<<
>>

ЗАДАЧИ СИНТЕЗА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

В отличие от анализа, когда исследуется заданная система управления, в процессе синтеза необходимо создать новую систему путем определения ее рациональных или оптималь­ных свойств и соответствующих показателей.

Целью синтеза системы управления является [16]:

♦ создание новой системы управления, на основе но­вых достижений науки и техники;

♦ совершенствование существующей системы управ­ления на основе выявленных недостатков, появлении новых задач и требований.

В общем виде задача синтеза систем управления заключа­ется в определении структуры и параметров системы исходя из заданных требований к значениям показателей эффектив­ности ее функционирования, а также способов обеспечения целей функционирования системы.

Структурный синтез является центральным звеном созда­ния системы управления. Структурный синтез систем управ­ления включает:

1. Синтез структуры управляемой системы, т. е. определе­ние оптимального состава и взаимосвязей элементов системы, оптимальное разбиение множества управляемых объектов на отдельные подмножества, обладающие заданными характери­стиками связей.

2. Синтез структуры управляющей системы:

а) выбор числа уровней и подсистем (иерархии систе­мы);

б) выбор принципов организации управления, т. е. уста­новление между уровнями правильных взаимоотношений (это связано с согласованием целей подсистем разных уровней и оптимальным стимулированием их работы, рас­пределением прав и ответственности, созданием контуров принятия решений);

в) оптимальное распределение выполняемых функций между людьми и средствами вычислительной техники;

г) выбор организационной иерархии.

3. Синтез структуры системы передачи и обработки ин­формации. В том числе:

а) синтез структуры системы передачи и обработки ин­формации;

б) синтез структуры информационно-управляющего комплекса (в том числе размещение пунктов обслужива­ния).

Синтез представляет собой многошаговый итеративный процесс, включающий последовательное решение следующих основных задач:

♦ формирование замысла и цели создания системы управления;

♦ формирование вариантов облика новой системы;

♦ приведение описания варианта облика системы во взаимное соответствие;

♦ оценка эффективности вариантов и принятия реше­ния о выборе облика новой системы;

♦ разработка требований к системе управления;

♦ разработка программ реализации требований к сис­теме управления;

♦ реализация разработанных требований к системе 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 слабоформа- лизуемый.

Результатом решения задачи формирования замысла и це­ли создания системы должно быть [16]:

♦ определение назначения системы управления;

♦ определение цели (целевой функции);

♦ определение задач системы;

♦ формулирование основной идеи создания системы;

♦ определение направлений разработки системы.

Формирование вариантов облика новой системы

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

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

Рассмотрим порядок построения концептуальной модели варианта облика новой системы управления.

При построении концептуальной модели можно выделить несколько этапов [10].

На первом этапе определяется уровень детализации кон­цептуальной модели варианта системы.

Модель системы представляется в виде совокупности под­систем (элементов). В эту совокупность включаются все под­системы (элементы), обеспечивающие сохранение целостно­сти системы. Исключение же каких-либо элементов не должно приводить к потере основных свойств системы при выполне­нии ею функций по предназначению.

С другой стороны, каждая подсистема состоит из совокуп­ности элементов, которые, в свою очередь, могут быть рас­членены на элементы. С учетом вышесказанного 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 с 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).

О
У
С П
и Р
с А
т В
Е Л
М Е
А Н
И
Я
о
а

Управляющие воздействия (от

сверхсистемы,

Информация состояния

(от подчиненных подсистем)

Возмущающие воздействия

(среда, конкурент)

Информация состояния «

(к сверхсистеме)

Управляющие воздействия

(к подчиненным подсистемам)

Воздействия на среду

Рис.

2.1. Локализированная система.

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

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

Каждый формируемый вариант облика 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 функции, 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 облика системы и уточняются в ходе ее разработки.

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 из которых может выполняться параллельно разными элемен­тами (ресурсами) системы.

Приведение описаний варианта облика системы во взаимное соответствие

Приведение описаний варианта облика системы во взаим­ное соответствие включает [10]:

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

♦ приведение названных описаний во взаимное соот­ветствие;

♦ объединение названных описаний.

Дадим краткую характеристику 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 и даны 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 необ­ходимо выдвижение идей, перестройка морфологии или функциональных возможностей, во втором — конструктивная перестройка.

Приведение описаний во взаимное соответствие. 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 создания 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 облика новой системы

Решение данной задачи включает [10, 17]:

♦ определение значений выбранных показателей эф­фективности каждого исследуемого варианта облика создаваемой системы;

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

♦ принятие решения о выборе наилучшего варианта облика системы.

После выбора окончательного варианта облика системы уточняется критерии эффективности системы, формируется исходный вариант значений показателей системы управления и производится повторная процедура синтеза системы, кото­рая приобретает каждый раз все большую определенность.

Разработка требований к системе управления

Для искусственных систем организационного или эрготи- ческого (человеко-машинного) типа четко сформулировать цель очень сложно, поэтому она вырабатывается в виде ко­личественно-качественных требований к существенным свойствам системы, определяющим ситуацию или область ситуации в л-мерном пространстве, которая должна быть достигнута при функционировании системы (величина п обуславливается 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 уточняется 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 [2]:

♦ 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 отношению к общей цели создания новой системы и сбалансированных по ре­сурсам);

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

Сбалансированность по ресурсам означает, что не даются задачи, не обеспеченные ресурсами, и что произведено рацио­нальное распределение ограниченных ресурсов 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 сложный.

Рассмотрим этапы реализации разработанных требований к человеко-машинной (эргатической) системе управления. Ус­ловно можно выделить следующие этапы реализации разрабо­танных требований [19]:

♦ моделирование (математическое, физическое, сце­нарное) подсистем и систем 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 названные 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 различных 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 уточнению 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 и подсистемы. 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; 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 сопряжения, 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 незнакомым с исходными идеями.

Изготовление системы. Под словом «изготовление» новой системы понимается изготовление поэлементно и отработка поблочно (подсистемно), 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 людей, отработка слаженности групп) оказывается не­посильной задачей, и тогда неизбежна соответствующая до­полнительная работа (усовершенствование производства, обу­чение людей, 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 характеризуется быстрыми темпами развития процесса создания, накопления и использования знаний.

Появилась новая ситуация в мире выбора альтернатив соз­дания новых систем, которая обусловлена следующими об­стоятельствами:

♦ жизненный цикл созданной человеком системы (тех­ники, оружия) стал на много меньше жизни челове­ка;

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

♦ проблема 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 неудачи выбора 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 свойств 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 яв­ляется в основном творческим, носит неформальный характер и во многом зависит от квалификации исследователя, его опы­та и интуиции. Часть свойств определяется исследователем в ходе выработки 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 величины несоответствия между значениями по­казателей существенных свойств процесса системы и требуе­мых их значений и оценка этого соответствия.

<< | >>
Источник: Мухин В.И.. Исследование систем управления: Учебник для вузов / В.И. Мухин — М.: Издательство «Экзамен»,— 384 с.. 2003

Еще по теме ЗАДАЧИ СИНТЕЗА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ:

  1. § 5.6. РАЗРАБОТКА ОРГПРОЕКТА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЕМ
  2. 3.5. Приемы анализа и обоснования в исследовании систем управления
  3. 1.1. Классификация систем управления
  4. 1.3. Объект, предмет, практическая формула диалектического подхода к исследованию систем управления
  5. 2.8. Исследования маркетинга в системе управления организацией
  6. 3.6. Цели и критерии эффективности систем управления
  7. 2.2. ЗАДАЧИ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЗАДАЧИ АНАЛИЗА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
  8. ЗАДАЧИ СИНТЕЗА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
  9. 2.3. ПРИНЦИПЫ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
  10. 2.4. ВИДЫ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
  11. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
  12. ИНФОРМАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
  13. 2.5. УРОВНИ ИССЛЕДОВАНИЯ И СТРУКТУРА ПОКАЗАТЕЛЕЙ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ УРОВНИ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
  14. ОСНОВЫ СИНТЕЗА ОБЛИКА ПЕРСПЕКТИВНОЙ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
  15. 3.2. ОСОБЕННОСТИ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ЭРГАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ОСОБЕННОСТИ ЭРГАТИЧЕСКИХ (ЧЕЛОВЕКО-МАШИННЫХ) СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
  16. МЕТОДОЛОГИЯ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ОРГАНИЗАЦИОННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
  17. СПЕЦИФИКА ОТДЕЛЬНЫХ ВИДОВ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ОРГАНИЗАЦИОННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ