Лекция 4. Системотехнический уровень проектирования информационно-измерительных и управляющих систем.

Наиболее часто встречающиеся задачи при проектировании ИУС это:

1. Прямая задача Известно - внутренние свойства и связи системы, а также активные силы, действующие на неё. Определить поведение системы относительно окружающей среды (для механической системы - даны активные силы, действующие на систему, и связи, наложенные на частицы системы и на систему в целом; определить закон движения системы).

2. Обратная задача. Известно - элементы поведения или некоторые свойства поведения системы в окружающей среде. Определить причины такого поведения (для механической системы - даны кинематические элементы движения системы или некоторые свойства движения; определить силы, действующие на систему).

Одной из главных проблем проектирования, исследования и эксплуатации ИУС является перевод, предъявляемых к конкретной системе тактико-технических требований, на язык ее проектируемых, исследуемых и реализованных параметров. Для решения этой проблемы необходимо выполнить синтез, анализ и исследование как подсистем ИУС, так и системы в целом.

Основные этапы проектирования ИУС могут быть сформулированы следующим образом:

1. Постановка задачи на проектирование ИУС.

2. Обоснование технических требований ИУС.

3. Разработка технического задания на проектирование ИУС.

4. Технические предложения на ИУС (документированное обоснование физико-математической, схемотехнической, технической и экономической реализуемости изделия).

5. Выработка частных технических заданий на подсистемы ИУС.

По результатам пп.4 и 5 принимается решение либо на последующем этапе выполняется исследовательская работа, либо непосредственное проектирование ИУС, которое начинается с системотехнического уровня проектирования. При этом необходимо учитывать, что системотехнический уровень проектирования ИУС с единой исследовательской позиции базируется на следующих положениях:

1. Описание подсистем и элементов системы осуществляется с учетом их функционального назначения и роли в системе.

2. Специфика системы определяется внутренними взаимосвязями между подсистемами и элементами.

3. Неотделимость как внутренней, так и внешней среды от системы.

4. Функциональная целесообразность системы («полезность») по отношению к внешней среде.

Системотехнический уровень проектирования обеспечивается на основании известного технического задания на всю систему с последующей выработкой частных технических заданий на подсистемы. Для выполнения этого необходимо выполнить самый важный этап - прогнозирование результатов проектирования (как мера вероятности полноты и достоверности модельного аналога проектируемой ИУС) включающего в себя поиск ответов на следующие вопросы:

1. Составление структуры ИУС, которая базируется:

   • на основе классификации ИУС;

   • на выявленных физических законов и математических соотношений, на основании которых должна функционировать ИУС.

2. Иерархичность структуры исследуемой системы.

3. Прогнозирование результатов и определение возможных функциональных и параметрических ограничений на подсистемы и систему в целом, выполняя теоретические и экспериментальные исследования и моделирование.

4. Техническая реализуемость подсистем ИУС и системы в целом, предусматривая возможность заимствования частных схемотехнических решений из известных ИУС этого класса.

5. Разработка технических предложений на ИУС (обоснование физико-математической, схемотехнической, технической и экономической реализуемости ИУС) и частных технических заданий на проектирование отдельных подсистем.

В процессе проектирования ИУС используются методы натурного, полунатурного и математического моделирования.

В основе моделирования положены принципы:

1. Соответствие структуры системы моделей ИУС структуре направлений и задач исследований, проводящихся в интересах обоснования необходимости создания ИУС.

2. Структурно-функциональное подобие, т.е. ориентации математических моделей на подсистемы и ИУС в целом.

Подсистемы:

1. Оценка и прогнозирование характеристик подсистем ИУС.

2. Моделирование возможных вариаций подсистем ИУС.

На рис.1.3.1 представлена структура системы моделирования для анализа и синтеза ИУС. Из этой структуры видно, что от того, на каком уровне будут подготовлено методологическое и программное обеспечение, то такова и эффективность проведенного моделирования, а соответственно и «будущность» ИУС.

При этом надо учитывать, что существует три «направления» прогнозирования поведения системы - это ближнее, среднесрочное и дальнее, которые могут быть реализованы следующим образом:

• методом экстраполяции;

• методом экспертных оценок;

• математическим, физическим или имитационным методами моделирования

При этом необходимо учитывать, что детерминированная операция выполняется по определенным алгоритмам и результат не зависит от исполнителя, а результат при выполнении эвристической операции во многом определяется опытом и квалификацией исполнителя.

На рис.1.3.2 представлена возможная схема поэтапного моделирования при проектировании ИУС. Эффективность моделирования определяется теоретической, программной и технической базами, а отличительной чертой:

• наличие общей системы математических моделей проектируемой ТС;

• наличие системы автоматизации обмена информацией между отдельными программами;

• наличие личного архива и базы данных;

• возможность применения универсального языка общения;

• наглядное отображение результатов моделирования.

В целях недопущения перегрузки и снижение потерь информации в процессе моделирования необходимо обеспечивать согласование количества информации, циркулирующей в системе с возможностями её элементов, при удовлетворении её качества. Одним из эффективных способов борьбы с информационными перегрузками является агрегирование информации, которое состоит:

• в формировании нечеткого отношения сходства на множестве отметок трасс воздушных объектов;

• в определении множеств нечетко определенной цели при нечетких множествах ограничений нечетких подмножеств групп;

• в преобразовании матрицы нечеткого отношения сходства, с выделенными на нем подмножествами групп, в нечеткое отношение строгого предпочтения и выделении на нем четко не деноминируемых альтернатив;

• в уточнении сформированных групп с учетом нечеткого ограничения по скорости.

При этом необходимо учитывать, что алгоритм группирования, агрегирования информации требует введения признаков, а его эффективность целесообразно проверять на основе численного моделирования (в дальнейшем мы вернемся к этой проблеме).

На основе анализа научно-технической информации и опыта создания ИУС можно выделить два этапа, на которых возможно применение методов имитационного моделирования можно выделить следующие основные этапы:

1. Этап проектирования ИУС, включая теоретические и экспериментальные исследования.

2. Этап приемо-сдаточных испытаний ИУС.

В этой связи можно предложить иерархическую схему последовательности операций при создании ИУС методами имитационного моделирования (см. рис. 1.3.3). Из этой схемы видно, что при проведении приёмо-сдаточ-ных испытаниях (ПСИ) ИУС методами имита-ционного моделирования (ИМ) необходимо учитывать содержательную сторону при выполнении этапа проектирования системы, включая теоретические и экспериментальные исследования (на схеме это обозначено пунктирными стрелками). Необходимо заметить, что каждая операция при проведении имитационного моделирования ИУС должна быть однозначно определена. Следует также отметить, что приведённая на рис.1.3.3 последовательность справедлива, по нашему мнению, и для любой технической системы.