- •Исследование систем управления
- •Учебник
- •Москва 2003
- •Глава 1. Концептуальные основы исследования систем управления
- •1.1. Понятия, определяющие структуру системы
- •Понятие структуры системы
- •Понятие внешней среды
- •1.2. Понятия, определяющие процесс функционирования системы состояние системы
- •Движение (функционирование) системы
- •1.3. Характеристика процессов системы понятие процессов системы
- •Процессов
- •I подсистема-j |
- •I подсистема-l
- •I подсистема-n
- •Обратная связь
- •Обратная связь
- •Функции процесса обратной связи
- •Обратная связь
- •Обратная связь
- •Обратная связь
- •Функция процесса ограничения системы
- •Системный
- •1.4. Классификация систем характеристика различных классов систем
- •Классификация систем
- •1.5. Понятие системы управления
- •Положительная сторона
- •Отрицательная сторона
- •1.6. Цель системы управления
- •1.7. Закон управления системой
- •У правляющий орган (управляющая система)
- •1.8. Критерии эффективности управления системой
- •Глава 2. Методологические основы исследования систем управления
- •2.1. Системный подход как общеметодический принцип исследования систем управления понятие и основные черты системного подхода
- •Сущность системного подхода
- •Порядок выделения исследуемой задачи (объекта) из внешней среды
- •2.2. Задачи анализа и синтеза систем управления задачи анализа систем управления
- •Определение объекта анализа
- •Структурирование системы
- •Определение функциональных особенностей системы управления
- •Исследование информационных характеристик систем
- •Формирование замысла и цели создания системы управления
- •Формирование вариантов облика новой системы
- •Приведение описаний варианта облика системы во взаимное соответствие
- •Разработка требований к системе управления
- •Реализация разработанных требований к системе управления
- •2.3. Принципы анализа и синтеза систем управления
- •Принцип физичности и его постулаты Принцип физичности
- •Принцип моделируемости и его постулаты Принцип моделируемости
- •Принцип целенаправленности и его постулаты Целенаправленность системы
- •2.4. Виды анализа и синтеза систем управления структурный анализ и синтез систем управления Структурный анализ систем управления
- •Структурный синтез систем управления
- •Функциональный анализ и синтез систем управления
- •Функциональный анализ систем управления
- •Функциональный синтез систем управления
- •Информационный анализ и синтез систем управления
- •Коммуникационная (информационная) схема передачи информации в системе управления
- •Классификация информационных процессов
- •Структура информационного процесса
- •Информационный анализ систем управления
- •Информационный синтез систем управления
- •Параметрический анализ систем управления
- •Параметрический синтез систем управления
- •2.5. Уровни исследования и структура показателей систем управления уровни исследования систем управления
- •Структура показателей систем управления
- •Оценка информативности показателей анализируемой системы управления
- •Глава 3. Особенности анализа и синтеза различных видов систем управления
- •Зл. Особенности анализа и синтеза технических систем управления особенности технических систем управления
- •Специфика отдельных видов анализа и синтеза технических систем управления
- •Основы синтеза облика перспективной технической системы управления Цели и характер обоснования облика новой технической системы управления
- •Общая процедура обоснования облика перспективной тсу
- •3.2. Особенности анализа и синтеза эргатических систем управления особенности эргатических (человеко-машинных) систем управления
- •Инженерно-психологические проблемы, требующие решения в процессе создания и эксплуатации эргатических систем управления
- •Специфика отдельных видов анализа и синтеза эргатических систем управления
- •Типовые противоречия разрешаемые в процессе создания новых эргатических систем управления
- •Типовые противоречия, разрешаемые в процессе создания новых эсу
- •Содержание нововведений в зависимости от глубины реорганизации эсу [10]
- •Основные вопросы, решаемые в цикле исследования [10]
- •3.3. Особенности анализа и синтеза организационных систем особенности организационных систем управления
- •Методология анализа и синтеза организационных систем управления
- •Специфика отдельных видов анализа и синтеза организационных систем управления
- •Параметрический анализ и синтез организационных систем управления
- •Основные черты организационного управления
- •Основные требования к организационному управлению
- •Глава 4. Системный анализ и синтез проблемы
- •4.1. Общая характеристика проблемы как системы понятие проблемы и проблемной ситуации
- •Представление проблемы как системы
- •Этапы процесса решения проблемы Характеристика этапов процесса решения проблем
- •Этапы системного анализа проблем совершенствования и развития систем
- •Этапы системного анализа инновационных проблем
- •Системный синтез и анализ проблемы
- •4.2. Исходная постановка (формирование) проблемы
- •4.3. Формирование целей и условий решения проблемы условия формирования целей
- •Выявление и систематизация подцелей
- •Построение «дерева целей»
- •Состав подцелей
- •Последовательная декомпозиция целей
- •«Дерево целей» промышленного предприятия [6]
- •Установление условий решения проблемы
- •4.4. Структуризация проблемы и систематизация путей достижения целей основные понятия и этапы структуризации проблем Основные понятия структуризации проблемы
- •Этапы структуризации проблемы
- •Уточнение структуры системы
- •Уточнение структуры объекта управления
- •Уточнение функционально-информационной структуры системы управления
- •Критический анализ функционирования системы управления Цели анализа функционирования системы
- •Анализ причинно-следственных связей
- •Пример. Анализ причинно-следственных связей нарушений технологической дисциплины [6]
- •«Дерево путей достижения целей»
- •Пример. Построение «дерева достижения целей» применительно к проблеме управления качеством продукции
- •Оценка значимости проблем
- •4.5. Выявление и выбор альтернатив решения проблемы этапы выделения альтернатив
- •Решения, зависящие от области их использования
- •Принятие решения на основе исходной информации различной полноты
- •Формирование решения проблемы в целом
- •Выбор оптимальных решений Постановка и решение задачи оптимизации
- •Решение задачи и анализ результатов
- •Глава 5. Методы исследования систем управления
- •5.1. Системный подход к проявлению идеи
- •Сущность идеи
- •Первый цикл проявления идеи
- •5.2. Эвристические методы исследования систем управления методы активизации техологии творчества
- •Ассоциативные методы
- •Метод мозгового штурма
- •Метод синектики
- •5.3. Формализованные методы исследования систем управления параметрический метод
- •Морфологический метод и его модификации
- •Метод организующих понятий
- •Метод десятичных матриц поиска
- •Комбинаторный метод
- •Методы логического поиска Метод и — или — дерево
- •Метод логического мышления
- •Алгоритм решения изобретательских задач (ариз)
- •Обобщенный алгоритм поиска новых технических решений
- •5.4. Статистические методы анализа систем управления сущность и область применения
- •Корреляционный анализ
- •Дисперсионный анализ
- •Ковариационный анализ
- •Метод временных рядов
- •Метод главных компонентов
- •Факторный анализ
- •5.5. Детерминированные методы анализа систем управления сущность и область применения
- •Инфлюентный анализ
- •5.6. Синтез систем управления методами оптимизации синтез систем управления методами безусловной оптимизации Сущность и область применения
- •Методы нулевого порядка
- •Методы первого порядка
- •Методы второго порядка
- •Синтез систем управления с помощью многокритериальной оптимизации
- •5.7. Синтез систем управления методами математического программирования
- •Общая характеристика методов математического программирования
- •Методы решения задач линейного программирования
- •Методы решения задач нелинейного программирования
- •Методы решения задач дискретного (целочисленного) программирования
- •Методы динамического программирования
- •Методы стохастического программирования
- •5.8. Анализ и синтез систем управления с помощью математических теорий теория принятия решений
- •Теория массового обслуживания
- •Теория эффективности
- •Теория игр Сущность синтеза игровых задач управления
- •Содержание
- •Глава 1. Концептуальные основы исследования
- •Глава 2. Методологические основы
- •Глава 3. Особенности анализа и синтеза
- •Глава 4. Системный анализ и синтез проблемы 209
- •Глава 5. Методы исследования систем управления 297
Функция процесса ограничения системы
Функция ограничения системы складывается из двух частей: цели и принуждающих связей.
Ограничение системы является выходом органа, обозначаемого как потребитель (покупатель) выхода системы.
Например, потребитель (покупатель) может быть Министерство обороны, которое задает исходные требования к вооружению и технике и ставит подлежащие выполнению условия и т.д.
Системный потребитель (покупатель) воздействует на выход и управление системы, как это показано на схеме рис. 1.11.
УПРАВЛЕНИЕ
Системный
ПОТРЕБИТЕЛЬ (ПОКУПАТЕЛЬ)
ВХОД
ПРОЦЕСС
ВЫХОД
ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ
Рис. 1.11.
Системные потребители (покупатели) существуют на всех уровнях действия подсистем. Требования к системе диктуются потребителем (покупателем) в форме ограничения.
Ограничения проблемы должны быть установлены руководителями организаций для всех уровней ее руководства, участвующих в определении политики организации, и для всех руководителей функциональных отделов, влияющих на достижение ее целей. Организация — это средство для достижения цели при данных ограничениях.
1.4. Классификация систем характеристика различных классов систем
Для выделения классов систем могут использоваться различные классификационные признаки, основными из них считаются: природа элементов, происхождение, длительность существования, изменчивость свойств, степень сложности, отношение к среде, реакция на возмущающие воздействия, характер поведения и степень участия людей в реализации управляющих воздействий. Классификация систем представлена в табл. 1.1 [27].
Таблица 1.1
Классификация систем
№ п/п |
Имя классификационного признака |
Значение классификационного признака (имя класса) |
1 |
2 |
3 |
1 |
Природа элементов |
Реальные (физические) Абстрактные |
2 |
Происхождение |
Естественные Искусственные |
з |
Длительность существования |
Постоянные Временные |
4 |
Изменчивость свойств |
Статические Динамические |
5 |
Степень сложности |
Простые Сложные Большие |
6 |
Отношение к среде - |
Закрытые, Открытие |
Р
По природе элементов системы делятся на реальные и абстрактные [27].
№ п/п |
Имя классификационного признака |
Значение классификационного признака (имя класса) |
1 |
2 |
3 |
7 |
Реакция на возмущающие воздействия |
Активные Пассивные |
8 |
Характер поведения |
С управлением Без управления |
9 |
Степень связи с внешней средой |
Открытые Изолированные Закрытые Открытые равновесные Открытые диссипатив-ные |
10 |
Степень участия в реализации управляющих воздействий людей |
Технические Человеко-машинные Организационные |
еальными (физическими) системами являются объекты, состоящие из материальных элементов.
Среди них обычно выделяют механические, электрические (электронные), биологические, социальные и другие подклассы систем и их комбинации.
Абстрактные же системы составляют элементы, не имеющие прямых аналогов в реальном мире. Они создаются путем мысленного отвлечения от тех или иных сторон, свойств и (или) связей предметов и образуются в результате творческой деятельности человека. Иными словами, это продукт его мышления. Примером абстрактных систем являются системы уравнений, системы счисления, идеи, планы, гипотезы, теории и т.п.
В зависимости от происхождения выделяют естественные и искусственные системы [27].
Естественные системы, будучи продуктом развития природы, возникли без вмешательства человека. К ним можно отнести, например, климат, почву, живые организмы, солнечную 30 систему и другие системы. Появление новой естественной системы — большая редкость.
Искусственные системы — это результат созидательной деятельности человека, а, следовательно, со временем их количество увеличивается.
По длительности существования системы подразделяются на постоянные и временные. К постоянным обычно относятся естественные системы, хотя с точки зрения диалектики все существующие системы являются временными.
К постоянным относятся искусственные системы, которые в процессе заданного времени функционирования сохраняют существенные свойства, определяемые предназначением этих систем.
В зависимости от степени изменчивости свойств системы делятся на статические и динамические [27].
К статическим относятся системы, при исследовании которых можно пренебречь изменениями во времени характеристик их существенных свойств.
Статическая система — это система с одним состоянием. В отличие от статических динамические системы имеют множество возможных состояний, которые могут меняться как непрерывно, так и в дискретные моменты времени.
В зависимости от степени сложности системы делятся на простые, сложные, большие.
Простые системы с достаточной степенью точности могут быть описаны известными математическими соотношениями. Особенность простых систем — в практически взаимной независимости от свойств, позволяющей исследовать каждое из них в отдельности в условиях классического лабораторного эксперимента и описать методами традиционных технических дисциплин (электротехника, радиотехника, прикладная механика и др.). Простые системы — отдельные детали, элементы электронных схем и т.п.
Сложная система — система, которая состоит из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов, каждый из которых может быть представлен в виде системы (подсистемы).
Сложные системы характеризуются многомерностью (большим числом составленных элементов), многообразием связей, разнородностью структуры, многообразием природы элементов.
Считается, что сложной называется система, обладающая по крайней мере одним из нижеперечисленных признаков:
система допускает разбиение на подсистемы, изучать каждую из которых можно самостоятельно;
система функционирует в условиях существенной неопределенности и воздействия среды на нее, обусловливает случайный характер изменения ее показателей;
система осуществляет целенаправленный выбор своего поведения.
Сложные системы обладают свойствами, которыми не обладает ни один из составляющих элементов. Сложные системы — организм или человек, ЭВМ и т.д. Особенность сложных систем заключается в существенной взаимосвязи их свойств.
Большие системы — это сложные пространственно—распределенные системы, в которых подсистемы (ее составные части) относятся к категориям сложных. Дополнительными особенностями, характеризующими большую систему, являются:
большие размеры системы;
сложная иерархическая структура;
циркуляция в системе больших информационных, энергетических и материальных потоков;
высокий уровень неопределенности в описании системы.
Большие системы — автоматизированные системы управления, воинские части, системы связи, промышленные предприятия, отрасли промышленности и т.п.
В статической физике системы делятся на изолированные, закрытые, открытые равновесные и открытые диссипатив-ные.
Изолированные системы не обмениваются со средой энергией и веществом. Процессы самоорганизации в них невозможны. Энтропия изолированной системы стремится к своему максимуму.
Закрытые системы не обмениваются с окружающей средой веществом, но обмениваются энергией. Они способны к фазовым переходам в равновесное упорядоченное состояние. При достаточно низкой температуре в закрытой системе возникает кристаллический порядок.
Открытые системы обмениваются с окружающей средой энергией и веществом. Изменение энтропии открытой системы ds определяется алгебраической суммой энтропии, производимой внутри системы dps, и энтропии, поступающей извне или уходящей во внешнюю среду dcs, то есть:
ds = dps + dcS.
В состоянии прочного равновесия — стационарном состоянии: ds = 0.
Открытые системы в значительной мере характеризуются скоростью производства энтропии в единице объема — функцией диссипации, которая по определению:
dt
где а— функция диссипации (рассеяния); t — время; v — объем.
К открытым равновесным системам относятся также системы, которые при отклонении от стационарного состояния возвращаются в него экспоненциально, без осцилляции. По теории И. Пригожина для открытых равновесных систем в стационарных состояниях функция диссипации имеет минимум, т.е. соблюдается принцип экономии энтропии.
Открытые дисситтивные системы возникают в результате кооперативных процессов. Их поведение нелинейно. Механизм образования диссипативной структуры: подсистемы флуктуируют, иногда достигая точки бифуркации, после которой может наступить порядок более высокого уровня. Переходы в состояния динамической упорядоченности, когерентности, автоколебаний и автокаталитических реакций и результате роста флуктуации являются своего рода фазовыми переходами.
Изолированных и закрытых систем фактически в природе не существует. Можно проанализировать пример любой из таких систем и убедиться, что нет экранов сразу от всех форм материи или энергии, что любая система быстрее — медленнее развивается или стареет. В вечности понятия «быстро» и «медленно» смысла не имеют, поэтому, строго говоря, существуют только открытые диссипативные системы, близкие к равновесию, условно названные открытыми равновесными системами. Изолированные и закрытые системы — заведомо упрощенные схемы открытых систем, полезные при приближенном решении частных задач.
В зависимости от реакции на возмущение воздействия выделяют активные и пассивные системы.
Активные системы способны противостоять воздействиям среды (противника, конкурента и т.д.) и сами могут воздействовать на нее. У пассивные систем это свойство отсутствует.
По характеру поведения все системы подразделяются на системы с управлением и без управления.
Класс систем с управлением образуют системы, в которых реализуется процесс целеполагания и целеосуществления.
Примером системы без управления может служить Солнечная система, в которой траектории движения планет определяются законами механики.
В зависимости от степени участия человека в реализации управляющих воздействий системы подразделяются на технические, человеко-машинные, организационные.
К техническим относятся системы, которые функционируют без участия человека. Как правило, ими являются системы автоматического управления (регулирования), представляющие собой комплексы устройств для автоматического изменения, например, координат объекта управления, с целью поддержания желаемого режима его работы. Такие системы реализуют процесс технологического управления. Они могут быть как адаптивными, т.е. приспосабливающимися с изменению внешних и внутренних условий в процессе работы путем изменения своих параметров или структуры для достижения требуемого качества функционирования, так и неадаптивными.
Примерами человеко-машинных (эргатических) систем могут служить автоматизированные системы управления различного назначения. Их характерной особенностью является то, что человека сопряжен с техническими устройствами, причем окончательное решение принимает человек (ЛПР), а средства автоматизации лишь помогают ему в обосновании правильности этого решения.
К организационным системам относятся социальные системы-группы, коллективы людей, общество в целом.