Проектирование автоматизированных систем - Курс лекций

1. Системный подход к проектированию

1.1 Системы автоматики и их классификация с точки зрения сложности

Под системой обычно понимается регулярное или упорядоченное устройство, состоящее из взаимосвязанных частей, действующих как одно целое, и предназначенное для достижения какой-либо определенной цели.

Это определение не является исчерпывающим и строгим. Известно большое число определений термина «система», обладающих той или иной степенью конкретизации. Существенно, однако, то, что термин «система» обычно связывается с такими понятиями, как элемент, структура, связь.

В общем случае системой может быть назван любой физический объект, состоящий из ряда взаимосвязанных элементов. Если состояние системы изменяется или может измениться во времени, то такая система называется динамической.

Остановимся на системе, состоящей из n элементов. В простейшем случае между элементами действуют только двусторонние связи (рис. 1, а). Очевидно, что для анализа всех связей необходимо исследовать n (n-1) связей, действующих в системе.

Для систем, состоящих из сотен и тысяч элементов, число внутренних связей растет примерно пропорционально квадрату числа элементов. Отмеченное обстоятельство определяет огромные трудности анализа сложных систем.

Системы можно классифицировать разными признаками, среди которых можно выделить два основных: сложность систем и характер их функционирования.

Рисунок 1 - Классификация систем

Одна из возможных классификаций систем по указанным основным признакам представлена на рисунке 1, б.

Если в детерминированных системах все элементы системы взаимодействуют точно предвиденным образом, то в вероятностных (стохастических) системах точно предсказать поведение системы невозможно и ее поведение можно определить, лишь с известной степенью вероятности. Критерий сложности систем является весьма условным.

Простыми обычно считают системы, не имеющие разветвленной структуры, с небольшим количеством взаимосвязанных и взаимодействующих элементов. Такие системы могут содержать от 10 до 103 элементов. В простых системах отсутствуют иерархические уровни.

К сложным системам относят системы с развитой иерархической структурой и большим числом элементов и внутренних связей. Такие системы могут содержать от 101 до 107 элементов. Однако подобное определение сложных систем является весьма условным. Часто к сложным относят либо системы, которые нельзя корректно описать математически или можно описать не менее чем на двух различных математических языках (например, на языке дифференциальных уравнений и на языке алгебры логики), либо системы, для изучения которых необходимо решать задачи с непомерно большим объемом вычислений. Систему считают сложной, если она состоит из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов.

Очень сложные системы часто называют большими системами.

Известен ряд определений термина «большая система», каждое из которых характеризуется той или иной степенью неопределенности.

Так, по Роберту Маколу большая система определяется семью признаками: 1. Система создается человеком из различного оборудования и сырья;

2. Система обладает цельностью. Все ее части служат достижению единой цели - выработке определенной продукции с помощью набора оптимизированных выходов при заданных входных воздействиях;

3. Система является большой как с точки зрения разнообразия составляющих ее элементов, так и с точки зрения количества одинаковых частей, возможно, количества функций и, конечно, стоимости;

4. Система является сложной. Это означает, что изменение какой-либо переменной влечет за собой изменения других переменных, причем подобная зависимость редко оказывается линейной;

5. Система является полуавтоматической. Это означает, что часть функций системы выполняются автоматами, а часть - человеком;

6. Входные воздействия системы имеют стохастическую природу. Отсюда появляется невозможность предсказания поведения системы для любого момента времени;

7. Большинство систем и в первую очередь наиболее сложные содержат элементы конкурентной ситуации.

Согласно определению, данному Петровым Б.Н. и Поспеловым Г.С. большим системам управления, состоящим из объекта управления и управляющих систем, связанных каналами передачи информации, присущи следующие пять признаков: 1. Система управления имеет иерархическую структуру и представляет собой комплекс подсистем управления различных рангов (рис. 2, а). При этом выпадение или отказ какой-либо подсистемы или части подсистем не всегда приводит к отказу или распаду всей системы, а иногда только к снижению эффективности ее функционирования;

Рисунок 2 - Структура и основные этапы развития систем

2. Органы управления (управляющие системы) подсистем и всей системы организованы по иерархическому принципу, т.е. представляют собой коллективы, функционирующие во главе с руководителями разных рангов;

3.