Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Принципы анализа и синтеза систем управления

Курсовая работа по Системному анализу

на тему:

Казань 2011

Принципы анализа и синтеза систем управления

Сформулированные задачи анализа и синтеза систем управления имеют следующие особенности:

высокую размерность, определяемую большим количеством и разнообразие м показателей;
наличие множества альтернативных показателей эффективности, по которым осуществляется поиск рационального решения;
отсутствие приемлемых аналитических зависимостей и процедур для Определения искомых показателей;
высокую неопределенность исходных данных.

Исходя из этого, поставленные задачи не могут быть эффективно решены с помощью известных методов одноуровневой оптимизации, использующих достаточно простые аналитические выражения для целевых функций, и требуют применения иных подходов на основе принципов декомпозиции многоуровневого моделирования, позволяющих снизить размерность решаемых задач, и многошаговых итеративных процедур выработки решений.

Рассмотрим единые принципы существования и действии сложных систем управления.

Системные принципы и постулаты.

1. Принцип физичности – всякой системе (независимо от ее природы) присущи законы (закономерности), возможно уникальные, определяющие внутренние причинно-следственные связи ее существования и функционирования.

Принцип физичности включает несколько постулатов.

2. Постулат целосности. Сложная система управления должна рассматриваться как единое целое.

Система – не множество подсистем, а целостный объект, допускающий различные членения на подсистемы. Поэтому система не тождественна никаким ее членениям.

Сущность постулата целостности состоит в том, что ни при композиции, т.е. объединении подсистем в систему, ни при декомпозиции, т.е. членении системы, не допустима потеря понятий, а так же в том, что композиции и декомпозиции должны осуществляться в направлении генерирование характеризующей системы информации более высокого качества.

Выявление целостности требует учета всех взаимосвязей внутри системы, а так же системы со средой. Необходимо выявить системное свойство, его содержания, механизм образования, факторы, которые препятствуют его появлению или снижают его уровень. Необходимо понять, какие свойства подсистем подавляются общесистемным свойством, каков механизм этого подавления и в каких условиях оно теряет силу.

Применение постулата целостности состоит в раскрытии и накоплении сведений о системных свойствах на всех этапах исследования и в обобщения их в понятия, а затем – в применении этих понятий к подсистемам при исследовании их порознь после декомпозиции. Рациональность декомпозиции оценивается на основании определения целостности: если декомпозиция неудачна, системные и подсистемные понятия невозможно увязать, между ними теряется преемственность, они неустойчивы и производят случайное впечатление.

Система (как целое) обладает особым, системным свойством (свойствами), которого нет у подсистем (элементов) при любом способе декомпозиции.

3. Постулат декомпозиции систем. Анализ и синтез сложной системы управления осуществляется путем расчленения ее на подсистемы, располагаемые по уровням, причем подсистема на данном уровне является системой на нижележащем уровне и, в свою очередь, рассматривается как элемент вышележащего уровня. Принцип декомпозиции позволяет снизить уровень сложности исследуемой системы.

Значения свойств (характеристик) синтезируемой системы определяются в ходе многоуровневой процедуры выработки решений, начиная с рассматриваемых в рамках системы более высокого ранга, и кончая детальными свойствами ( характеристиками) ее элементов ( подсистем).

4. Постулат автономности. С точки зрения постулата целостности, разнообразие декомпозиции помогает выявлению системных свойств. С точки зрения постулата автономности, большинство декомпозиций, а может быть и все, кроме одной, отпадут.

5. Принцип моделируемости. Сложная система представима конечным множеством моделей, каждая из которых отражает определенную грань ее сущности.

Этот важный принцип дает возможность исследовать определенное свойство сложной системы при помощи одной или нескольких упрощенных (узкоориентированных) моделей. Модель ориентированная на определенную группу свойств сложной системы, всегда проще самой системы. Создание полной модели для сложной системы всегда бесполезно, так как такая модель будет столь же сложной, как и система.

Принцип моделируемости включает несколько постулатов.

6. Постулат действий. Для изменения поведения системы требуется прирост воздействия, превосходящего некоторое пороговое значение.

Изменение поведения сложной системы может быть связано с энергетикой, с веществом и с информацией, которые, накапливаясь, проявляют свое влияние скачкообразно, путем качественного перехода.

Одновременное энерго и информационное воздействие может привести к такому же результату, как энергетическое, с более высоким уровнем.

Таким образом, порог есть функция трех переменных: количества определенного вещества, количества энергии и количества определенной информации.

Реакция системы на внешнее воздействие имеет пороговый характер.

7. Постулат неопределенности. Существует область неопределенности, в пределах которой свойства системы могут быть описаны только вероятностными характеристиками.

Повышение точности определения (измерения) какого-либо количественно-описываемого свойства сложной системы, сверх некоторого предела, влечет за собой понижение возможной точности определения (измерения) другого свойства. Одновременно измерить значения двух (или более) параметров с точностью, превышающей определенный уровень, невозможно.

Максимальная точность определения (измерения) свойств системы зависит от присущей данной системе области неопределенности, внутри которой повышение точности определения (измерения) одного свойства влечет за собой снижение точности определения другого (других).

8. Постулат дополнительности. Сложные системы, находясь в различных средах (ситуациях) могут проявлять различные системные свойства, в том числе альтернативные (т.е. несовместимые ни в одной из ситуаций по отдельности). Наблюдатель воспринимает одни грани сущности в одних условиях и другие сущности в других.

9. Постулат многообразия моделей. Определение характеристик системы на всех уровнях производится с помощью множества моделей, в общем случае различаются используемыми математическими зависимостями и физическими закономерностями. Выбор моделей зависит от цели анализа и синтеза, и особенностей исследуемой системы.

10. Постулат согласования уровней. Требования к системе, формируемые на любом уровне, выступают как условия или ограничения на выбор частных моделей и предельных возможностей системы на нижележащих уровнях. В случае невозможности выполнения требований осуществляется корректировка условий.

11. Постулат внешнего дополнения. Проверка истинности результатов, получаемых на каждом уровне, производится с использованием исходных данных, моделей и методов вышележащих уровней. Данный постулат является основополагающим в общей теории систем и его соблюдение является необходимым условием получения правильных решений на

всех уровнях исследования системы.

12. Постулат достаточности. Последовательность уровней (этапов) определения требуемых характеристик в процессе совершенствования сложной системы выбирается по возрастанию затрат на улучшение системы с проверкой достаточности принимаемых решений по заданным критериям эффективности. Постулат достаточности реализуется, как правило, при

использовании критериев пригодности и разработке соответствующих

моделей, с помощью которых принимаются конструктивные

решения на каждом уровне выбора характеристик

системы.

13. Постулат проверенного методического обеспечения. Для анализа и синтеза системы управления необходимо использовать хорошо отработанные и экспериментально проверенные модели и методики, обеспечивающие отдельные характеристики системы в заданные сроки и с требуемой точностью.

14. Принцип целенаправленности и его постулаты.

Целенаправленность системы — функциональная тенденция, направленная на достижение системой некоторого состояния, либо на усиление (сохранение) некоторого процесса.

При этом система оказывается способной противостоять внешнему воздействию, а также использовать среду и случайные события.

Принцип целенаправленности включает в себя постулат

выбора.

15. Постулат выбора. Сложная система обладает способностью к выбору поведения, и следовательно, однозначно предсказать способ действия и экстраполировать их состояние невозможно ни при каком априорном знании свойств системы и ситуаций.

Сложная система строит свое поведение в существенной (хотя и неоднозначной) связи с ситуацией. Следовательно, на это поведение можно влиять. Наиболее распространенными являются эргатические системы, для которых постулат выбора выдвигается на передний план. Познание и практическое использование этого постулата имеет два аспекта.

Первый касается стимулирования или подавления «свободы» выбора. В исследовательских, поисковых, творческих системах возможность выбора должна быть максимальной с целью расширения диапазона деятельности. Исполнительные системы должны иметь возможность выбора в пределах поставленной задачи либо не иметь ее вовсе.

Второй аспект связан с количеством описанией выбора, его формальным представлением, качественной или количественной оценкой и использованием этой оценки при решении задач более общего характера.

Сложные системы управления обладают областью выбора и способностью выбирать поведение, т.е. осуществлять реакцию на внешние воздействия в зависимости от внутренних критериев целенаправленности; никакое априорное знание не позволяет ни надсистеме, ни самой системе однозначно предсказать этот выбор.

Постулат выбора позволяет сложной системе управления в соответствии с ее целенаправленностью использовать редкие благоприятные события, возникающие во взаимодействии со средой, блокируя остальные (неблагоприятные) события и процессы.

Принципы физичности, моделируемости, целенаправленности и их постулаты полно отражают методологию системного подхода исследования систем управления.

Лекции

1. Понятие о теории системы

В настоящее время теория системы является одной из базовых дисциплин. Системный подход позволяет строить единую теорию для различных по содержанию научных дисциплин. Сама дисциплина разбивается на блоки по уровню восприятия:

Основные понятия и термины (понятийный уровень)
Уровень операций или отношений, а также взаимосвязь между элементами понятий
Аксиоматическая основа данной дисциплины т.е. исходные положения, свойства, закономерности принимаются без доказательств (как постулаты)
Способы, выводы новых положений на основе исходных данных (логическое обоснование)

Система рассматривается как структурированное общество т.е. совокупность основных объектов или понятий с заданными между ними взаимосвязями.

Основные понятия системного подхода

Условно можно подразделить на реальные, виртуальные и комплексные. Реальные находятся в пространстве и функционируют в пространстве и времени. Для функционирования системы необходима энергия. Один из видов параметров является энергетическим. В классической системном анализе обычно рассматривается ограниченные системы, которые занимают замкнутую область в пространстве и времени. Ограниченная реальная система находится внутри некоторой сферы конечного радиуса. Виртуальные системы являются некоторыми отображениями реальных систем либо представлений об этих систем. Одной из основных компонент виртуальной системы является информационный блок. Информация также имеет энергетическую составляющую, поэтому точная информация проектирует дальнейшую деятельность и саму систему людей. Виртуальная система обычно бывает либо описательной, либо математической и информационной моделью реальной системы. Комплексная система связывает оба вида рассмотренных систем т.е. она базируется на реальной системе с помощью отображения, преобразует в виртуальную систему на некоторой теоретической основе.

Системы выделяются своими целями, способами функционирования элементов, блок, групп и других объединений внутри систем. Для любой системы существует одна или несколько целевых функций, которые реализуются в процессе деятельности системы. В общем системном подходе выделяют 4 основных целевых установок:

Целеполагание - это целевая установка деятельности, отражающая первичное представление о конечном результате деятельности. Фактически в любой деятельности создается идеальная модель конечного результата
Целенаправленность – это целевая установка, характеризующая создание поэтапного (структурированного) плана деятельности. В плане необходимо учесть возможность подразделение всей деятельности на этапы, возможность контроля результатов каждого этапа, а также коррекцию следующих этапов с учетом реальных результатов. Обе рассмотренные установки строятся до начала реальной деятельности. В общем случае вся деятельность системы подразделяется на 2 вида:

-не проявленная

-проявленная

3. Целеустремленность – это целевая установка, отражающая суть проявленной деятельности. Система реально функционирует. Она устремляется к одной задаче, решает ее, выдает результат, затем переходит к другой задаче либо останется в ожидании следующей команды, затем опять к задаче. Проявленная деятельность заканчивается получением реального и конечного результата.

4. Целесообразность – это целевая установка, отражающая соотношение между реального конечного результата и первичной идеальной модели. Эта установка относится к не проявленной деятельности. Результатом этой установки является выводы или рекомендации для изменения деятельности, либо самой деятельности, либо способов управления.

Методы исследования систем

Системность научного знания

При исследовании любой конкретной системы, прежде всего выбирается область знаний в которой можно провести эффективное исследование. При этом обычно применяют метод многоуровневой аналогии. Она подразумевает следующие методы:

А. Аналогия основных понятий. Здесь фактически создается минимальный запас однозначных понимаемых терминов

Б. Аналогия основных свойств, отношений, операций в реальной системе и выбранной теории

В. Аналогия закономерностей, функционирование реальных систем и законов теорий, которые исполняются для изучения

Г. Создание возможности для рекомендации по деятельности данной системы на основе ее анализа с помощью выбранной теории.

2. Основные требования к теории

А. Технологическая совместимость теории и изучаемой системы

Б. Непротиворечивость соединения теории и системы

В. Частичная независимость (автономность) модели, системы и теории

Г. Полнота или частичная полнота построенной модели

Принципы анализа и синтеза систем управления