Наибольших успехов в этом достигли технические науки и производственные процессы механика и машиностроение, электротехника, строительное дело, транспорт и ряд других
 Скачать 319.5 Kb.
|
|
Иерархия и виды систем Так как любая система рассматривается как совокупность элементов, то она имеет, как правило, иерархическую структуру. Иерархическую систему управления определяют как систему, имеющую многоуровневую структуру в функциональном, организационным или каким-либо иным плане. При решении практических задач анализа в тех или иных систем достаточным оказывается выделение ограниченного числа ступеней иерархии. При этом системы низшего уровня являются подсистемами более высокого уровня, которые в свою очередь являются подсистемами систем ещё более высокого уровня и т.д. вплоть до так называемой «супер системы», находящихся на верхней ступени иерархической структуры. Так в качестве супер системы можно рассматривать экономическую систему страны. Подсистемами этой системой по функциональным признакам являются отрасли народного хозяйства, по признаку территориального деления – экономические системы областей. На следующих низших уровнях находятся министерства, производственные объединения, предприятия, цеха и т.д. Обилие возможных связей между большим количеством подсистем, входящих в систему, наличие таких связей так между системами и подсистемами различных уровней (по вертикали), так и на одном уровне (по горизонтали), наличие перекрестных связей чрезвычайно затрудняет анализ систем как единого целого. При этом возникает понятие большой системы, под которой понимается такая система, которую практически невозможно исследовать, без выделения в ней более простых подсистем. После разделения большой системы, на ряд более простых систем, их начинают рассматривать как, до известной степени, независимые системы. Однако такая процедура разбиение большой системы в целях её анализа на отдельные простые компоненты во многих случаях оказывается несостоятельны. Дело в том, что существуют системы, функционирования компонентов которых, настолько взаимообусловлено и тесто связано, что изолирования рассмотрение последних либо просто невозможно, либо приводит к абсолютно не верным выводам. Такие системы называют сложные. Типичным примером сложных систем является экономические системы, подсистемы которых, как правило, характеризуется на столько тесными двухсторонними связями, что в большинстве случае изолирование изучение этих подсистем может привести к неверным выводам. Сложной системой является система народного хозяйства в целом, отдельные отрасли народного хозяйства, фирмы, производственные объединения, промышленные и сельскохозяйственные предприятия. Таким образом, основное отличие сложных систем от простых можно сформулировать так: Простой называют такую систему, функционирования которой можно исследовать (в пределах поставленной задачи), как нечто целое, без разбиение её на более мелкие системы. Так работу двигателя автомобиля можно изучить автономно без самого автомобиля, на специальном стенде. Большими и сложными называют системы с разветвленной структурой и значительным количеством взаимосвязанных и взаимодействующих элементов. При этом считают, что большие системы переходят в сложные по мере усиления взаимодействия составляющих их компонентов, хотя такую границу между большими и сложными системами провести невозможно. По характеру перехода из одного состояния другое, системы делят на: - статические - динамические Динамические называют такие системы, переход которых в новое состояние не может совершаться в мгновенно, а происходит в результате некоторого процесса, растянутого во времени. Строго говоря, все системы являются динамические. Однако, практически можно пренебречь времени переходного процесса, если оно весьма мало, по сравнению с временем того или иного состоянию систем. Так систему «Выключатель – лампочка электрическая» можно отнести к статическим, по сколько время, которое проходит от момента поворота выключателя до зажигания или гашения лампы, измеряется долями секунды, что не своезмеримо мало, по сравнению с временем последующего нахождения в зажженном или погашенном состоянии. Типичным примером динамической системы является любая экономическая система, которая никогда не может скачкообразно перейти в одно состояние в другое. Кибернетика занимается в основном в изучении динамических систем, что отражено в частности в одном из её определению, как науки об управления сложными динамическими системами. По своему происхождению, системы разделяются на: - естественные - искусственные. К естественным системам относятся все системы, возникшие без участия человека. К искусственным системам – системы спроектированные и построенные человеком. Система и внешняя среда Функционирования любой системы происходит в некоторой окружающей ее внешней среды не входящей в систему, но определенным образом, взаимодействующим с ним. Эти воздействия (влияние) могут вносить направленный характер. Так, например, воздействие электрического тока, светового луча и т.д. Либо распределенный характер, например, общий тепловой нагрев, атмосферное давление, радиация. Подобно связи между элементами системы, связи её со внешней средой, то есть воздействие внешней среды на систему и системы на внешнюю среду, могут носить вещественный, энергетический и информационный характер. Рассмотрим, например человека, как систему, взаимодействующую с окружающей средой. Вещественные связи человека со средой, реализуемой процессом обмена веществ, заключается потреблением пищи, воды, кислорода и выделения не нужных и вредных для организма продукта. Энергетические связи заключаются в поглощении тепла, радиации и отдачи тепла в окружающую среду. Информационные связи состоят в непрерывном восприятии человека информации об окружающей среде, в частности от других членов общества и передачи информации другими людям в процессе общения с ними. Количество различных взаимодействий между любой системой и окружающей средой весьма велико, поэтому исходя и практических задач исследования, поведения систем необходимо выделить лишь наиболее существенные связи, определяющие поведение системы в конкретных условиях управления. Как например, если рассматривать информационное взаимодействие некоторой фирмы со внешней средой, то рыночное изменение цен на её продукцию или решение по строительстве непосредственно близости от цехов транспортной магистрали, могут оказать существенное влияние на хозяйственную деятельность этого предприятия. Однако изменение цен на ткани или увеличение выпуска учебников , или новое открытие в области атомной физики представляет информационное воздействие , которое в данном случае можно пренебречь. Хотя строго говоря и эти воздействия непосредственно или опосредовано через более или менее длительные цепочки причинно-следственные связи, так же могут сыграть в некоторую, пусть даже очень не большую роль в бизнес процессе фирмы. В общем все процессы в окружающей нас среде связаны между собой, при чем эти связи в ряде случаев, не смотря на их кажущуюся мало значимость, могут оказывать весь существенное воздействие. В качестве примера можно указать на актуальные экологические проблемы, связывающие человека и природу. Таким образом, внешняя среда всегда оказывает влияние на любые системы. Однако в зависимости от степени и практической значимости этого влияния, кибернетические системы подразделяются на: - открытые - закрытые Процессы в открытых системах определяются влияниями внешней среды и сами оказывают на неё воздействие. Следовательно, их функционирование определяется как внутренней, так и внешней информацией, поступающей на вход системы. В качестве типичных видов открытых систем, можно назвать: 1)системы не полностью изолированные от внешней среды (с внешними возмущениями или неопределенностями) 2)системы, реагирующие на внешнее воздействие так, что это вызывает существенные изменение характера их поведения (например, организмы животных и растении и вообще различные самоорганизующие системы). 3)Системы, с которыми внешняя среда взаимодействует двухсторонне, то есть при воздействия на систему из вне, среда одновременно испытывает реакцию систему или воздействие с её стороны. Закрытые или замкнутые системы – это системы, в процессе функционирования которых используется только та информация, которая вырабатывается внутри самой системы, так что все взаимодействия между элементами системы определяется процессами, протекающими внутри самой системы. Системный подход При изучении явлений и процессов в любых системах можно применять 2 подходы: - локальный - который заключается в изучении структуры и функциональный особенностей автономных, отдельно взятых элементов системы. - системный подход – который представляет собой исследование способов организации элементов системы в единое целое и взаимного воздействия процессов функционирования системы, её подсистем и элементов друг на друга. Использование системного подхода в исследовании может получит достаточно полное и близкое к истинному представлению о процессах в сложных систем. Характерными сторонами системного подхода и соответственно системного анализа, как метода исследования, является стремление учесть всю сложность присущую системе, в частности тесную связь между обилием фактов, определяющих ей поведение, неполную определенность поведения, развития системы, связанная с изменением свойств её компонентов. Основным из способов исследования экономических систем, то есть системный подход позволяет осуществить разработку прицепов, на основе которых можно подойти не только в определении оптимального направления развития экономики, но и осуществить внедрения результатов оптимального планирования в хозяйственную практику. Невозможно полностью охватить все стороны связи и опосредование приводит к тому, что при осуществления системного анализа с одной стороны есть стремление к максимальной полноте описания, а с другой стороны к разумному упрощению объекта. Системный поход играет важнейшую роль не только при анализе действующих сложных систем, но и при реализации задач системы техники, то есть задач проектирования больших технических систем. Более широкое определение системы техники относит к сфере её приложений вопросы планирования, проектирования, оценки и конструирования человеко-машинных систем и составляющих их элементов. При этом определении систему-технику можно считать научной основой проектирования автоматизирования систем управления всех уровней. А системный анализ – основных методов решения этих задач. 2. Состояние системы Параметры системы и описание её состояние Состояние любой реальной системы, в каждый данный момент времени можно описать с помощью некоторого множества, характеризующий систему величин – параметра. Количество параметров, даже для относительно простой системы может быть очень большим, и поэтому практически для описания систем используется лишь наиболее существенные, характерными для нее параметрам, соответствующим конкретным целям изучения объектов. Так для исследования состояния здоровья человека с точки зрения необходимости освобождения его от работы во внимание в первую очередь принимают значения таких параметров, как температура и кровяное давление. Состояние некоторой экономической системы характеризуется такими параметрами, как количество и качество выпускаемой продукции, производительность труда, фонда отдачи и т.д. Для описания состояния и движения системы можно применять такие способы, как словесное описание, табличное или матричное описания, математические выражения и графические изображения. Словесное описание сводится к последовательному перечислению и характеристики параметров системы, тенденции их изменения, последовательности смены состояния системы. Словесное описание является весьма приблизительным и дает лишь общие представления о системе, кроме того, в значительной степени субъективно, т.к. отображает не только истинные характеристики системы, но и отношения к ним описывающего их человека. Таблицы и матрицы получили наиболее широкое распространение для количественной характеристики системы, выражаемой значениями их параметров в некоторой фиксированной моменты времени. По данным таблицы или совокупности таблиц, соответствующие различным моментам времени могут быть построены диаграммы и графики, дающие наглядное представление по динамики системы. Для описания движения системы и изменения её элементов применяются математические выражения, которые в свою очередь интерпретируются графиками, отображающие протекание тех или иных процессов в системе. Однако наиболее глубокой и адекватной является формализованная геометрическая интерпретация состояния и движения системы в так называемом пространстве состояний или фазовом пространстве. Пространство состояний системы Пространством состояния системы называется пространство, в каждой точке которого однозначно соответствует определенное состояние рассматриваемой динамической системы, а каждому процессу изменения состояния системы соответствует определенная траектория перемещения изображающей точки в пространстве. Для описания движений динамических систем широко используется метод основанный на используемый, так называемого, фазового пространства (n мерного эвклидова пространства), по осям которого откладываются значения всех n обобщенных координат, рассматриваемой динамической системы. При этом однозначное соответствие между состоянии системы и точками фазового пространства достигается выбором числа измерений, равного числу обобщенных координат рассматриваемой динамической системы. Обозначим параметрами некоторой системы символами z1, z2…zn, который можно рассматривать, как координаты вектора z, n мерного пространства. Такой вектор есть совокупность действительных чисел z=(z1,z2..zn). Параметры z1, z2…zn будут называться фазовыми координатами системы, а состояния (фазу системы) изобразим точкой z в фазовом пространстве. Размерность этого пространства определяется числом фазовых координат, то есть числом отобранных нами для описания системы, её существенных параметров. В том случае, когда состояния системы можно охарактеризовать только одним параметром z1 (например, расстояния от пункта отправления поезда движущегося по некоторому заданному маршруту), то фазное пространство будет одномерным и отображаться в виде участка оси z. Если состояние системы характеризуется 2умя параметрами z1 и z2 (например, движения автомобиля, выраженное углом относительно некоторого заданного направления и скоростью его движения), то фазовое пространство будет двухмерным. В тех случаях, когда состояние системы описывается 3ьомя параметрами (например, управления скорость и ускорение), оно будет изображаться точкой в трьохмерном пространстве, а траектория движения системы будет пространственно кривой в этом пространства. В общем случае, когда число параметров, характеризующую систему произвольно и как в большинстве сложных экономических систем значительно больше 3, геометрическая интерпретация теряет наглядность. Однако геометрическая терминология и в этих случая остается удобной для описания состояния и движения систем, в так называемом n мерном или многомерном фазовом пространстве (гипер пространстве). Число независимых параметров системы называют числом степеней свободы или вариантностью систем. В реальных условиях работы системы и её параметров (фазовые координаты), как правило, могут изменятся лишь в некоторых ограниченных приделах. Так скорость автомобиля ограничена приделами от 0 до 200 км в час, температура человека – от 35 градусов до 42 и т.д. Область фазового пространства за пределы, которого не может выходить изображающая точка, называют областью допустимых состояний системы. При исследования и проектирования систем всегда исходит из того, что система находится в пределах в области её допустимых состояний. Если изображающая точка выйдет за пределы этой области, то это грозит разрушением целостности системы, возможностью её распада на элементы, нарушением существующих связей, то есть полным прекращением её функционирование как данная система. Область допустимых состояний, которую можно назвать полем системы, включает в себя всевозможные фазовые траектории, то есть линии поведения систем. Совокупность фазовых траекторий называют фазовым портретом рассматриваемой динамической системы. Во всех случаях, когда параметры системы могут принимать в определенном интервале любые значения, то есть изменяется плавно изображающая точка, которая может располагаться в любой точке внутри области допустимых состояний, при этом мы имеем дело с так называемым непрерывным пространством состояний. Однако существует большое количество технических, биологических и экономических систем, в которых ряд параметров – координат могут принимать лишь дискретные значения. Только дискретно можно измерить количество станков в цехе, количество тех или иных органов и клеток в живом организме и т.д. Пространство состояний таких систем должно рассматриваться как дискретное, поэтому их точка, изображающая состояние такой системы, не может находится в любом месте, области допустимых состояний, а только в определенных фиксированных точках этой области. Изменение состояния таких систем, то есть их движения, будет интерпретироваться скачками изображающей точки из одного состояния в другое, в третье и т.д. Соответственно и траектория движения изображающей точки будет иметь при этом дискретный, прерывистый характер. Пространство состояний и классификация (опознание объектов) Концепция представление объектов изображающими точками в многомерном пространстве нашла широкое применение в так называемой теории распознавания образов. Она представляет раздел кибернетики, в котором разрабатываются вопросы, теории и принципы построения систем, разделяющие сложные объекты и ситуации на заданные классы. Задачами распознавания образов, то есть отнесения их к различным классам – классификации является, например, определение букв алфавита и звуков человеческой речи, узнавание людей и предметов, определение минералов, запахов и растений, диагностика заболеваний. Во всех этих случаях распознавание объекта состоит сличением его признаков с признаками некоторого эталона, хранящегося в мозгу человека или в памяти распознающего автомата. Если приставить каждый признак объекта, подлежащего к опознанию в виде которого численного показателя (размер, вес, угол, насыщенность цвета, количество элементов и т.п.), то описание объектов будет сводится к некоторому конечному набору чисел, соответствующих количественных значением существенных признаков. Если принять каждое из этих чисел в качестве координаты в многомерном пространстве признаков, то объект будет представлен в этом пространстве точкой. Учитывая некоторую вариабельность численных значений признака приходим к представления объекта в виде более или менее компактного множества точек в гиперпространстве соответствующего множества объектов 1 класса несущественно отличающихся друг от друга. Дальнейшая процедура распознавания сводится к проблеме разделения множеств соответствующих объектам разных классов, то есть классификация объектов. Геометрически это можно приставить в виде построения в пространстве признаков гиперплоскостей отделяющих эти множества друг от друга. |