Рассмотрим одну из возможных реализаций математического обеспечения АСОИУ. 2 страница

Система управления — совокупность взаимодействующих между собой объекта управления и органа управления, деятель­ность которых направлена на достижение заданной цели управ­ления (рис. 1.5).

Задачи, решаемые системой управления. В системе управления решаются четы­ре основные задачи управления: стабилизация, выполнение про­граммы, слежение, оптимизация.

Рис. 1.4. Процесс управления как информационный процесс

Задачами стабилизации системы являются задачи поддержа­ния ее выходных величин вблизи некоторых неизменных задан­ных значений, несмотря на действие помех. Например, стабили­зация напряжения UI и частоты f тока в сети вне зависимости от изменения потребления энергии.

Рис. 1.5. Система управления как совокупность объектов

 

Задача выполнения программы возникает в случаях, когда за­данные значения управляемых величин изменяются во времени заранее известным образом. Например, полет ракеты, выполне­ние работ по заранее намеченному графику.

В тех случаях, когда изменение заданных значений управляе­мых величин заранее неизвестно и когда эти величины должны изменяться в зависимости от значений других величин, возника­ет задача слежения, т. е. как можно более точного соблюдения со­ответствия между текущим состоянием данной системы и состо­янием другой системы. Например, управление производством в условиях изменения спроса, слежение за целью (например, само­летом, кораблем, космическим объектом).

В системах оптимального управления требуется наилучшим образом выполнить поставленную перед системой задачу при за­данных реальных условиях и ограничениях. Понятие оптималь­ности должно быть конкретизировано для каждого отдельного случая.

Прежде чем принимать решение о создании системы управления, необходимо рассмотреть все его этапы, независимо от того, с помощью каких технических средств они будут реализованы. Такой алгоритми­ческий анализ управления является основой для принятия реше­ния о создании системы управления и степени ее автоматизации. При этом анали­зе следует обязательно учитывать фактор сложности объекта уп­равления:

- отсутствие математического описания системы;

     - стохастичность поведения;

- негативность к управлению;

- нестационарность, дрейф характеристик;

- невоспроизводимость экспериментов (развивающаяся система все время как бы перестает быть сама собой, что предъявляет специальные требования к синтезу и коррек­ции модели объекта управления).

Особенности сложной системы часто приводят к тому, что цель управления таким объектом в полной мере никогда не до­стигается, как бы совершенно ни было управление.

Автоматическое и автоматизированное управление. Системы управления делятся на два больших класса: системы автомати­ческого управления (САУ) и автоматизированные системы уп­равления (АСОИУ). В САУ управление объектом или системой осу­ществляется без непосредственного участия человека автома­тическими устройствами. Это замкнутые системы. Основные функции САУ: автоматический контроль и измерения, автомати­ческая сигнализация, автоматическая защита, автоматические пуск и остановка различных двигателей и приводов, автоматичес­кое поддержание заданных режимов работы оборудования, авто­матическое регулирование.

В отличие от САУ в АСОИУ в сферу уп­равления включен человек, на которого возлагаются функции принятия наиболее важных решений и ответственности за при­нятые решения. Под АСОИУ обычно понимают человеко-машин­ные системы, использующие современные экономико-математи­ческие методы, средства электронно-вычислительной техники (ЭВТ) и связи, а также новые организационные принципы для отыскания и реализации на практике наиболее эффективного уп­равления объектом (системой).

В соответствии с общепринятым представлением под автома­тизированной системой понимается «человеко-машинная систе­ма, обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку ин­формации, необходимой для оптимизации управления в любых сферах человеческой деятельности». В определении особо следу­ет выделить понятие «человеко-машинная система».

В автомати­ческих системах функции человека сводятся к разработке, отлад­ке и контролю работы системы. Само же управление осущест­вляется без участия человека. В автоматизированных системах наличие человека (коллектива людей) в контуре управления яв­ляется принципиальным. Человек (коллектив людей) является главным определяющим звеном системы управления, поскольку он принимает решения и несет за них всю ответственность — в этом принципиальная разница между автоматическими и авто­матизированными системами.

1.2. Терминология теории автоматизированного управления

Определение понятия «система». В настоящее время нет единства в определении понятия «система». В первых определе­ниях в той или иной форме говорилось о том, что система — это элементы и связи (отношения) между ними.

Например, осново­положник теории систем Людвиг фон Берталанфи определял сис­тему как комплекс взаимодействующих элементов или как сово­купность элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом и со средой.

 А. Холл определяет систему как мно­жество предметов вместе со связями между предметами и между их признаками. Ведутся дискуссии, какой термин — «отноше­ние» или «связь» — лучше употреблять.

Позднее в определениях системы появляется понятие цели. Так, в «Философском словаре» система определяется как «сово­купность элементов, находящихся в отношениях и связях между собой определенным образом и образующих некоторое целост­ное единство».

В последнее время в определение понятия системы наряду с элементами, связями и их свойствами и целями начинают вклю­чать наблюдателя, хотя впервые на необходимость учета взаимо­действия между исследователем и изучаемой системой указал один из основоположников кибернетики У.Р. Эшби.

М. Масарович и Я. Такахара в книге «Общая теория систем» считают, что система — «формальная взаимосвязь между наблю­даемыми признаками и свойствами».

В качестве «рабочего» определения понятия системы в ли­тературе по теории систем часто рассматривается следующее:

система — множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определенную целостность, единство.

Рассмотрим основные понятия, характеризующие строение и функционирование систем.

Элемент. Под элементом принято понимать простейшую не­делимую часть системы. Ответ на вопрос, что является такой час­тью, может быть неоднозначным и зависит от цели рассмотрения объекта как системы, от точки зрения на него или от аспекта его изучения. Таким образом, элемент — это предел членения систе­мы с точки зрения решения конкретной задачи и поставленной цели. Систему можно расчленить на элементы различными спо­собами в зависимости от формулировки цели и ее уточнения в процессе исследования.

Подсистема. Система может быть разделена на элементы не сразу, а последовательным расчленением на подсистемы, кото­рые представляют собой компоненты более крупные, чем эле­менты, и в то же время более детальные, чем система в целом. Возможность деления системы на подсистемы связана с вычле­нением совокупностей взаимосвязанных элементов, способных выполнять относительно независимые функции, подцели, на­правленные на достижение общей цели системы. Названием «подсистема» подчеркивается, что такая часть должна обладать свойствами системы (в частности, свойством целостности). Этим подсистема отличается от простой группы элементов, для кото­рой не сформулирована подцель и не выполняются свойства це­лостности (для такой группы используется название «компонен­ты»), Например, подсистемы АСОИУ, подсистемы пассажирского транспорта крупного города.

Структура. Это понятие происходит от латинского слова structure, означающего строение, расположение, порядок. Струк­тура отражает наиболее существенные взаимоотношения между элементами и их группами (компонентами, подсистемами), кото­рые мало меняются при изменениях в системе и обеспечивают существование системы и ее основных свойств. Структура — это совокупность элементов и связей между ними. Структура может быть представлена графически, в виде теоретико-множественных описаний, матриц, графов и других языков моделирования структур.

Структуру часто представляют в виде иерархии. Иерархия — это упорядоченность компонентов по степени важности (много­ступенчатость, служебная лестница).

Между уровнями иерархи­ческой структуры могут существовать взаимоотношения строгого подчинения компонентов (узлов) нижележащего уровня одному из компонентов вышележащего уровня, т. е. отношения так на­зываемого древовидного порядка. Такие иерархии называют сильными или иерархиями типа «дерево». Они имеют ряд осо­бенностей, делающих их удобным средством представления сис­тем управления.

Однако могут быть связи и в пределах одного уровня иерархии. Один и тот же узел нижележащего уровня мо­жет быть одновременно подчинен нескольким узлам вышележа­щего уровня. Такие структуры называют иерархическими струк­турами со слабыми связями. Между уровнями иерархической структуры могут существовать и более сложные взаимоотноше­ния, например, типа «страт», «слои», «эшелоны». Примеры ие­рархических структур: энергетические системы, АСОИУ, государс­твенный аппарат.

Связь. Понятие «связь» входит в любое определение системы наряду с понятием «элемент» и обеспечивает возникновение и сохранение структуры и целостных свойств системы. Это поня­тие характеризует одновременно и строение (статику), и функци­онирование (динамику) системы.

Связь характеризуется направлением, силой и характером (или видом). По первым двум признакам связи можно разделить на направленные и ненаправленные, сильные и слабые, а по ха­рактеру - на связи подчинения, генетические, равноправные (или безразличные), связи управления.

Связи можно разделить также по месту приложения (внутренние и внешние), по направ­ленности процессов в системе в целом или в отдельных ее под­системах (прямые и обратные).

Связи в конкретных системах мо­гут быть одновременно охарактеризованы несколькими из на­званных признаков.

Важную роль в системах играет понятие «обратной связи». Это понятие, легко иллюстрируемое на примерах технических устройств, не всегда можно применить в организационных сис­темах. Исследованию этого понятия большое внимание уделя­ется в кибернетике, в которой изучается возможность перене­сения механизмов обратной связи, характерных для объектов одной физической природы, на объекты другой природы. Об­ратная связь является основой саморегулирования и развития систем, приспособления их к изменяющимся условиям сущест­вования.

Состояние. Понятием «состояние» обычно характеризуют мгновенную фотографию, «срез» системы, остановку в ее разви­тии. Его определяют либо через входные воздействия и выходные сигналы (результаты), либо через макропараметры, макросвойс­тва системы. Например, давление, скорость, ускорение — для фи­зических систем. Производительность, себестоимость продукции, прибыль — для экономических систем.

Более полно состояние можно определить, если рассмотреть элементы (или компоненты, функциональные блоки), опреде­ляющие состояние, учесть, что «входы» можно разделить на уп­равляющие и возмущающие х (неконтролируемые) и что «вы­ходы» (выходные результаты, сигналы) зависят от , и и х, т. е. . Тогда в зависимости от задачи состояние может быть определено как , { } или { }.

Таким образом, состояние — это множество существенных свойств, которыми система обладает в данный момент времени (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Система как «черный ящик»

Поведение. Если система способна переходить из одного со­стояния в другое (например, ), то говорят, что она об­ладает поведением. Этим понятием пользуются, когда неизвестны закономерности переходов из одного состояния в другое. Тогда говорят, что система обладает каким-то поведением, и выясняют его закономерности. С учетом введенных выше обозначений по­ведение можно представить как функцию .

Внешняя среда. Под внешней средой понимается множество элементов, которые не входят в систему, но изменение их состо­яния вызывает изменение поведения системы.

Модель. Под моделью системы понимается описание системы, отображающее определенную группу ее свойств. Углубление опи­сания — детализация модели. Создание модели системы позволяет предсказывать ее поведение в определенном диапазоне условий.

Модель функционирования (поведения) системы — это модель, предсказывающая изменение состояния системы во времени, на­пример: натурные, электрические, машинные и другие модели.

Равновесие — это способность системы в отсутствие внешних возмущающих воздействий (или при постоянных воздействиях) сохранить свое состояние сколь угодно долго.

Устойчивость. Под устойчивостью понимается способность системы возвращаться в состояние равновесия после того, как она была из этого состояния выведена под влиянием внешних возмущающих воздействий. Эта способность обычно присуща системам при постоянном значении  если только отклонения не превы­шают некоторого предела.

Состояние равновесия, в которое система способна возвра­щаться, по аналогии с техническими устройствами называют ус­тойчивым состоянием равновесия. Равновесие и устойчивость в экономических и организационных системах — гораздо более сложные понятия, чем в технике, и до недавнего времени ими пользовались только для некоторого предварительного описа­тельного представления о системе. В последнее время появились попытки формализованного отображения этих процессов и в сложных организационных системах, помогающие выявлять па­раметры, влияющие на их протекание и взаимосвязь.

Развитие. Исследованию процесса развития, соотношения процессов развития и устойчивости, изучению механизмов, ле­жащих в их основе, уделяют в кибернетике и теории систем боль­шое внимание. Понятие развития помогает объяснить сложные термодинамические и информационные процессы в природе и обществе.

Цель. Применение понятия «цель» и связанных с ним поня­тий целенаправленности, целеустремленности, целесообразнос­ти сдерживается трудностью их однозначного толкования в кон­кретных условиях.

Это связано с тем, что процесс целеобразования и соответствующий ему процесс обоснования целей в организационных системах весьма сложен и не до конца изучен. Большое внимание его исследованию уделяется в психологии, философии, кибернетике.

В Большой Советской Энциклопедии цель определяется как «заранее мыслимый результат сознатель­ной деятельности человека».

В практических применениях цель — это идеальное устремление, которое позволяет коллективу увидеть перспективы или реальные возможности, обеспечиваю­щие своевременность завершения очередного этапа на пути к идеальным устремлениям.

В настоящее время в связи с усилением программно-целевых принципов в планировании исследова­нию закономерностей целеобразования и представления целей в конкретных условиях уделяется все больше внимания. Например: энергетическая программа, продовольственная программа, жи­лищная программа, программа перехода к рыночной экономике.

Определение большой системы. Существует ряд подходов к раз­делению систем по сложности. В частности, Г. Н. Поваров в зави­симости от числа элементов, входящих в систему, выделяет четы­ре класса систем: малые системы (10...10³ элементов), сложные (10⁴...10⁷ элементов), ультрасложные (10⁷...10³⁰ элементов), су­персистемы (10³⁰... 10²⁰⁰ элементов). Так как понятие элемента возникает относительно задачи и цели исследования системы, то и данное определение сложности является относительным, а не абсолютным.

Английский кибернетик С. Бир классифицирует все кибер­нетические системы на простые и сложные в зависимости от способа их описания. Такими способами, по его мнению, являются  детерминированное и теоретико-вероят­ностное описание.

 Л. И. Берг определяет сложную систему как систему, которую можно описать не менее чем на двух различных матема­тических языках (например, с помощью теории дифференциаль­ных уравнений и алгебры Буля).

Очень часто сложными системами называют системы, кото­рые нельзя корректно описать математически либо потому, что в системе имеется очень большое число элементов, неизвестным образом связанных друг с другом, либо потому, что неизвестна природа явлений, протекающих в системе. Все это свидетельс­твует об отсутствии единого определения сложности системы.

 

Лекция 3

При разработке сложных систем возникают проблемы, отно­сящиеся не только к свойствам их составляющих элементов и подсистем, но также к закономерностям функционирования сис­темы в целом. При этом появляется широкий круг специфи­ческих задач, таких, как определение общей структуры систе­мы, организация взаимодействия между элементами и подсис­темами, учет влияния внешней среды, выбор оптимальных режимов функционирования системы, оптимальное управление системой и др.

Чем сложнее система, тем большее внимание уделяется этим вопросам. Математической базой исследования сложных систем является теория систем. В теории систем большой системой (сложной, системой большого масштаба, Large Scale Systems) назы­вают систему, если она состоит из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов и способна выпол­нять сложную функцию.

Четкой границы, отделяющей простые системы от больших, нет. Деление это условное и возникло из-за появления систем, имеющих в своем составе совокупность подсистем с наличием функциональной избыточности.

Простая система может нахо­диться только в двух состояниях: состоянии работоспособности (исправном) и состоянии отказа (неисправном). При отказе эле­мента простая система либо полностью прекращает выполнение своей функции, либо продолжает ее выполнение в полном объ­еме, если отказавший элемент резервирован.

Большая система при отказе отдельных элементов и даже целых подсистем не всег­да теряет работоспособность, зачастую только снижаются харак­теристики ее эффективности. Это свойство больших систем обус­ловлено их функциональной избыточностью и, в свою очередь, затрудняет формулировку понятия «отказ» системы.

Под большой системой понимается совокупность материаль­ных ресурсов, средств сбора, передачи и обработки информации, людей-операторов, занятых на обслуживании этих средств, и лю­дей-руководителей, облеченных надлежащими правами и ответственностью за принятие решений. Материальные ресурсы — это сырье, материалы, полуфабрикаты, денежные средства, различ­ные виды энергии, станки, оборудование, люди, занятые на вы­пуске продукции, и т. д. Все указанные элементы ресурсов объ­единены с помощью некоторой системы связей, которые по за­данным правилам определяют процесс взаимодействия между элементами для достижения общей цели или группы целей.

---

Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 331; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!