- •А. С. Малин, в. И. Мухин исследование систем управления
- •Введение
- •Часть 1. Анализ и синтез систем управления
- •Концептуальные основы исследования систем управления
- •Понятия, определяющие структуру системы
- •Понятие системы
- •Элемент системы
- •Связь, взаимодействие и структура системы
- •Понятие внешней среды
- •Понятия, определяющие функционирование системы
- •Состояние системы
- •Входы и выходы системы
- •Функционирование (движение) системы
- •1.3 Характеристика процессов системы
- •Понятие процессов системы
- •Формы входных и выходных процессов
- •Функции обратной связи
- •Функция ограничения системы
- •1.4 Классификация систем
- •Признаки классификации и классы систем
- •Классификация систем
- •Характеристика различных классов систем
- •1.5 Система управления
- •Понятие системы управления
- •Цель системы управления
- •Закон управления системой
- •Эффективность управления системой
- •Вопросы для повторения
- •Литература
- •2.Методологические основы исследования систем управления
- •Системный подход как общеметодологический принцип исследования систем управления
- •Понятие и основные черты системного подхода
- •Сущность системного подхода
- •2.2 Анализ систем управления
- •Понятие, цели и задачи анализа
- •Решение задач анализа систем управления
- •2.3 Синтез систем управления
- •Понятие, цели и задачи синтеза
- •Решение задач синтеза систем управления
- •2.4 Принципы анализа и синтеза систем управления
- •Принцип физичности и его постулаты
- •Принцип моделируемости и его постулаты
- •Принцип целенаправленности и его постулаты
- •2.5 Виды анализа и синтеза систем управления
- •Структурный анализ и синтез систем управления
- •Функциональный анализ и синтез систем управления
- •Параметрический анализ и синтез систем управления
- •2.6 Уровни исследования и структура показателей систем управления
- •Уровни исследования систем управления
- •Структура показателей систем управления
- •Оценка информативности показателей анализируемой системы управления
- •Вопросы для повторения
- •Литература
- •3.Особенности анализа и синтеза различных систем управления
- •3.1 Особенности анализа и синтеза технических систем управления
- •Особенности технических систем управления
- •Специфика анализа и синтеза технических систем управления
- •Основы синтеза новой технической системы управления
- •3.2 Особенности анализа и синтеза эргатических систем управления
- •Особенности эргатических (человеко-машинных) систем управления
- •Специфика анализа и синтеза эргатических систем управления
- •Типовые противоречия в процессе создания новых эргатических систем управления
- •Типовые противоречия, разрешаемые в процессе создания новых эсу
- •Содержание нововведений в зависимости от глубины реорганизации эсу
- •3.3 Особенности анализа и синтеза организационных систем управлениия
- •Особенности организационных систем управления
- •Методология анализа и синтеза организационных систем управления
- •Специфика анализа и синтеза организационных систем управления
- •Основные черты организационного управления
- •Основные требования к организационному управлению
- •Вопросы для повторения
- •Литература
- •4. Системный анализ и синтез проблемы
- •4.1 Обшая характеристика проблемы как системы
- •Понятие проблемы и проблемной ситуации
- •Классификация проблем
- •Представление проблемы как системы
- •Этапы решения проблемы
- •4.2 Исходная постановка (формулирование) проблемы
- •Цель постановки проблемы
- •Этапы постановки проблемы
- •4.3 Формирование целей и условия решения проблемы
- •Условия формирования целей
- •Выявление и систематизация подцелей
- •Последовательная декомпозиция целей
- •Установление условий решения проблемы
- •4.4 Структуризация проблемы и систематизация путей достижения целей
- •Основные понятия и этапы структуризации проблемы
- •Уточнение структуры системы
- •Критический анализ функционирования системы управления
- •Систематизация путей достижения целей, оценка их значимости
- •4.5 Выявление и выбор альтернатив решения проблемы
- •Этапы выделения альтернатив решения проблемы
- •Выбор альтернатив
- •4.6. Принятие решения и выбор оптимальных решений
- •Выявление и выбор вариантов решения проблемы (подпроблемы)
- •Выбор оптимальных решений
- •Вопросы для повторения
- •Литература
- •5.1 Исследования и их роль в совершенствовании систем управления
- •Понятие, категории и формы организации исследований
- •Методы, средства и уровни научного исследования
- •5.2 Методы эмпирического исследования
- •Наблюдение
- •Сравнение
- •Измерение
- •Эксперимент
- •5.3 Методы эмпирического и теоретического исследования
- •Абстрагирование
- •Анализ и синтез
- •Индукция и дедукция
- •Моделирование и использование приборов
- •Исторический и логический методы научного познания
- •5.4 Методы теоретического исследования
- •Восхождение от абстрактного к конкретному
- •Идеализация
- •Формализация
- •Аксиоматический метод
- •5.5 Основные формы научного исследования
- •Проблема
- •Идея, принцип, закон
- •Гипотеза, предположение, математическая гипотеза
- •Классификация моделей
- •5.6 Фактологическое обеспечение исследования
- •Философские аспекты фактологического обеспечения исследования
- •Понятие факта
- •Сбор и анализ фактов
- •Особенности использования фактов в исследовании систем управления
- •Вопросы для повторения
- •Литература
- •Специфические методы исследования систем управления
- •6.1 Методы появления системной идеи
- •Сущность идеи
- •Первый цикл проявления идеи
- •Второй цикл проявления идеи
- •6.2 Эвристические методы исследования систем управления
- •Методы активизации технологии творчества
- •Ассоциативные методы
- •Метод "мозгового штурма"
- •Метод синектики
- •6.3 Формализованные методы исследования систем управления
- •Параметрический метод
- •Морфологический метод и его модификации
- •Комбинаторный метод
- •Методы логического поиска
- •Метод "букета проблем"
- •Методы поиска новых технических решений
- •6.4 Статистические методы анализа систем управления Сущность и область применения
- •Регрессионный анализ
- •Корреляционный анализ
- •Дисперсионный анализ
- •Ковариационный анализ
- •Метод временных рядов
- •Метод главных компонентов
- •Факторный анализ
- •6.5 Детерминированные методы анализа систем управления
- •Сущность и область применения
- •Инфлюентный анализ
- •6.6 Cинтез систем управления методами оптимизации
- •Синтез систем управления методами безусловной оптимизации
- •Синтез систем управления с помощью многокритериальной оптимизации
- •6.7 Синтез систем управления методами математического программирования
- •Сущность и содержание математического программирования
- •Общая характеристика методов математического программирования
- •Методы решения задач линейного программирования
- •Методы решения задач нелинейного программирования
- •Методы решения задач дискретного (целочисленного) программирования
- •Методы динамического программирования
- •Методы стохастического программирования
- •6.8 Анализ и синтез систем управления с помощью математических теорий
- •Теория принятия решений
- •Теория массового обслуживания
- •Теория эффективности
- •Теория игр
- •Вопросы для повторения
- •Литература
- •7. Экспертные оценки решения проблем
- •7.1 Сущность и содержание метода экспертных оценок
- •Сущность метода экспертных оценок
- •Подготовка экспертизы
- •Проведение опроса экспертов
- •Виды и типы вопросов
- •7.2 Методы обработки информации, получаемой от экспертов
- •Сущность экспертного ранжирования
- •Метод непосредственной оценки
- •Перевод оценок в ранги
- •Оценка факторов
- •Метод последовательных сравнений
- •Метод парных сравнений
- •Матрица предпочтений для ранжирования с помощью парного сравнения
- •Матрица р: доля случаев, когда фактор I предпочтительнее фактора j
- •7.3 Метод Дельфи
- •Классический метод экспертных оценок Дельфи
- •Метод структуризации принятия решений
- •Показатели оценки элементов "дерева решений" на уровне подпроблем
- •Экспертные оценки целенаправленности тем научных исследований
- •7.4 Метод анализа иерархий
- •Сущность и содержание анализа иерархий
- •Средние согласованности матриц
- •Пример применения метода анализа иерархий
- •Покупка дома: матрица попарных сравнений для уровня 2, решение и согласованность
- •Покупка дома: матрицы попарных сравнений для уровня 3, решение и согласованность
- •Покупка дома: матрица глобальных приоритетов
- •Вопросы для повторения
- •Литература
- •Часть 2 186
- •Исследование систем управления
- •144003, Г. Электросталь Московской обл., ул. Тевосяна, 25.
Основы синтеза новой технической системы управления
Цели и характер обоснования варианта новой
технической системы управления
Процесс создания новых (перспективных) технических систем управления связан с разработкой требований к ним, которые должны отражать качество и эффективность реализации системами своих целевых функций при определенных условиях и способах их применения (использования).
Для выработки этих требований проводится техническое обоснование перспективной системы. Данная процедура предполагает определение состава и типа элементов будущей системы и их наиболее существенных характеристик, показывающих место и роль элементов в системе. На основе этих характеристик составляется тактико-техническое задание (ТТЗ) промышленности на разработку и производство новой технической системы.
ТТЗ содержит:
формулировку цели и задач, выполняемых технической системой управления;
требования к схеме (порядку) применения;
требования к обеспечивающим элементам (компонентам);
условия эксплуатации;
показатели унификации составных частей системы управления;
требования к объему документации, предъявляемой заказчику;
число изделий, предназначенных для испытаний (например, летно-конструкторских).
Процесс создания новых технических систем управления и его участники показаны на рис. 3.1.
На этапе разработки технического предложения определяются тактико-технические характеристики (ТТХ) объекта проектирования, даются его краткое описание и схема функционирования, выбирается конструктивно-компоновочная схема или ее вариант, определяется объем работ, производится оценка производственной и экспериментальной базы, разрабатывается генеральный график создания системы и составляется перечень исполнителей-разработчиков.
Тактико-технические характеристики ТСУ — это упорядоченная по определенному замыслу совокупность количественных характеристик ТСУ, определяющих их свойства. В ТТХ могут отражаться такие свойства ТСУ, как производительность, а также массовые, габаритные и прочие характеристики. В общем случае свойства новых ТСУ могут описываться через показатели их качества или эффективности. Качество ТСУ определяется ее потенциальной пригодностью для выполнения задач целевого применения. Эффективность ТСУ проявляется в процессе ее применения и характеризует ее способность достигать цели при своем качестве, условиях и способах применения.
Характерными элементами этапа разработки эскизного проекта являются теоретическое и экспериментальное обоснование главных характеристик, технических и технологических решений при создании ТСУ в целом и ее основных частей.
На этапе разработки рабочей документации важно подготовить полный комплект конструкторской документации и комплексную программу экспериментальной отработки создаваемой ТСУ.
На каждом этапе проектирования решаются задачи системного синтеза, представляющие ТСУ с различной степенью детализации.
В рассматриваемой последовательности этапов проектирования обоснование того или иного варианта перспективной ТСУ представляет собой верхний уровень проектных работ (рис. 3.2). В проекте любой системы можно выделить три уровня: архитектура, исполнение и реализация.
Архитектура системы — это функциональное применение системы с точки зрения пользователя, под исполнением понимается логическое описание внутренней структуры, дающее возможность исполнения этих функций, реализация — физическое воплощение исполнения.
Техническое обоснование ТСУ включает описание с помощью специальных требований функционального применения ТСУ с точки зрения пользователя.
Вышесказанное позволяет сделать следующий важный вывод: техническое обоснование перспективных ТСУ относится к задачам системного синтеза и представляет собой процесс разработки архитектуры сложной ТСУ исходя из принципов многокритериалъности, декомпозиции и итеративности.
Общая процедура обоснования варианта перспективной ТСУ
Техническое обоснование облика перспективной ТСУ направлено на разрешение противоречия между желаемым и возможным, причем желаемое определяется возникшими потребностями в создании новой ТСУ (задачами системы более высокого уровня), а возможное — уровнем развития науки и техники и внешними условиями применения (эксплуатации). На рис. 3.2 в системном представлении показан процесс проведения технического обоснования и выработки тактико-технического задания на разработку и производство перспективных ТСУ.
Методологической основой технического обоснования облика перспективной ТСУ является методология архитектурного проектирования. "Архитектурное проектирование - это проектирование сверху вниз, определяющее каждую деталь как часть целого"[3.8],
Общую процедуру обоснования перспективной ТСУ можно представить в виде трех уровней.
Цель первого уровня исследования — установление достаточности множества показателей качества и эффективности проектируемой ТСУ. Первый уровень включает:
формулировку задач технического обоснования;
определение начальных (отправных) качественных характеристик сформулированной задачи;
определение множества возможных вариантов решения задачи и выбор наиболее конкурентоспособного;
выбор показателей качества и эффективности для рассматриваемой системы.
Выбор показателей качества и эффективности производится путем сравнения их с интересующими свойствами проектируемой системы. При выявлении несоответствия следует вернуться к этапу формулировки задачи, тщательно разобраться в ней и дать другую формулировку.
Цель второго уровня исследования — достижение соответствия между типом сформулированной задачи, особенностями математической модели исследуемой системы и методами ее решения. Второй уровень включает:
разработку математической модели ТСУ (модели исходных данных) и проведение на ней экспериментов;
выбор математических методов обработки математических экспериментов, формирование с их помощью технического облика ТСУ (порождающей модели) и проведение на ней исследований.
Соответствие между типом сформулированной задачи, особенностями математической модели и методами ее решения часто нарушается из-за возможности или неумения подобрать математические методы обработки результатов математического эксперимента и формирования облика системы. В таком случае необходимо скорректировать задачу до уровня своих возможностей или знаний, пусть даже за счет потери качества решения, это будет методически грамотно и математически корректно, а в итоге - правильно.
Цель третьего уровня — достижение соответствия между решениями частных подзадач. Это соответствие предполагает выполнение требований сформулированных по результатам решения задачи вышестоящего иерархического уровня. Третий уровень включает:
декомпозицию задачи технического обоснования (выдачу исходных данных на нижние иерархические уровни и проведение на них исследований);
согласование решений всех иерархических уровней с использованием принципа итеративности;
исследование технического облика ТСУ в организационном и экономическом аспектах.
Затем проводится исследование полного множества альтернативных вариантов и принимается наиболее перспективный вариант ТСУ. Этот блок работ предполагает следующее:
рассмотрение каждой из возможных альтернатив системы и получение области возможных решений;
разработку математической модели принятия решений (структурированной модели) и определение наилучшего варианта ТСУ.
Если ни одно из полученных решений множества альтернативных вариантов не удовлетворяет требованиям, то возникает необходимость в изменении формулировки задачи. При этом возможны два выхода: переформулировать задачу при тех же требованиях, используя информацию, полученную при предыдущих исследованиях, или выйти на уровень вышестоящей системы с обоснованной просьбой изменения требований к выполняемой задаче.