно рассматривать как систему моделей, выражающих единый и непрерывный поиск наилучших условий реализации плана.

Принципы системного подхода

Принцип целеобусловленности исходит из положения о первичности цели, согласно которому любая экономическая и техническая система создается для достижения конкретной цели. Например: выпуск продукции в заданных объемах и установленного качества.

В процессе функционирования системы ее цели могут меняться. Соответственно этому изменяется структура системы и выполняемые ею функции.

Принцип относительности заключается в том, что любая система рассматривается как часть более общей системы. Из этого принципа следует, что система как целое изучается при учете свойств ее подсистем и, наоборот, свойства подсистем определяются из свойств системы в целом. Таким образом ни одна система не может рассматриваться изолированно, поскольку она является элементом другой системы.

Этот принцип устанавливает также иерархию организацию системы и иерархию целей. При этом цели функционирования системы задаются вышестоящей системой.

Принцип управляемости - сложная организационная система имеет свойства кибернетической системы, обладает иерархической структурой системы управления, связанной с управляемыми объектами прямыми и обратными связями.

Принцип связности - является следствием категории сложности. Он устанавливает, что система связана не только с входящими в ее состав подсистемами и элементами, но и с ее внешней средой, которая воздействует на систему, а последняя, в свою очередь, влияет на внешнюю среду. Из этого принципа следует, что при изучении системы необходимо рассматривать комплекс, состоящий из вышестоящей системы (внешней среды), изучаемой системы и ее подсистем. Критерии на входе задает старшая система, а исследуемая система свободна в выборе внутренних критериев.

Принцип моделируемости - изучение сложных систем возможно исключительно с помощью моделей. Основным методом моделирования сложных систем является их математическое описание, которое представляет собой формальное отображение основных свойств системы, характерных закономерностей, изучение которых позволяет принимать эффективные управленческие решения.

Суть системного анализа состоит в постановке проблемы, ее структуризации, построении и использовании модели объекта. В процессе системного анализа устанавливают цель и метод оценки степени достижения цели при различных вариантах решения, после чего разрабатываются способы достижения цели.

Проблема - ситуация, которая характеризуется различием между существующей и проектируемой системами.

Требования - формализуют проектируемую систему.

Решение - ликвидация различия между существующей и проектируемой системами.

1.2.2 Этапы системного анализа

Системный анализ состоит из следующих этапов: постановки задачи, структуризации системы, построения и исследования модели, ее анализ.

1. Постановка задачи, заключающаяся в изучении объекта, постановки целей и задание критериев.

Применительно к системам управления прежде всего необходимо выяснить само назначение проводимого исследования. При этом должны быть решены следующие вопросы: Предполагаются ли радикальные решения, связанные с коренной реконструкцией действующей системы или необходимо только улучшить ее работу на базе существующих возможностей? Почему изменения представляются необходимыми? Что необходимо получить в результате этих изменений? Что мешает изменить систему в нужном направлении? Как оценить эффективность изменения? и т.д.

Первый этап - этап постановки задачи, особенно важен, т.к. от него зависят конечные результаты.

2. Структуризация системы - второй этап системного анализа.

Структуризация системы заключается в разбиении ее на подсистемы, определении их входов и выходов, определение границ системы.

3. Построение модели или моделирование - третий этап системного анализа.

Модель - это приближенное, упрощенное представление процесса или объекта. Формализованное представление объекта в той или иной форме называют моделью. Чем она ближе к объекту, тем более модель адекватна оригиналу.

Модели значительно облегчают понимание системы, позволяют проводить исследования, прогнозировать, анализировать и синтезировать различные системы в интересующих нас условиях.

С помощью моделей можно получить характеристики системы проще, дешевле и быстрее, чем при исследовании реальной системы. Удобнее всего работать с простыми моделями, однако, чем проще модель, тем менее адекватна она оригиналу. Модель считается адекватной, если она обеспечивает необходимую точность исследований.

Для получения различных результатов на выходе системы проводят пассивный и активный эксперименты.

4. Исследование модели. Завершающим этапом системного анализа является исследование модели. На этом этапе выясняется поведение моделируемого объекта и процесса в различных условиях. Для этого изменяют параметры модели и задают на ее входах различные значения параметров, соответствующие воздействиям внешней среды. Полученные результаты позволяют прогнозировать поведение объекта в реальных условиях.

Анализ результатов прогноза, проверка соответствия выбранных

критериев и целей.

3. Использование системного анализа при проектировании АС

При создании АСУ необходимость использования системного подхода объясняется сложностью ОУ, увеличением темпов развития науки и производства, что увеличивает длительность разработки СУ. Проектирование подобных систем требует больших материальных и трудовых затрат. Отсюда основное назначение системного подхода - сокращение периода проектирования систем.

Применительно к проектированию АСУ термин "Системное проектирование", в широком смысле слова, означает совместную разработку как управляемой так и управляющей подсистем. Это означает, что должны быть определены цели и критерии функционирования системы, определен весь комплекс проблем, для ее проектирования.

В узком смысле под термином "Системное проектирование" понимается комплексная разработка только управляющей системы, основанная на системном анализе объекта управления, и , в частности, производственного процесса. При этом не предполагается существенного изменения самого производственного процесса, так как автоматизированные системы чаще всего разрабатываются для действующих предприятий со сложившейся технологией производства.

Обычно весь процесс системного проектирования распадается на две стадии.

Существует два основных подхода к проектированию и внедрению различных задач в условиях АСУП: локальный и системный. Сущность локального проектирования заключается в том, что создание АСУП осуществляется путем последовательного наращивания задач, решаемых на ЭВМ. Эти задачи обычно решаются изолированно. К числу положительных сторон такого подхода можно отнести сравнительно быструю отдачу, обозримость решаемых задач, возможность разработки задач небольшими изолированными группами, простоту контроля и управления разработкой.

К недостаткам локального проектирования относятся: невозможность обеспечения рациональной организации комплексов задач; избыточное дублирование информации; постоянная перестройка схем и организации решения задач; невозможность минимизации документооборота; невозможность правильной компоновки комплекса технических средств КТС.

Второй подход заключается в принятии основной методологической концепции системного (комплексного) подхода в проектировании и локального внедрения АСУП. Основы этого подхода сформулированы В.М.Глушковым.

Первая стадия - внешнее проектирование (макропроектирование).На данной стадии определяют цели и критерии управления в системе и подсистемах, а также основные характеристики структурных частей системы.

Вторая стадия - внутреннее проектирование (микропроектирование). На данной стадии производится выбор и проектирование компонентов системы, т.е. подсистем и отдельных алгоритмов.

При разработке АСУП особое внимание следует уделить стадии макропроектирования, так как именно на этой стадии во многом определяется эффективность системы в целом.

Функционирование управляющей подсистемы направлено на обеспечение выполнения управляемой подсистемой поставленной цели. Таким образом, эффективность управляющей системы может быть оценена некоторой мерой достижения объектом управления (предприятием, цехом и т.д.)поставленной цели в результате процесса управления.

Обычно, количественные характеристики этой меры, показывающие степень приспособленности системы к выполнению поставленной цели называют показателями цели или критериями эффективности управления.

С точки зрения системного проектирования выбор критериев управления является наиболее ответственным этапом, поскольку тем самым предопределяется структура системы в целом.

Систему управления можно представить в виде блок - схемы. (t)

u(t) Управляемая x(t)

подсистема

(объект)

v(t) y(t)

СПК ЭВМ ССИ

Цель Управляющая

управления подсистема

КЭ

Р Д

Т П К

Ц Т П К В С

Т П К

Рис. - Синтез СУ на базе системного подхода

Первый этап - формирование заданной цели. Этот этап реализуется с помощью метода декомпозиции, позволяющего выявить необходимые данные Д и соответствующие им требования Т , как условие достаточности реализации заданной цели. Обычно цель может декомпозироваться на подцели. Иерархия целей должна быть дополнена перечнем ресурсов Д для обеспечения каждой цели. На основе исходных данных Д , которые возникают из анализа окружающей среды, цели управления, ограничений на ресурсы, формируются технические требования Т . С учетом этих требований создаются отдельные подсистемы П , компоненты К ( элементы подсистем ) и осуществляется выбор В этих компонентов на основе критерия эффективности КЭ.