Функциональный анализ и синтез систем управления

Вопрос о взаимоотношении структуры и функции — один из древних. Аристотель, задавал вопрос «ради чего существу­ет орган?» (имея ввиду биологическую систему), отвечал: «ради выполнения определенной цели», т.е. функции.

Рассматривая структуру и функцию, предпочтение отдают первичности в изменении функции. Однако наиболее пра­вильно рассматривать диалектическую взаимосвязь и взаимо­обусловленность их изменений в процессе эволюции (измене­ние среды требует изменение функции; а она, в свою очередь, влияет на изменение структуры).

Функциональный анализ систем управления

Функциональный анализ осуществляется одновременно с исследованием структуры системы управления.

Сущностью функционального анализа является определе­ние динамических характеристик систем на основании принятых алгоритмов ее функцио­нирования.

Функциональный анализ проводится с целью определения динамических характеристик системы путем исследования процессов изменения ее состояний с течением времени на ос­нове принятых алгоритмов (способов, методов, принципов, концепций) управления. Можно сказать, что функциональный анализ направлен на детальное исследование процессов управления.

Объектами исследования функционального анализа явля­ются реализуемые системой методы и алгоритмы управления, включая общий алгоритм функционирования, содержащий все основные этапы (фазы, функции) управления, и частные мето­ды и алгоритмы, направленные на выполнение отдельных эта­пов управления (формирование цели управления, сбор и обра­ботка необходимой информации, принятие решений, планиро­вание, организация, контроль, выполнение решений и др.).

Функциональный анализ может включать следующие ос­новные этапы [16]:

• определение и описание общего процесса управле­ния, реализуемого исследуемой системой;

• декомпозицию общего процесса управления на ряд частных функций (задач, операций), выполняемых элементами системы управления;

• определение качественный и количественных харак­теристик исследуемых процессов и функций управ­ления;

• формирование критериев и оценку эффективности функционирования системы управления;

• принятие решения о необходимости совершенство­вания функциональных характеристик системы управления.

Остановимся кратко на содержании указанных этапов. Определение и описание общего процесса управления, реа­лизуемого исследуемой системой включает:

• формирование или уточнение цели управления;

• формирование управляющих воздействий;

• реализацию воздействий;

♦ контроль результатов реализации воздействий. Основная цель системы управления рассматривается как

желаемое (требуемое) множество состояний объекта управле­ния и элементов окружающей среды, на которые активно воз­действует объект управления в желаемые моменты времени.

Существуют следующие виды целей: цель — состояние, цель — движение и цель — направление.

Если перед системой управления не поставлена или не сформулирована цель, функциональный анализ не имеет смысла.

Формирование управляющих воздействий осуществляется на основании установленной цели и включает следующие со­ставляющие:

• получение информации об объекте управления и ок­ружающей среде;

• накопление, обработка и анализ информации;

• определение возможных вариантов воздействий;

• выбор рационального варианта воздействий;

• разработка программы (плана, алгоритма) реализации воздействий, предусматривающей последователь-

ность выдачи воздействий и предполагаемые (эталон­ные) состояния и реакции объекта на эти воздействия. Реализация воздействий включает два основных этапа:

• передачу воздействий объекту управления по имею­щимся прямым связям (материальным, энергетиче­ским, информационным);

• отработку воздействий объектом управления, в ходе которой осуществляется его переход в новое состоя­ние и формирование ответных воздействий (реак­ций), передаваемых в управляющую систему по об­ратным связям (информационным).

Контроль результатов реализации воздействий включает:

• получение информации о состоянии объекта после воздействия;

• обработку этой информации и сравнение ее с эта­лонной;

• анализ результатов сравнения и переход к формиро­ванию новых управляющих воздействий.

Декомпозиция общего процесса управления включает:

• проведение детализации общей цели управления на ряд частных взаимосвязанных целей и формирование дерева (иерархии) целей;

• определение элементов системы управления, реали­зующих сформированные цели;

• исключение элементов не имеющих цели функцио­нирования;

• выявление функций управления (основных и обеспе­чивающих), которые необходимы для эффективной реализации всех фаз (этапов) управления в соответ­ствии с общей и частными целями управления;

• сопоставление выделенных функций элементам (ис­полнителям, руководителям, органам, техническим устройствам) анализируемой системы и оценка пол­ноты их реализации;

♦ выявление дублирующих, бесполезных, малоэффек­тивных, надуманных, излишних функций и выработ­ка рекомендаций по совершенствованию системы управления.

В ходе функционального анализа необходимо оценить качественные и количественные характеристики исследуе­мых процессов с целью принятия обоснованных решений о степени соответствия системы управления предъявляемым требованиям и необходимости ее дальнейшего совершенст­вования.

Совокупность количественных и качественных характери­стик можно разделить на следующие группы: комплексные характеристики, позволяющие оценивать существенные свой­ства системы; структурные характеристики, позволяющие оценивать структуру процесса управления, формируемую в ходе его декомпозиции; частные характеристики, определяю­щие свойства отдельных этапов (фаз), функций, работ и дру­гих управленческих действий, рассматриваемых в качестве отдельных элементов процесса управления. Комплексные ха­рактеристики процесса управления включают: непрерывность, оперативность, точность, устойчивость, скрытность, эффек­тивность.

Непрерывность — свойство (способность) процесса управления не допускать перерывы между последовательно выполняемыми этапами (фазами) или другими действиями процесса, приводящими к снижению качества управления. Непрерывность процесса нарушается, если между двумя по­следовательно выполняемыми этапами, возникает незаплани­рованная пауза, приводящая к снижению качество выполне­ния последующих этапов (например, из-за потери ценности информации), несвоевременному достижению поставленной цели или срыву всего процесса управления.

Оперативность — свойство процесса управления обеспе­чивать завершение цикла управления в требуемые сроки. 102

Точность — свойство процесса управления обеспечивать максимальную степень соответствия реального движения (или конечного состояния) требуемому (эталонному) движению (или конечному состоянию) объекта управления.

Характеристики точности зависят от разности между эта­лонным и реальным движением или состоянием объекта управления.

При исследовании процессов управления предприятиями точность можно оценить с помощью разности между прогно­зируемой и реальной прибылью, полученной в результате управленческой деятельности руководства данного предпри­ятия.

Устойчивость — свойство процесса управления сохранять и восстанавливать свое качество в условиях внешних и внут­ренних возмущений.

Скрытность — свойство процесса управления противо­стоять раскрытию противником или другой противодейст­вующей системой планируемых и выполняемых действий.

Данное свойство определяет качество процесса управления в конкурирующих (противоборствующих системах), которые вынуждены в силу каких-либо причин скрывать передаваемую или обрабатываемую информацию.

Эффективность — степень соответствия реальных (фак­тических или ожидаемых) результатов процесса управления требуемым или, иными словами, это степень достижения цели управления.

Структурные характеристики процесса управления ис­пользуются для оценки множества анализируемых элементов (функций, работ, действий, фаз, этапов и др.) процесса управ­ления и связей между ними.

К структурным характеристикам процесса управления орга­низационными системами (при их декомпозиции по уровням и функциям) можно отнести [15]: число функций управления ка­ждого уровня и общее число функций управления, реализуемых исследуемым процессом управления; подчиненность (зависи­мость по входной и выходной информации) функций управле­ния; число функций управления, выполнение которых зависит от выходной информации функций управления вышестоящего уровня; время реализации каждой функции управления.

При анализе конфигурации структуры процесса управле­ния целесообразно учитывать следующие характеристики се­тевых структур [16]: связность структуры, определяемую ко­личеством информационных связей между выделенными функциями процесса; структурную избыточность, опреде­ляющую превышение числа связей между функциями процес­са над минимально необходимым.

К частным характеристикам процесса управления можно отнести [16]: количество информационных входов и выходов каждой функции; число и перечень информационных и рас­четных задач, решаемых при реалшации соответствующей функции управления; объем входной, выходной и обрабаты­ваемой информации; средняя продолжительность или другие вероятностные характеристики сроков решения соответст­вующих частных задач; характеристики потока заявок на вы­полнение соответствующих функций; перечень и характери­стик алгоритмов, машинных программ или пакетов приклад­ных программ, используемых для реализации функций.

Оценка связей между функциями процесса управления может производиться с использованием следующих характе­ристик: объема и содержания информации, передаваемой с использованием соответствующей связи времени передачи информации; характера возмущений, влияющих на качество передаваемой информации.