Принципы системного анализа и системный подход

ЛЕКЦИЯ 1 Теоретические основы автоматизации управления

Система - совокупность элементов, связанных для достижения определенной цели.

Подсистема - составная, относительно самостоятельная, часть системы, выделенная по определенному признаку.

Теоретические основы построения АСУ базируются на следующих основных принципах системного анализа [5].

1. Принцип деление целого на части.

Любую сложную систему проще проектировать по частям. То, что невозможно сделать сразу для всей системы, можно сделать для отдельных ее частей. Чем точнее и полнее выделены части, элементы системы, определено положение и взаимодействие этих элементов, тем эффективнее осуществляется процесс проектирования, функционирования системы.

Структуризация системы может проводиться по следующим признакам:

а) По роли составляющих элементов в решении задач управления АСУ подразделяют на функциональную и обеспечивающую часть. Функциональная часть АСУ - это совокупность подсистем или комплексов задач, составляющих содержательную часть управления (подсистема материально-технического обеспечения, подсистема сбыта и т.д.). Обеспечивающая часть служит для осуществления функционирования системы в автоматизированном режиме (информационная подсистема, техническая подсистема и т.д.).

б) По функциональному признаку (функции управления) выделяют подсистемы прогнозирования, стратегического планирования, оперативного планирования, учета, контроля и т.д.

в) По временному признаку организуют подсистемы управления на год, квартал, месяц.

г) По организационному признаку в виде подсистем выделяют отдельные цеха, участки, производства и т.д.

д) По наборам задач выделяют структурные элементы в соответствии с решаемыми задачами, учитывая их задач, информационные связи, особенности объекта управления.

2. Принцип иерархии.

Обеспечивает реализацию стратегии целенаправленного поведения системы во времени и пространстве. Верхние уровни реализуют стратегию поведения системы на перспективу. Нижние уровни реализуют и определяют текущее поведение системы.

3. Принцип необходимого и достаточного разнообразия.

Разнообразие управления проявляется в использовании различных методов управления и вариантов организационных структур.

4. Принцип эмерджентности.

Этот принцип заключается в том, что сложная система может обладать свойствами, не присущими ни одному из ее элементов в отдельности, и тенденция изменения параметров, характерных для отдельных частей системы, не совпадает с тенденцией изменения аналогичных параметров всей системы.

5. Принцип внешнего дополнения.

Любая система связана с внешней средой и подвержена различным возмущениям, не учитываемым планом. Реализация этого принципа осуществляется системой резервов.

6. Принцип обратной связи.

Сущность этого принципа состоит в постоянном получении сведений о результатах управляющих воздействий. На основе этой информации управляющая система прогнозирует состояние объекта управления, сравнивает его с заданным и в случае отклонений переводит объект в требуемый режим. Этим обеспечивается синхронность между выдаваемыми плановыми заданиями и полученной информацией об их выполнении, учет возникающих отклонений от плана [6].

Системный подход ориентирует исследования на раскрытие целостности объекта и обеспечивающих ее механизмов, на выявление многообразных типов связей частей объекта и сведение их в единую теоретическую картину. Необходимость системного подхода при создании АСУ объясняется ускоренными темпами развития науки и производства, возрастающей сложностью систем, увеличением длительности разработок, быстрым старением проектируемых систем [7].

Необходимость конструирования сложных АСУ привела к использованию системного подхода в технике, в результате чего появилась новая научно-техническая дисциплина системотехника, которая охватывает вопросы проектирования сложных систем.

Системотехника используется для описания обобщенного подхода к проектированию систем, предназначенных для решения различных задач. Основное условие системотехники - это решение задач наиболее эффективным способом, причем каждый элемент системы рассматривается во взаимодействии с другими [8].

К числу задач, решаемых на основе системотехнического подхода, относят: определение общей структуры системы, организацию взаимодействия между подсистемами, учет влияния внешней среды, выбор оптимальной структуры, оптимальных алгоритмов функционирования.

Обычно проектирование сложных АСУ подразделяют на две стадии: макропроектирование, в процессе которого решаются функционально-структурные вопросы системы в целом и микропроектирование, связанное с разработкой элементов системы, с получением технических решений по основным элементам. Системотехника определяется как совокупность методов, подходов, связанных с макропроектированием сложных систем.

Макропроектирование начинается с формулировки проблемы, которая включает три основных раздела:

1. Определение целей создания системы и круга решаемых задач.

2. Описание действующих на систему факторов, которые необходимо учитывать при разработке.

Необходимо оговорить внешние условия, в которых будет функционировать проектируемая система, выделить те связи с внешней средой, которые являются наиболее существенными, задать приближенное описание этих связей, для чего может использоваться опыт эксплуатации аналогичных систем, статистические данные, данные экспериментальных исследований.

3. Выбор показателей эффективности системы [9].

Под эффективностью понимается обобщенное свойство системы, характеризующее степень приспособленности ее к выполнению поставленных задач. Для количественной оценки эффективности системы выбирают обычно несколько показателей. Характер выбранных показателей определяет основные направления в поиске свойств системы, обеспечивающих оптимальное выполнение поставленных задач. В общем случае выбранная система показателей эффективности зависит от структуры системы, характера связей между элементами, вида управляющих алгоритмов, закономерностей функционирования, параметров внешней среды.

После формулировки проблемы приступают к определению вариантов построения системы. Исследование вариантов начинается с анализа их эффективности. Для получения методики расчета показателей эффективности необходимо построить математическую модель функционирования системы, которая позволяет выявить зависимость показателей эффективности от параметров системы, внешней среды, структуры и алгоритмов взаимодействия элементов в системе [10].

Модель - описание системы, отображающее определенную группу ее свойств. Математическая модель является основой для решения следующих задач анализа и синтеза системы [11]. Под анализом понимаем определение численных значений показателей эффективности системы при заданных ее параметрах, характеристиках внешней среды, фиксированной структуре, алгоритме взаимодействия элементов. Синтез - это выбор оптимальной структуры, алгоритмов взаимодействия, параметров системы, оптимального управления системой.

Модель рассмотрим с трех точек зрения.

1. Функциональное описание необходимо для определения назначения системы, оценки ее отношения к другим системам и к внешней среде. При построении функционального описания используются следующие понятия:

- состояние - множество существенных свойств, которыми система обладает в данный момент времени;

- внешняя среда - множество элементов, которые не входят в систему, но изменение их состояния вызывает изменение состояния системы;

- модель функционирования системы - модель, предсказывающая изменения состояния системы во времени.

2. Морфологическое описание дает общее представление о строении системы. Глубина описания и уровень детализации определяются назначением системы и целью исследования. Изучение морфологии начинается с элементного состава. Морфологические свойства системы зависят от характера связей между элементами. Выделяют информационные связи (для передачи информации), вещественные связи (для передачи и изменения свойств материала) и т.д.

В результате морфологического описания возникает понятие структуры. Структура - это совокупность элементов и связей между ними.

3. Информационное описание дает представление об организации системы, определяет зависимость морфологических и функциональных свойств системы от качества и количества внутренней и внешней информации [7].

Так как зависимости между параметрами являются сложными и разнообразными, то построение единой математической модели оказывается затруднительным. Поэтому для моделирования сложных АСУ используют принцип многоуровневого, иерархического описания. Применение многоуровневой модели вытекает из необходимости простоты ее построения, учета многочисленных характеристик сложных систем [12,13].

Применительно к сложным АСУ выделяют три уровня.

Уровень 1. Информационное описание.

Соответствует взгляду на систему в целом и на ее взаимодействие с внешней средой. При этом разработчиков интересуют все информационные связи системы с внешней средой, роль системы как преобразователя информации.

Уровень 2. Функциональное описание.

Выявляет способ реализации закона управления, определяет функциональные элементы АСУ и отношения между ними. В результате определяется функциональная структура системы, в которой каждая функциональная подсистема выполняет определенную часть общего алгоритма управления.

Уровень 3. Системотехническое описание.

Выявляет структуру комплекса технических средств АСУ, под которой понимаются: состав, связи групп оборудования; номенклатура, число и размещение технических средств каждой группы. Технические подсистемы предназначены для реализации отдельных самостоятельных функций в составе общего процесса преобразования информации.

В соответствии с этими уровнями описания возникают следующие задачи, решаемые на этапе проектирования АСУ:

- определение взаимоотношений системы управления с внешней средой и объектом управления, формирование закона управления;

- алгоритмизация закона управления, разработка функциональной структуры;

- выбор технических средств для реализации информационных процессов, разработка структуры комплекса технических средств.

Дата добавления: 2014-01-15