www.etu1621.narod.ru “Исследование систем управления” Преподаватель: Росс С.И.
Конспект лекций
Исследование систем управления (курс лекций)
…?????
2. Элементы системного анализа. Понятия и основные свойства систем.
В широком смысле, под системой понимают упорядоченную совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов.
Таким образом, понятию системы можно противопоставить понятие хаос.
Всякая система функционирует в среде.
Среда – совокупность объектов, воздействующих на систему, но ей неподконтрольных. Под объектами мы понимаем процессы, явления, предметы или параметры.
Заметим, что система оказывает влияние на среду, но однозначно, ее поведение (той среды) не предопределяет. Часто среду делят на внешнюю и внутреннюю.
В соответствии с тем, параметры неких объектов (внешних или внутренних) рассматриваются, как неконтролируемые.
Всякое изучение системы обязательно предполагает анализ ее взаимодействия со средой.
В процессе исследования граница между средой и системой может существенно меняться.
Система нетождественна объекту. Система – понятие, свидетельствующее о наличии у объекта системных свойств.
Один и тот же объект может быть представлен, как множество различных систем.
Например, предприятие, как объект может быть рассмотрено как технологическая система, система межличностных отношений, как информационная система.
Условия рассмотрения объекта, как системы:
Если в объекте не определяются элементы, т.е. объект рассматривается, как нечто целое, состоящее из неразличимых элементов и неразличимых связей, то такому объекту соответствует понятие образование.
Совокупность образований, обладающее разнообразием и определенностью может называться множеством.
Множество может состоять из неизменных образований, которые могут взаимодействовать, но эти взаимодействия не носят обязательного характера (люди на улице).
Иерархия
Hieros –священный
Arche – власть
Множество, обусловленное какой-либо внешней необходимостью, называется объединением (люди в автобусе)
Объединение, обладающее не только внешней, но и внутренней необходимостью взаимодействия называется системой. Каждая система характеризуется структурой.
Системное рассмотрение объекта предполагает выделение в нем структуры, т.е. элементов и связей между ними.
Свойства систем.
Упорядоченность и целостность
Целостностьозначает, что элементы, объединенные в систему обладают общими свойствами и поведением.
Изолированность
Изолированность – означает, что имеются отдельные элементы системы, которые связаны с наблюдателем и средой. Это входы и выходы, при этом предполагается, что они или контролируемы или, по крайней мере, наблюдаемы.
Изолированность системы относительно.
Делимость
Система может быть разделена на относительно самостоятельные части, при этом, каждая подсистема может быть рассмотрена, как часть надсистемы или суперсистемы и, в то же время, каждая подсистема может рассматриваться, как элемент другой системы.
Элемент системы – такая часть системы, которая выполняет специфическую функцию и не подлежит дальнейшему разбиению.
Функционирование отдельных объектов, как целостных систем, обеспечивается установлением и реализацией связей между элементами системы и среды.
Соответственно, выделяют внутренние и внешние связи.
Под связью между элементами понимается перемещение и/или преобразование вещества, энергии или информации.
Наличие зависимости между элементами также трактуется, как связь между ними.
Взаимодействие элементов приводит к тому, что у системы появляется новое свойство, которое называется эмерджентность. Это свойство, которым не обладают отдельные элементы системы и которые возникают только за счет взаимодействия.
Эмерджентность бывает первого и второго рода.
Эмерджентность первого рода – системное свойство, которое может быть выведено путем анализа отдельных элементов.
Эмерджентность второго рода – системное свойство, которое не может быть выявлено путем анализа отдельных элементов системы. (социально-экономические системы)
В системном анализе социально-экономических систем, используются 2а вида определений:
дескриптивные (описательные) определения – определение предмета или объекта через его свойства.
Дескриптивные определения строятся по следующему правилу: то, что обладает определенными свойствами и есть предмет.
Конструктивные (операциональные) определения – предполагают описание строения объекта.
При конструктивном определении система описывается, как единство входа, выхода и процессора.
Вводится понятие функции системы (ее предназначение, ее миссия)
Функцию не следует путать с целью системы. Цель системы можно определить, как ее определенное желаемое состояние, желаемое значение параметров.
Обычно цель формируется в виде количественных характеристик, в то время, как функция системы формируется в виде качественного основного признака всех возможных результатов действия системы.
Любая система выступает как единство функций и структур.
Под структурой понимается способ деления целого на части или организация частей в систему.
При рассмотрении структуры объекта, учитываются любые связи и отношения элементов объекта, и только такие, для которых сохраняются нечто постоянное и инвариантное.
Понятие структуры включает в себя не все взаимодействующие элементы объекта, а только устойчивые во времени.
Можно рассматривать иерархическую структуру организации элементов, а можно децентрализованную структуру.
Иерархическая структура – в виде дерева.
Децентрализованная (оркестр без дирижера)
Функция и структура определенным образом взаимосвязаны.
В естественных системах функция является прямым следствием способа существования системы, обуславливающая ее структуру. В живых системах, изменение структуры приводит к (в точности) к изменению функции.
А вот в искусственных системах без установления функции невозможно понять сущность ее структур (конструкторы, архитектор)
И структура и функция являются выражением единой сущности, а именно целого.
Система управления и принципы их исследования.
Наука управления – кибернетика.
Норберт Винер – «отец-основатель» данной науки. Он же создал теоретическую базу науки управления.
Кибернетика изучает не материал из которого создан объект исследования, не превращение энергии, в ней происходящей, а процессы и связи управления, передачи информации.
По словам Эшби, кибернетика ищет ответ на вопрос не что это такое, а как оно это делает.
Изучение сложных динамических систем в кибернетике направлено на изучение общих закономерностей переработки информации, связей и управления ими.
Конечной целью кибернетики является выявление и создание принципов и методов и средств для достижения лучших, в каком-либо смысле, результатов управления.
Объект кибернетики: сложные динамические системы.
Предмет кибернетики: информационные связи и управление
Метод кибернетики: системный подход и системный анализ
Цель кибернетики: изучение общих закономерностей и формирование принципов управления в различных системах.
Особенности социально-экономических систем.
Первоначально, экономическая кибернетика развивалась на базе прямого переноса общей категории кибернетики и теории систем, разработанных на основе живых и технических систем. Однако, социально- экономические системы обладают определенным своеобразием и особенностями, которых нет в технических и живых системах.
Экономические системы описываются специальным направлением системных исследований, которое называется теорией хозяйственных систем.
Рассмотрим основные постулаты этой теории:
первоначальный элемент хозяйственной системы – решающий центр (под ним понимается относительно обособленное единство ресурсов и ЛПР), при этом, структура образующих факторов этой системы выступает отношение собственности (владение, распоряжение, пользование).
Первоначальные элементы, которые выделяются по функции распоряжения (в рамках единого владения) называются распорядительным центром (РЦ).
Хозяйственная система – это связанная совокупность распорядительных центров, обладающая эмерджентными свойствами (промышленное/ хозяйственное предприятие)
Системообразующим фактором хозяйственной системы выступает функция, как характеристика миссии или назначения данной системы.
Функция хозяйственной системы реализуется на основе деятельности всех распределительных центров.
Заметим, что общий эффект системы не равен сумме эффектов распределительных центров.
Для каждого РЦ характерна своя обусловленная мера вклада в общие итоги, которая называется хозяйственной ответственностью.
Важнейшим свойством РЦ является хозяйственная заинтересованность, которая определяется тремя факторами: материальным стимулом к труду, профессиональной подготовленностью, социальным самосознанием.
Управление в хозяйственной системе – изменение ее организованности.
Организованность системы управления – свойство реагировать на изменение сложности, путем изменения множества своих связей. Чем меньшем числом связей система «справляется» с ростом своей сложности, тем выше её организованность.
Организованность отражает субъективную сторону управления, а сложность отражает объективную сторону управления.
Управление в теории хозяйственных систем представляет собой изменение организованности систем.
Оно проявляется в процессе принятия и реализации хозяйственных решений.
Особенности хозяйственных систем.
Сформулируем определение хозяйственных систем:
Хозяйственная система – это совокупность распорядительных центров, связанность, взаимная зависимость между которыми выше, чем зависимость любого РЦ данной совокупности от любого РЦ, не принадлежащего данной совокупности.
Классификация хозяйственных систем.
По обусловленности действий, хозяйственная система не является детерминированной системой, более того, в силу быстрого обновления результатов хозяйствования, в области НТР, производства продуктов и услуг, в силу высокого динамизма общественных потребностей, хозяйственная система утратила свою статистическую устойчивость и стала непредсказуемой системой.
По характеру перехода из одного состояния в другое, хозяйственная система является динамической
По своему происхождению, хозяйственная система является естественной системой, однако, в современных условиях, когда есть возможность вмешиваться в хозяйство с помощью разных экономических рычагов, хозяйственная система приобретает черты искусственных (естественно-искусственная хозяйственная система).
По характеру элементов, хозяйственная система – конкретная система, ее элементами являются РЦ.
По взаимодействию со средой, хозяйственная система является открытой системой
По сложности, хозяйственная система относится к классу очень сложных систем.
По характеру целенаправленности, хозяйственная система не может быть однозначно отнесена к классу управляющих или управляемых систем, то есть в хозяйственной системе не выделяются управляющие или управляемые системы.
Особенности хозяйственных систем.
Главная особенность:
1) она состоит в том, что целенаправленным поведением обладают все элементы хозяйственной системы, в то время, как в тех технических системах целенаправленным поведением обладает один или ограниченное число элементов. Именно поэтому, хозяйственная система не делится на управляющую и управляемую.
2) меняющаяся как по составу, так и по количественным характеристикам множество целей, к которым приспосабливается хозяйство.
3) Она связана со специфическим механизмом адаптации в изменяющейся среде. Этот механизм представляет собой изменение структуры без вмешательства из вне.
4) Она состоит, с характером неопределенности функционирования хозяйственной системы, поскольку социально-экономические явления отличаются большей разнообразностью и неопределенностью.
5) наличие черт естественных и искусственных систем.
Принципы исследования систем управления.
Исследования систем управления базируются на принципах исследования, сформулированных в кибернетике, и на специфических принципах исследования, сформулированных в экономике.
Общие принципы системных исследований:
(законы и принципы кибернетики)
- принцип обратной связи
- принцип моделирования
- принцип гомеостазиса
- закон необходимого разнообразия
- принцип черного ящика.
-Принцип обратной связи:
рисунок
Связи- 1. прямые 2. обратные
Связь – это зависимость одного явления от другого.
Прямая связь – связь, которая обеспечивается за счет взаимодействия двух разных объектов или это передача информации, энергии, вещества с выхода одного элемента на вход другого.
Обратная связь – это передача того же самого с выхода элемента на собственных вход. Эта передача может быть прямой и косвенной.
Рассмотрим некоторые характеристики.
Пусть между Х и У пропорциональная зависимость следовательно У=SX(без обратной связи). У/Х=S– пропускная способность системы.
▲X=R*Y
X+▲X– (сигнал на вход нашей системыS), следовательно
Y=S(X+▲X)=S(X+RY)
Y=SX+SRY
Y(1-SR)=SX
Y/X=S/1-SX– (с обратной связью)
Y=S/1-SX*X– (пропускная способность системы с обратной связью)
Y=G*S*X
G=1/1-SR– (мультипликатор или регулятор обратной связи)
Обратная связь бывает положительной или отрицательной. В зависимости от типа использованной связи различные разомкнутые (ориентирующиеся на характеристики внешней среды по отношению к системе управления (пример: светофор)) и замкнутые (ориентирующиеся на характеристики собственной системы управления (пример: регулировщик). В этой системе управления обязательно присутствует обратная связь) системы управления.
Отрицательная обратная связь – это воздействие, передаваемые с выхода системы управления на ее вход, обеспечивающее поддержание системы в заданном состоянии. (пример: постоянная температура в холодильнике; температура тела).
Положительная обратная связь – это воздействие, передаваемое с выхода системы на ее вход, предназначенный для перевода системы в новое состояние.
Обеспечение отрицательной обратной связи в экономике преследует долговременные цели.
Выяснение механизмов и схем обратной связи является необходимым условием исследования систем управления. В хозяйственной системе не выделяются управляемая и управляющая системы, поэтому требуется специальная переработка условий выполнения принципа.
-Принцип моделирования.
Моделирование – это выявление или воспроизведение свойств одного объекта с помощью другого объекта. Моделирование включает 3 момента:
Создание и конструирование модели
Исследование
Изучение реального объекта на основе свойств модели
Все модели строятся на двух основаниях:
Модели, имитирующие свойства или поведение какого-нибудь реально существующего объекта.
Модели, выступающие реальным воплощением некой умозрительной идеи или концепции.
В основе моделирования лежит принцип аналогии.
Классификация модели:
графическая – объект, геометрически подобный оригиналу (географическая карта).
геометрическая – объект подобный оригиналу по форме (макеты, слепки)
функциональная – отображает поведение оригинала (работа)
символическая – модель, которая записывается с помощью абстрактных символов (программа)
описательная или вербальная
математическая (уравнения, неравенства).
Исследование систем управления базируется на экономико-математических моделях.
Каждая экономико-математическая модель характеризуется:
-объектом моделирования
-описанием объекта
-цель построения модели
-аппаратом моделирования
-способами идентификации и интерпретации
-принципами моделирования.
Выделяются структурные (отражают технико-экономические организацию экономического объекта, его строение и внутренние параметры ( например модель межотраслевого баланса)), и функциональные модели (отражают поведение объекта в результате установления зависимости между управляемыми и управляющими параметрами без привлечения информации о внутренней структуре объекта).
С точки зрения аппарата моделирования модели разделение на:
1. аналитические
2. имитационные
3. игровые.
- Принцип гомеостазиса.
Принцип гомеостазиса – этот принцип тесно связан с понятием обратной связи. Понятие гомеостаза было введено американцем Кенном и оно изначально относилось к деятельности природных механизмов животных. Это понятие характеризуется следующими чертами:
- каждый механизм приспособлен к своей цели
-целью механизма является поддержание некоторых существующих переменных внутри физиологических допустимых границ
-все поведение вегетативной нервной системы животного обусловлено этим механизмом.
Английский нейрофизиолог Эшби развил его учение: зд. гомеостаза – это свойство системы сохранять в процессе взаимодействия со средой значения существ. переменных в некоторых заданных пределах.
В основе гомеостаза лежит принцип обратной связи.
Экономический гомеостаз – это устойчивое равновесное функционирование хозяйственной системы в изменяющихся природной и социальной среде. Одной из задач исследования системы управления является выявление и изучение механизмов, обеспечивающих гомеостатический характер их функционирование.
-Принцип необходимого разнообразия.
Связи характеризуются направлением, силой характером. Бывают направленные и ненаправленные. По характеру: подчинения, порождения, функционирования и развития, управления.
Исследование коммуникаций.
Коммуникация – процесс обмена информации. Сеть коммуникаций – определенная топология связи между элементами сети.
В зависимости от построения коммуникационной сети, деятельность группы людей может обладать большей или меньшей эффективностью.
Типы коммуникационных сетей:
1. рис.2.рис.3. рис.4.рис. 5. рис.
«круг» «цепь» «У» «колесо» «многоканальная»
Принцип необходимого разнообразия был сформулирован физиологом Эшби.
Разнообразие – число различных состояний системы или логарифмы этого числа. По этому закону, система в своем развитии реализует на практике гораздо меньше число теоретически возможных состояний. Это уменьшение называется ограничение разнообразия. Любой закон или управление системой – ограничение разнообразия.
Другая сторона этого принципа: ограничение разнообразия в поведении объекта может быть осуществлено лишь за счет увеличения разнообразия органа управления. (Только разнообразие может уничтожить разнообразие). Сложные системы (социально-экономические системы) – неуправляемые простыми.
-Принцип черного ящика.
Система, о внутренней организации которой нет сведений – черный ящик, но существует возможность воздействия на входы и регистрирующие выходы.
Согласно этому методу система изучается не как совокупность взаимодействия элементов, а как нечто целое, неделимое.
Информация. Информационные аспекты исследования СУ.
Процесс управления можно рассматривать, как процесс информационного взаимодействия объекта и субъекта управления, который включает в себя:
Сбор сведений об объекте управления
Анализ полученной информации и выбор управляющих воздействий
Реализация управляющего воздействия
Информация – снятая неопределенность
Информация – обозначение используемого содержания (Винер)
Информация – передача разнообразия, снятая неразличимость (Эшби)
Информация – мера неоднородности распределения материи и энергии в пространстве или во времени, или показатель изменения, который сопровождает все протекающие в мире процессы.
Информация имеет аспекты:
Семантический
Синтаксический
Прагматический
Схема процесса передачи информации
возникновение события
наблюдатель формулирует сведения о происшедшем событии на определенном языке
кодировка понятия
передача закодированного сообщения
расшифровка закодированного сообщения
оценка информации
Проблемы: (информация – специфический предмет труда)
(синтактика) проблема точности передачи символов или знаков (техническая проблема)
(семантика) точность выражения содержания символов (проблема смысла)
(прагматика) проблема влияния принятого сообщения на поведение получателя
Информация должна быть включена в тезаурус – словарь понятий, который фиксирует как сами понятия, так и отношения между понятиями. Тезаурус играет роль семантического фильтра.
Сообщение, которое содержит для получателя полезные сведения – прагматическая информация и она проходит прагматический фильтр.
Информация то, что доведено до получателя через третий механизм восприятия.
Понятия и роль измерений ИСУ.
В ИСУ выделяют три уровня использования количественных методов:
Измерения
Математическое моделирование
Принятие решения
Измерение – процедура, с помощью которой, объект сравнивается с некоторым эталоном и получают числовое выражение в определенном масштабе и шкале.
Шкалы, которые принадлежат одному классу – эквивалентные шкалы.
Минимальные требования к любой шкале – назвать объект и отождествить его с некоторым числом. Если это требование единственное, то шкала называется номинальной.
Любая классификация – измерение в номинальной шкале.
Вторая шкала – ординальная (ранговая) шкала. Шкалы позволяют установить, что некий объект обладает неким свойством в большей или меньшей степени (полезность, IQ, качество)
Номинальная или ранговые шкалы не являются метрическими.
Метрическими или количественными называют интервальные шкалы – в них может быть задан способ определения расстояния или интервала между двумя объектами.
Если в шкале интервалов изменен масштаб, то изменение происходит в разностной шкале.
Абсолютная шкала.
Процесс исследования СУ.
Ряд последовательных этапов исследования СУ:
Описание и постановка проблемы исследований
Определение конкретной цели и задач исследования
Определение объекта и предмета исследований
Уточнение и интерпретация основных понятий
Предварительный СА объекта исследования
Формулировка рабочих гипотез
Формирование плана исследований
Сбор, систематизация и анализ вторичной информации
Корректировка разделов плана исследования, ориентированная на получение первичной информации
Сбор первичной информации
Анализ результата формирования выводов и рекомендаций
Использование результатов исследования
Если вторичной информации достаточно, что первичную информацию можно не получать.
Этот план достаточно полный, но некоторые этапы могут конкретизироваться в зависимости от конкретных объектов исследования.
Существует итерационная процедура, к которой можно возвращаться после получения некоторой новой информации.
Этот план используется во всех видах исследований.
Подробно:
Проблема/проблемная ситуация – называется расхождение между желаемым и действительным состоянием некоторого объекта (явления, процесса). Расхождение может быть определено не единственным способом. Иногда проблемы называют потенциальной возможностью.
Определение конкретной цели или задач. Решение сформулированной проблемы направлено на реализацию конкретных целей и задач. Цели объединяются в три группы: поисковые цели (направлены на уменьшение неопределенности при определении проблемы), описательная (направлена на получение общего представления об изучаемом объекте), экспериментальная/объяснительная (направлена на выявление причинно-следственных связей между отдельными элементами). Задачи формируют вопросы, на которые должен быть направлен ответ для реализации цели.
Определение объекта и предмета исследования. Объект исследования – явление или процесс, на которое направлено исследование, а предмет исследования – та сторона объекта, которая непосредственно подлежит изучению.
Уточнение (интерпретация) основных понятий
Предварительный системный анализ объекта исследования. Этот этап необходим для исследования сложных проблем. Цель этапа: построить гипотетическую, концептуальную модель объекта, как системы, раскрыв все его элементы и связи.
Рабочие гипотезы. Виды планов: аналитический план (когда есть четкое представление о проблеме и когда удалось сформировать описательную гипотезу. Цель плана – проверить эту гипотезу), экспериментальный план – применяется тогда, когда удается сформулировать объяснительную гипотезу.
Сбор и анализ вторичной информации. К вторичной информации относят всю информацию, которая может быть предоставлена в распоряжение исследователя на момент начала работ. Вторичная информация – связана с кабинетным исследованием. Эта информация из общедоступных источников (Интернет, газеты, аналитические обзоры). Вторичная информация делится на внутреннюю и внешнюю, внутренняя информация собирается раньше внешней. Внешняя информация – сведения, предоставляемые государственными органами, сведения, предоставляемые общественными или коммерческими организациями. Первичная информация – связана с «внекабинетным», полевым исследованием. Сбор первичной информации требует гораздо больше затрат и времени. В основе сбора первичной информации лежат такие методы, как опрос, интервью, анкетирование, наблюдения (полевые/кабинетные), эксперимент (реальный/мысленный).