Основы проектирования и конструирования (стр. 27 из 53)

Таким образом, в окружающем нас мире в зависимости от решаемых задач может быть выделено бесконечное множество систем. Стремление как-то упорядочить это бесконечное множество систем приводит к необходимости классифицировать системы по тем или иным признакам классификации. Так, в работе [1] приведена классификация систем по их происхождению, по описания переменных, по типу операторов систем, по способу управления системой.

Поскольку целью настоящего пособия является знакомство с системным подходом к задачам проектирования технических объектов, и в нем не рассматриваются конкретные задачи системных исследований в науке, организации управления системами и пр., ограничимся рассмотрением классификации систем по их происхождению, приведенной на Рис.6.2 и скомпилированной по данным работ [1] и [3]. Естественные системы в круг дальнейшего рассмотрения не входят. Поэтому разделение этих систем на подклассы ниже второго иерархического уровня на Рис.6.2 не предусмотрено.

В качестве примеров подклассов смешанных систем приведены эргономические системы, представляющие собой комплекс: машина-оператор (человек); биотехнические системы, т.е. системы, в которые входят живые организмы и технические устройства; организационные системы, состоящие из людских коллективов, оснащенных необходимыми по роду деятельности техническими средствами; автоматизированными системами, в которых некоторые управляющие воздействия осуществляют технические устройства, а некоторые - человек, и т.д.

В качестве примеров подклассов второго иерархического уровня искусственных систем приведены химические, технические и общественные системы. Деление на подклассы более низкого иерархического уровня приведено только для технических систем, которые собственно и будут интересовать нас в дальнейшем.

Приведенные выше рассуждения позволяют сделать вывод, что объект любой природы может быть представлен как система и как элемент системы более высокого иерархического уровня. Следовательно, любой объект можно изучать методами теории систем, математический аппарат которой базируется на теории множеств. Поэтому полезно ознакомиться с некоторыми терминами и основополагающими определениями теории систем.

6.3.3 Цель и задачи теории систем

Не останавливаясь на подробностях истории развития системных представлений, заметим, что их оформление в теорию систем активно происходит, начиная с 1938 года, когда австрийский естествоиспытатель Людвиг фон Берталанфи опубликовал ее основные положения.

Целью теории систем является разработка единого абстрактно-математического аппарата для исследования систем самых различных типов и назначения.

В отличие от специальных дисциплин, рассматривающих, в основном, причинно-следственные связи между немногими переменными, описывающими предмет исследования, в общей теории систем на первый план выдвигается проблема целостного рассмотрения, предусматривающая вскрытие всего многообразия связей и отношений, присущих системе.

Основными задачами теории систем являются:

разработка единого формального метода описания систем любой природа как целостного образования;

построение обобщенных моделей систем и процессов их функционирования;

изучение внутренней организации систем на уровне структуры, как правило, иерархической;

исследование процессов передачи информации и управления;

выявление условий устойчивости, управляемости, наблюдаемости систем.

На основе теории систем сформированы такие категории системных исследований как системный подход и системный анализ. Определение этих категорий будет дано позднее - после рассмотрения основных характеристик систем и методов оценки эффективности систем.

6.3.4 Исходные предпосылки для построения модели системы

Рассмотрим систему как объект, взаимодействующий с окружающей средой, т.е. открытую систему. Взаимодействие системы со средой происходит во времени и пространстве.

Ресурсы, поступающие в систему и выводимые из нее, называют соответственно входными x (t) и выходными y (t) воздействиями. Если x (t) и y (t) не материальные потоки, а сообщения, несущие информацию, их называют входными и выходными сигналами. Входные и выходные воздействия связаны между собой.

Рис.6.3 Процесс функционирования динамической системы

Но в общем случае знания x (t) недостаточно для предсказания величины y (t), поскольку последняя кроме входного Воздействия зависит и от состояния системы. Состоянием системы называется совокупность характеристик системы, знание которых позволяет определять ее поведение в ближайшем будущем. Процесс функционирования системы имеет динамический характер.

Поэтому в разные моменты времени система находится в различных состояниях. В общем случае выходное воздействие y (t) в момент времени t определяется как состоянием и входным воздействием в момент t, так и всеми предшествовавшими состояниями и входными воздействиями, т.е. предысторией.

Однако для широкого класса систем предыстория поведения не имеет существенного значения. Такие системы называются системами без последействия. Для них текущее выходное воздействие y (t) может быть предсказано по текущему входному воздействию x (t) и состоянию z (t). В этом случае процесс функционирования динамической системы S (t) можно представить соответствующим Рис.6.3. Системы с предысторией в настоящем пособии не рассматриваются.

Как сказано выше, состояние системы в определенном интервале времени Т меняется. Поэтому, рассматривая не фиксированный момент времени t, входящий в рассматриваемый интервал Т (t Î Т), а весь интервал T, можно говорить о множестве состояний z. Так, двухполюсное реле в разные моменты времени t Î T может иметь либо разомкнутый контакт (состояние z₁), либо замкнутый (состояние z₂). В этом случае имеется множество состояний

z = {z₁, z₂}.

Здесь множество z является скалярной величиной. В более сложных случаях состояние системы описывается вектором, который может быть задан своими компонентами.

Тогда поведение систем удобно описывать в пространстве состояний, определяемом как произведение множеств возможных значений компонентов вектора состояний:

z = z₁... z_n,

где z_i - множество возможных значений i-той компоненты вектора состояний z.

Поскольку состояние системы определяется совокупностью характеристик системы, очевидно, нужно дать определение основным из этих характеристик.

6.3.5 Основные характеристики систем

Управляемость.

Управляемость - это свойство системы достигать желаемой цепи управления при тех ограниченных ресурсах управления, которыми располагает данная система в реальных условиях эксплуатации.

Наблюдаемость и измеримость

Эти два понятия тесно связаны между собой. Поэтому наблюдаемость можно определить следующим образом: если множества выходных воздействий y = (y₁, y₂,... y_r) измеримы и выбраны так, что по y можно определить любую координату z_i в пространстве состояний, то система наблюдаема.

Понятие наблюдаемости используется не только в теории систем, но имеет важнейшее значение и для науки в целом, поскольку на нем основана возможность проверки тех или иных претендующих на научность результатов. Имеется безусловный и четкий критерий, называемый принципом наблюдаемости, разграничивающий научные и ненаучные подходы к описанию действительности: любое утверждение, не допускающее проверки (экспериментальной или с помощью логических мысленно реализуемых, опытов) является ненаучным. В философии этот принцип получил название бритвы Оккама - по имени сформулировавшего его английского философа. Так, утверждение о существовании высшего разума, бога или параллельного нашему не взаимодействующего с нами мира является ненаучным, поскольку этот другой мир не наблюдаем, и данное утверждение не может быть проверено.

Однако необходимо подчеркнуть, что слова ненаучный и антинаучный - не синонимы. Новые открытия, накопление статистических материалов и т.д. могут дать основание для превращения ненаучного утверждения в доказанный наукой факт.

В то же время антинаучное утверждение может быть опровергнуто научно доказанными фактами. Так, антинаучной является геоцентрическая система мироздания Птолемея.

Устойчивость и надежность.

Устойчивость системы во времени является необходимым качеством, без которого теряют смысл все ее другие проявления. Различают два вида устойчивости: вещественно-энергетическую и структурно-функциональную. Первый вид устойчивости связан с постоянством вещественного состава и энергетического баланса системы, второй - с постоянством структуры системы и неизменностью ее реакции на одни и те же внешние воздействия.

Устойчивость же структуры при переменном вещественном составе называют надежностью. В технических системах изменение вещественного состава обусловлено обычно колебаниями параметров внешней среды и надежность есть свойство системы поддерживать в этик условиях режим функционирования в заданных пределах. Следует заметить, что в технических системах увеличение сложности сопровождается резким уменьшением надежности, что свидетельствует о несовершенстве их организации.

Упорядоченность и структура.

Система является, прежде всего, множеством взаимосвязанных элементов. Взаимосвязь элементов проявляется в упорядоченности их отношений и связей. При этом под упорядоченностью понимают ограничение многообразия за счет наличия в системе определенной организованности, которая является количественной характеристикой упорядоченности. Мера организованности: