Решение задач синтеза систем управления

Формирование замысла и цели создания системы управления

Замысел возникает на основании полученного задания, выделения недостатков существующей системы управления, появления практической потребности или новых научных достижений.

Формирование замысла начинается с исторического анализа проблемы, практических возможностей, научного достижения, потребности, анализа сходных систем, сложившейся ситуации, чужих мнений и всех сопутствующих факторов. Это - творческий этап, слабоструктурированный и слабоформализуемый.

Результатами решения задачи формирования замысла и цели создания системы должны быть:

определение назначения системы управления;

определение цели (целевой функции);

определение задач системы;

формулирование основной идеи создания системы;

определение направлений разработки системы.

Формирование вариантов новой системы

Варианты системы формируются на основе анализа общей цели создания системы, изучения общественных потребностей, предполагаемого объема удовлетворения этих потребностей, изучения состояния и перспектив развития аналогичных отечественных и зарубежных систем.

Процесс формирования каждого варианта новой системы может быть описан концептуальной и математической моделями.

Рассмотрим порядок построения концептуальной модели варианта новой системы управления.

При построении концептуальной модели можно выделить несколько этапов.

На первом этапе определяется уровень детализации концептуальной модели варианта системы.

Модель системы представляет собой совокупность подсистем (элементов). В эту совокупность входят все подсистемы (элементы), обеспечивающие сохранение целостности системы. Исключение же каких-либо элементов не должно приводить к потере основных свойств системы при выполнении предназначенных ей функций.

В свою очередь, каждая подсистема состоит из совокупности элементов, которые тоже могут быть расчленены на элементы. Таким образом, проблема выбора уровня детализации может быть решена путем построения иерархической последовательности моделей, где система представляется семейством моделей, каждая из которых отражает ее поведение на различных уровнях детализации. На каждом уровне, безусловно, существуют характерные особенности системы, принципы и зависимости, определяющие ее поведение.

Выбор уровня детализации зависит от целей моделирования и степени предварительного знания свойств элементов. Обычно в модель включают элементы одного уровня детализации, но может возникнуть необходимость в построении модели из элементов разных уровней.

На втором этапе построения концептуальной модели осуществляется ее локализация (установление границ взаимодействия со сверхсистемой) путем представления внешней среды в виде генераторов внешних воздействий, причем эти генераторы включаются в состав системы в качестве ее элементов. Приемники же воздействия системы на среду и(или) другую систему в модель обычно не включаются, полагая при этом, что результаты функционирования системы внешняя среда (другая система) принимает полностью и без задержек (рис. 2.1).

На третьем этапе завершается построение структуры модели с указанием связей между составляющими ее элементами. Связи могут быть разделены на вещественные и информационные.

В системах управления информационные связи имеют первостепенное значение. Причем прежде всего следует выделить функционально необходимые внутренние связи, которые обусловливают целостность модели и обеспечивают ее адекватность системе.

Каждый формируемый вариант системы включает различные виды описаний: структурное (морфологическое), функциональное, информационное и параметрическое.

Структурное описание включает описание структуры и видов обеспечения системы управления, назначения, состава и размещения ее элементов.

Функциональное описание включает решаемые системой задачи, порядок функционирования системы.

Информационное описание включает описание входной и выходной информации, потоков информации, циркулирующей в системе, способов представления и передачи.

Параметрическое описание включает перечень количественных показателей (параметров), характеризующих отдельные свойства системы, которые необходимо обеспечить в процессе ее создания.

Требования к показателям в виде различных ограничений формируются в процессе оценки эффективности каждого исследуемого варианта системы и уточняются при ее разработке.

На четвертом этапе определяются управляемые характеристики, т.е. в модель должны войти те параметры (показатели) системы, допускающие варьирование своих значений в процессе моделирования, которые обеспечат нахождение интересующих разработчика моделей характеристик при конкретных внешних воздействиях на заданном временном интервале функционирования системы. Остальные параметры необходимо, по возможности, исключить из модели, естественно, без ущерба для ее адекватности, а при необходимости ввести их в ограничения. Желательно, чтобы в концептуальной модели были конкретизированы все решающие правила или алгоритмы управления элементами и(или) процессами модели, которые отражают статику системы.

На пятом этапе описывается динамика системы. Полученную ранее модель необходимо дополнить описанием функционирования системы. Следует отметить, что в сложных системах зачастую протекает несколько процессов одновременно. Каждый процесс представляет собой определенную последовательность отдельных элементарных операций, часть которых может выполняться параллельно разными элементами (ресурсами) системы.

Приведение описаний варианта системы во взаимное соответствие

Приведение описаний варианта системы во взаимное соответствие включает.

· сопоставление описаний (структурного, функционального, информационного, параметрического);

· устранение противоречий;

· объединение названных описаний.

Сопоставление описаний. Выполнение требований информационного описания обеспечивается морфологически (структурно) и функционально. Сначала решается вопрос о совместимости информационного описания. Функциональное описание может быть недостаточным для охвата блоков или процессов структурного описания и тогда его нужно дополнить (в частности, путем проведения новых исследований). Все блоки структурного описания должны быть охвачены функциональным описанием, содержать способы и формулы для вычисления всех выходных и промежуточных параметров. Далее требуется выяснить, в какой мере информационное описание обеспечено функционально и морфологически. Часть результатов, которые можно рассматривать как требования, окажутся нереализуемыми морфологически либо потребуют разработки новых элементов (подсистем). На основании морфологического и функционального описания вычисляются (без требования совместимости) наиболее близкие из достижимых параметров, входящих в параметрическое описание. Здесь может быть два случая: 1) требуемые значения параметров недостижимы; 2) требуемые значения параметров достижимы порознь, но несовместимы. В первом случае необходимы выдвижение идей, перестройка морфологии или функциональных возможностей, во втором - конструктивная перестройка.

Устранение противоречий. Выдвижение идей или ассоциативный поиск для эффективной замены элементов морфологического описания производится на основании функциональных свойств системы. Для этого необходимо выявить коренное противоречие, препятствующее достижению положительного результата. Функциональная недостаточность является исходным толчком для обнаружения коренного противоречия. Выявление сущности противоречия требует анализа морфологических и информационных свойств системы. Устранение противоречия путем компромисса, чтобы общее их сочетание было удовлетворительным, редко бывает перспективным. Расширение диапазона применения может приводить к непримиримому противоречию. В этом случае требуются новые идеи, т.е. включение в систему подсистем или элементов с принципиально новыми свойствами, радикальная перестройка структуры и связей, создание новых процессов и т.д. Этап является многошаговым и заканчивается новым описанием системы.

Объединение описаний. Составление единого описания, охватывающего морфологические, функциональные, информационные свойства и параметры в полном объеме.

Оценка эффективности вариантов и принятия решения о выборе варианта новой системы

Решение данной задачи включает:

· определение значений выбранных показателей эффективности каждого исследуемого варианта создаваемой системы;

· сравнительную оценку эффективности, которая производится в соответствии с заданным правилом предпочтений и установленным критерием;

· принятие решения о выборе наилучшего варианта системы.

После выбора окончательного варианта системы уточняется критерий эффективности системы, формируется исходный вариант значений показателей системы управления и производится повторный синтез системы который приобретает каждый раз все большую определенность.

Разработка требований к системе управления

Для искусственных систем организационного или эргатического (человеко-машинного) типа четко сформулировать цель очень сложно. Цель вырабатывается в виде количественно-качественных требований к существенным свойствам системы, определяющим ситуацию или область ситуации в n-мерном пространстве, которая должна быть достигнута при функционировании системы (величина п обусловливается количеством выделенных существенных свойств объекта).

Требования формируются в виде показателей (количественные) и характеристик (качественные). Как правило, требования задаются в виде ограничения на допустимые пределы значений показателей.

Разработка требований производится в процессе решения всех перечисленных выше задач. Общие требования к системе управления документально оформляются, а затем уточняются отдельные требования к ее элементам, включая элементы, выделяемые при морфологическом (структурном), функциональном, информационном и параметрическом описании системы.

Разработка программ реализации требований к системе управления

Обычно программа или план реализации требований включает:

· перечень целей и задач (заданий) исполнителям (ответственным за создание системы управления), развернутых во времени, взаимосвязанных по отношению к общей цели создания новой системы и сбалансированных по ресурсам и отношению к общей цели создания новой системы;

· график (порядок) обеспечения исполнителей ресурсами (информационными, материальными, энергетическими и др.).

Сбалансированность по ресурсам означает, что нет задач, не обеспеченных ресурсами, и что ограниченные ресурсы рационально распределены между всеми исполнителями.

Реализация разработанных требований к системе управления

Целью задачи является реализация разработанных требований к системе управления в заданные сроки, в соответствии с разработанной программой. Процесс непосредственного создания новой системы управления очень сложен.

Рассмотрим условные этапы реализации разработанных требований к человеко-машинной (эргатической) системе управления:

моделирование (математическое, физическое, сценарное) подсистем и системы в целом;

макетирование системы;

проектирование системы;

конструирование системы;

изготовление системы;

испытание системы;

оценка путей модернизации;

возвращение к анализу замысла создания системы и перспектив его развития в связи с созданием новой системы.

Кратко охарактеризуем эти этапы.

Моделирование подсистем и системы в целом. На этом этапе концептуальное описание системы реализуется с помощью математической модели.

Целью моделирования является проверка разных аспектов функционирования системы, ее устойчивость по отношению к внешним факторам и оценка эффективности (по функциональному и физическому критерию) ее функционирования в разных условиях работы. Отработка модели включает создание всего оценочного аппарата. Моделирование позволяет повысить эффективность системы (по физическому критерию) путем дополнительного изменения ее морфологии и функциональных свойств. На основании результатов моделирования делается вывод о переходе к следующему этапу разработки или уточнении требований.

Макетирование системы. Главная задача макетирования состоит в отработке устройств, основанных на новых идеях.

Различают полное и частичное макетирование. Частичное макетирование применяется в тех случаях, когда основные подсистемы ясны и требуется уточнить отдельные блоки. Результаты частичного макетирования используются для повторного моделирования системы и дополнительной ее отработки на основании новых данных. Полное макетирование основных и вспомогательных подсистем применяется при разработке новых систем.

Этап макетирования является решающим и завершающим для творческой части разработки, а далее начинается технологическая часть.

Проектирование системы. Задача проектирования - охватить всю систему, а также средства и методы, необходимые для ее создания и обеспечения.

В проекте не должно быть сомнительных вопросов: проектирование должно опираться на полную информацию и решать только инженерные (в широком смысле) задачи.

Конструирование системы. Конструкция определяет пространственно-временное расположение элементов системы, их сопряжение, соединение и стыковку.

Задачей конструирования является разработка технологии изготовления системы либо указание на возможность использования готовой технологии.

Описание конструкции должно быть развито до уровня, доступного и понятного лицам, не участвовавшим в разработке системы и не знакомым с исходными идеями.

Изготовление системы. Под изготовлением новой системы понимаются поэлементная и поблочная (подсистемная) отработка, а также, создание процесса и организации.

Технология и практика изготовления системы накладывают свой отпечаток на элементы системы и ее свойства в целом.

Для новых систем возможны случаи, когда изготовление подсистем с требуемыми параметрами (подготовка процесса, подбор персонала, отработка слаженности групп) оказывается непосильной задачей, и тогда неизбежна соответствующая дополнительная работа (усовершенствование производства, обучение персонала, изменение условий) или возвращение к одному их исходных этапов.

Испытание системы. Испытание включает натурную и модельную части с жесткой связью между ними. Для сложных систем натурные испытания могут составить (ввиду их дороговизны, сложности и продолжительности) до 10% всей работы. Испытания проводятся на основании физического критерия эффективности. Планирование экспериментов предполагает комплексный подход и последовательный анализ результатов с тем, чтобы результаты предыдущих экспериментов в полном объеме учитывались в последующих.

На испытаниях отрабатывается способ применения системы и повышение максимально допустимого значения ее эффективности (по физическому критерию). Испытания определяют соответствия системы своему назначению и целевой функции - по функциональному критерию, который вычисляется по результатам испытаний.

Перспективы дальнейшего развития системы оцениваются на основании сопоставления физического и функционального критериев с точки зрения возможностей и путей их дальнейшего увеличения.

Оценка путей модернизации. Научно-технический прогресс создал новую ситуацию в мире выбора альтернатив создания новых систем, которая обусловлена следующими обстоятельствами:

жизненный цикл созданной человеком системы (техники, оружия) стал намного меньше жизни человека;

сокращение жизненного цикла созданной человеком системы сопровождается возрастанием полного цикла создания системы;

наличие проблемы вложения средств и ресурсов.

Вырос масштаб создаваемых человеком систем. Некоторые из них, например, энергетические, транспортные, информационные, стали глобальными. С ростом сложности и масштаба создания новой системы возросли затраты на их реализацию. Риск при выборе варианта создания новой' системы становится все ощутимее.

Основой продления жизненного цикла системы является ее своевременная и неоднократная модернизация, идеи которой закладываются на этапе создания системы.

Следовательно, для придания системе какого-либо свойства надо строить ее подсистему, взаимосвязанную со всеми другими подсистемами, генеральной целью которой будет эффективное проявление этого свойства и, естественно, обеспечение его проявления.

Существенность (значимость) любого свойства системы будет зависеть в первую очередь от значимости подсистемы, его проявляющей и обеспечивающей это проявление.

Еще более сложно установление отношений между свойствами и процессами. Выявление совокупности этих отношений, установление взаимосвязей свойств системы и процессов, их показателей является важнейшей задачей исследования систем управления.

Выделение существенных свойств процессов и систем - в основном процесс творческий, он носит неформальный характер и во многом зависит от квалификации исследователя, его опыта и интуиции. Часть свойств определяется исследователем при выработке требований, так как последние предъявляются к значениям показателей существенных свойств системы или процесса.

Определение (оценка) значений показателей существенных свойств производится, как правило, двумя способами: "прямыми замерами" на системе и с использованием модели ее функционирования.

Важным моментом является формирование правил определения факта и величины несоответствия между значениями показателей существенных свойств процесса системы и требуемыми их значениями.

Резюме

3. Системный подход - это подход к исследованию объекта (проблемы, явления, процесса) как к системе, в которой выделены элементы, внутренние и внешние связи, наиболее существенным образом влияющие на результаты его функционирования, а цели каждого из элементов определены исходя из общего предназначения объекта. Системный подход как общеметодический принцип используется в различных отраслях науки и деятельности человека. Гносеологической основой его является общая теория систем. Системный подход посвящен решению системных задач, в которых объект исследований представляется в виде систем. Системные задачи могут быть двух типов: системного анализа или системного синтеза Задача анализа предполагает определение свойств системы по известной ее структуре, а задача синтеза — определение структуры системы по ее свойствам.

4. Под анализом систем управления понимается процесс исследования, основанный на декомпозиции системы управления, с последующим определением ее статических и динамических характеристик составляющих элементов, рассматриваемых во взаимосвязи с другими элементами системы и окружающей средой.

Цели анализа систем управления: детальное изучение системы управления для более эффективного использования и принятия решения о ее дальнейшем совершенствовании или замене; исследование альтернативных вариантов вновь создаваемой системы управления с целью выбора ее наилучшего варианта

К задачам анализа систем управления относятся: определение объекта анализа; определение функциональных особенностей системы управления; определение количественных и качественных показателей системы управления; оценка эффективности системы управления; обобщение и оформление результатов анализа.

3. Под синтезом систем управления понимается процесс создания (совершенствования; организаций проектирования) систем управления. Синтез систему правления осуществляется путем согласования статических и динамических характеристик системы, обеспечивающих в совокупности максимальную степень соответствия системы поставленным задачам.

Цели синтеза систем управления: создание новых систем управления на основе достижений науки и техники; совершенствование существующих систем управления на основе выявленных недостатков, появление новых задач и требований.

Синтез представляет собой многошаговый итеративный процесс.

К задачам синтеза систем управления относятся: формирование замысла и цели создания системы; формирование вариантов новой системы; приведение описания вариантов системы во взаимное соответствие; оценка эффективности вариантов и принятие решения о выборе варианта новой системы; разработка требований к системе управления; разработка программ реализации требований к системе управления; реализация разработанных требований к системе управления.

Опыт исследования объектов различного состава, содержания и области применения (общественных, физических, технических, эргатических, биологических, мыслительных конструкций и т.д.) позволяет сформулировать три основных принципа анализа и синтеза,которые можно положить в основу исследования, использования и создания сложных систем управления: принцип физичности; принцип моделируемости; принцип целенаправленности.

Выделяют следующие виды анализа и синтеза систем управления: структурный анализ и синтез систем управления; функциональный анализ и синтез систем управления; информационный анализ и синтез систем управления; параметрический анализ и синтез систем управления.

Сущностью структурного анализа является определение статических характеристик систем по известной ее структуре. Структурный анализ проводится с целью исследования статических характеристик системы путем выделения в ней подсистем и элементов различного уровня и связей между ними. Объектами исследования структурного анализа являются различные варианты структур системы управления, которые формируются в процессе ее декомпозиции.

Сущностью структурного синтеза является разработка (создание, проектирование, совершенствование, реорганизация и организация системы), которая должна обладать желаемыми свойствами. Структурный синтез проводится с целью обоснования множества элементов структуры, отношений и связей, обеспечивающих в совокупности максимальное соответствие заданным требованиям. Объектами исследования структурного синтеза являются различные варианты разрабатываемых (совершенствуемых) структур 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. 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.).

Сущностью функционального синтеза является обоснование динамических характеристик системы управления, которые должны обладать желаемыми свойствами. Целью функционального синтеза является обоснование оптимальных или рациональных характеристик процессов функционирования системы управления, т.е. процессов изменения ее состояний с течением времени в соответствии с поставленной целью.

Сущностью информационного анализа является определение объекта и форм представления информации, методов и средств ее передачи, обработки, хранения, ввода и вывода для известной структуры и алгоритма функционирования системы управления. Информационный анализ проводится с целью исследования количественных и качественных характеристик информации, используемой в системе управления. Объектами исследования выступают информационные процессы, протекающие в системе управления.

В системах управления выделяют следующие информационные процессы: сбор, прием, восприятие информации (эти процессы отражают взаимодействие системы с внешней средой); передача информации между отдельными подсистемами системы; переработка, анализ, отбор информации, создание новой информации; использование информации; передача информации из системы во внешнюю среду.

Сущностью информационного синтеза является обоснование необходимого объема и форм представления информации, методов и средств ее передачи, обработки, хранения, ввода и вывода для разрабатываемой структуры и алгоритма функционирования системы управления. Информационный синтез дополняет задачи функционального анализа, что осуществляется с целью определения требуемых качественных и количественных характеристик информации, используемой в системе управления.

Сущностью параметрического анализа является определение необходимой и достаточной совокупности показателей, характеризующих все исследуемые свойства системы и формирование зависимостей, характеризующих суммарный эффект от применения системы или ее элементов. Цель параметрического анализа — оценка эффективности системы управления на основе определения количественных значений ее показателей. Объекты исследования параметрического анализа — это частные и обобщенные показатели системы, образующие иерархическую структуру.

Сущностью параметрического синтеза является обоснование необходимой и достаточной совокупности показателей, позволяющих оценивать желаемые свойства разрабатываемой системы и ее суммарный эффект. Цель параметрического синтеза - комплексное определение согласованных и сбалансированных по уровням исследования системы требуемых значений ее показателей, включая общие показатели эффективности управления, а также частные показатели структуры, процессов функционирования информации.

6. Системный подход требует многоуровневого изучения системы управления. Выделяются следующие уровни анализа и синтеза систем управления: внешний, исходный, общесистемный, системный.

На внешнем уровне анализируется сверхсистема, в состав которой входит исследуемая система управления. В процессе исследования сверхсистемы: определяются цели и задачи сверхсистемы; выделяются (в сверхсистеме) подсистемы (функции, задачи), в интересах которых применяется система управления; уточняются показатели и критерии данных подсистем; определяются внешние свойства и соответствующие показатели системы управления, которые могут повлиять на эффективность сверхсистем.

На исходном уровне исследуемая система управления выделяется как отдельный целенаправленный элемент (ЦНЭ) сверхсистемы, которая включает различные, в том числе и противоположные по интересам, подсистемы. Основные задачи исследования на исходном уровне: выделение исследуемой системы в виде отдельного целенаправленного элемента (ЦНЭ); выявление входных целезадающих, обеспечивающих и помеховых (разрушающих) воздействий, поступающих от различных подсистем сверхсистемы на ЦНЭ; установление показателей и критериев эффективности ЦНЭ, которые характеризуют внешние свойства системы управления и ее влияние на сверхсистему.

На общесистемном уровне проводится детализация ЦНЭ на управляющую систему (УС) и объект управления (ОУ). Основными задачами исследования на данном уровне являются: декомпозиция ЦНЭ на управляющую систему и объект управления; формирование управляющих воздействий; определение маршрутов движения к цели; определение показателей, раскрывающих структуру системы и эффективность управляющих воздействий.

На системных уровнях осуществляется дальнейшая декомпозиция УС и ОУ путем выделения отдельных элементов и связей между ними.

7. В соответствии с постулатом декомпозиции и многоуровневой модели исследования систем управления вся совокупность показателей (характеристик) системы имеет иерархическую структуру и включает показатели: внешнего уровня; исходного уровня; общесистемного уровня; системных уровней.

Показатели внешнего уровня включают показатели отдельных подсистем сверхсистемы, которые взаимодействуют с исследуемой системой управления.

Показатели исходного уровня характеризуют внешние свойства системы управления и ее влияние на сверхсистему. Они включают: показатели эффективности, с помощью которых можно оценить степень приспособленности системы или ее отдельных элементов соответствующего уровня к выполнению поставленных задач; параметры выбора, содержащие характеристики отдельны) свойств системы управления, оказывающие влияние на показатель эффективности.

Показатели общесистемного уровня определяют структуру системы управления на уровне УС и ОУ, а также процессы функционирования соответствующих элементов при выработке управляющих воздействий и реакций.

Показатели системных уровней включают различные структурные, функциональные и информационные характеристики исследуемой системы до принятой степени детализации.

Вопросы для повторения:

1. Каковы цели синтеза систем управления?

2. Опишите задачи синтеза систем управления.

3. В чем состоит сущность и содержание структурного синтеза систем управления?

4. В чем состоит сущность и содержание функционального синтеза систем управления?

5. В чем состоит сущность и содержание информационного синтеза систем управления?

Лекция 8