2.6 уровни исследования и структура показателей 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

Уровни исследования систем управления

В настоящее время имеется целый ряд работ, в которых рассматриваются различные подходы к наименованию и содержанию уровней исследования систем управления.

Так, М. Мессарович предлагает проводить исследование, начиная с верхнего уровня и далее в соответствии с убыванием порядковых номеров, т.е. n-й, (п 1)-й, ..., и т.д. [2.7]. В справочнике "Эффективность технических систем" вводят концептуальные, операциональные, детальные уровни и др.[2.10]

Однако данные наименования не в полной мере учитывают специфику исследования целенаправленных (управляющих) систем, поэтому остановимся на классификации уровней, предложенной Е.Н. Хохлачевым [2.17], которая учитывает основные принципы анализа и синтеза сложных систем управления.

Выделим следующие уровни анализа и синтеза систем управления: 1-й -внешний; 2-й -исходный; 3-й — общесистемный; 4-й, 5-й, ..., п-й системные уровни.

Общее число уровней может быть различным в зависимости от принятой степени детализации объекта исследования.

Дадим краткую характеристику каждому уровню исследования.

На внешнем уровне анализируется сверхсистема (надсистема), в состав которой входит исследуемая система управления. Основные задачи исследования сверхсистемы:

определение целей и задач сверхсистемы;

выделение (в сверхсистеме) подсистем (функций, задач), в интересах которых применяется система управления;

уточнение показателей и критериев данных подсистем; а определение внешних свойств и соответствующих показателей системы управления, которые могут повлиять на эффективность сверхсистемы.

На исходном уровне исследуемая система управления выделяется как отдельный целенаправленный элемент сверхсистемы, которая включает различные, в общем случае, противоположные по интересам подсистемы. Основные задачи исследования на исходном уровне: п выделение исследуемой системы в виде отдельного целенаправленного элемента (ЦНЭ);

выявление входных целезадающих, обеспечивающих и помеховых (разрушающих) воздействий, поступающих от различных подсистем сверхсистемы на ЦНЭ;

установление показателей и критериев эффективности ЦНЭ, которые характеризуют внешние свойства системы управления и ее влияние на сверхсистему.

ЦНЭ рассматривается без учета внутренней структуры, в виде модели элемента "вход — состояние — выход".

Сверхсистема в любой произвольный момент времени t может формировать вектор входных воздействий x(t) = (c(t), r(t), v(t)}, где c(t) — целе-задающие; r(t) — обеспечивающие; v(t) — помеховые (разрушающие) частные воздействия, поступающие от различных подсистем.

Целезадающие воздействия c(t) включают информацию, необходимую для уяснения ЦНЭ поставленной перед ним общей цели. При этом в отдельных случаях ЦНЭ может самостоятельно корректировать, уточнять и формировать цели управления. Целезадающие воздействия формируются теми подсистемами, в интересах которых функционирует ЦНЭ.

Обеспечивающие воздействия r(t) также формируются подсистемами, заинтересованными в достижении поставленной цели, и включают дополнительные материальные, энергетические, людские, денежные и другие ресурсы, необходимые для успешного функционирования ЦНЭ. Обеспечение воздействия могут отсутствовать, если ЦНЭ имеет достаточное количество своих внутренних ресурсов.

Помеховые (разрушающие) v(t) воздействия формируются в основном теми подсистемами сверхсистемы, которые препятствуют достижению поставленной перед ЦНЭ, или могут формироваться хаотически «тральными подсистемами.

Под влиянием перечисленных воздействий ЦНЭ совершает движение Z(t) к намеченной цели и формирует вектор ответных реакций

y(t) = {c'(t), r'(t), v'(t)}.

Целекорректирующие реакции c'(t) воспринимаются сверхсистемой для коррекции ранее намеченной цели и формируются ЦНЭ в зависимости от достигнутых промежуточных результатов.

Целеобеспечивающие реакции r'(t) формируются для улучшения свойств или повышения качества и эффективности подсистем, в интересах которых функционирует ЦНЭ.

Нейтрализующие реакции v'(t) обеспечивают подавление помеховых (разрушающих) воздействий и могут совпадать с целеобеспечивающими реакциями.

На исходном уровне формируются показатели и критерии эффективности ЦНЭ и исследуются его внешние свойства, обеспечивающие наилучшее достижение поставленной цели.

На общесистемном уровне производится детализация ЦНЭ на управляющую систему (УС) и объект управления (ОУ).

Основные задачи исследования на общесистемном уровне:

декомпозиция ЦНЭ на управляющую систему и объект управления;

формирование управляющих воздействий;

определение маршрутов движения к цели;

определение показателей, раскрывающих структуру системы и эффективность управляющих воздействий.

УС и ОУ рассматриваются как отдельные элементы, описываемые моделями "вход — состояние — выход". При этом УС исследуется как элемент, формирующий управляющие воздействия u(t) в момент t на основании заданного начального движения 0, to помеховых воздействий vt, состояний zt на соответствующих интервалах и характеристик цели и имеет вид:

u(t) = (t, t0, 0, zt, vt, zt, с).

Объект управления (ОУ) как элемент, совершающий движение к намеченной цели

z(t) = (t, t0,0, ut, vt),

вырабатывает ответные выходные реакции

y(t) =(t, t0, 0 , zt , vt ).

На основании полученных соотношений уточняются показатели и критерии выделенных элементов системы управления.

В качестве показателей эффективности могут использоваться показатели

qk = qk[z(tk)],

зависящие только от конечного состояния объекта управления z(tk) и хаэактеризуюшие результат управления в конечный момент времени tk, и интегральные показатели

зависящие от значений текущего показателя эффективности qt и соответственно всех состояний объекта управления на интервале [t0, tk], и характеризующие суммарный результат управления на данном интервале.

На системных уровнях осуществляется дальнейшая декомпозиция УС и ОУ путем выделения отдельных элементов и связей между ними. При этом для сложных иерархических систем управления возможно выделение частных пар "УС—ОУ" и соответствующих частных целей и задач управления с повторением для них исследований общесистемного уровня. Для системных уровней характерны углубленное исследование частных свойств системы управления и возрастающее число анализируемых показателей.

Структура показателей систем управления

В соответствии с постулатом декомпозиции и многоуровневой моделью исследования систем управления вся совокупность показателей (характеристик) системы управления будет иметь иерархическую структуру. Выделим следующие уровни показателей: внешний, исходный; общесистемный и частные системные уровни.

Показатели внешнего уровня П0 — показатели отдельных подсистем сверхсистемы, взаимодействующие с исследуемой системой управления.

Показатели исходного уровня П1 характеризуют внешние свойства системы управления и ее влияние на сверхсистему.

Показатели исходного уровня включают:

показатели эффективности, с помощью которых можно оценить степень приспособленности системы или ее отдельных элементов соответствующего уровня к выполнению поставленных задач;

параметры выбора, содержащие характеристики отдельных свойств темы управления, оказывающих влияние на показатель эффективности.

Показатели исходного уровня описываются следующим соотношением:

Пi = {qi, hi}, i = 0, 1, ..., п,

где qi показатели эффективности qi  GDi, с помощью которых можно оценить степень приспособленности системы или ее отдельных элементов соответствующего уровня к выполнению поставленных задач;

GDi — области допустимых значений показателей эффективности, которые определяются исходя из возможности их реализации в современных условиях;

hi параметры выбора hi  НDi ,содержащие частные характеристики отдельных свойств системы управления, оказывающие непосредственное влияние на значения qi;

HDi — области допустимых значений параметров выбора, которые определяются исходя из возможности их реализации в современных условиях.

Между показателями эффективности и параметрами выбора всех уровней могут быть установлены детерминированные, стохастические или нечеткие зависимости. Кроме того, могут быть установлены зависимости между показателями и параметрами одного уровня и межуровневые зависимости:

одноуровневые, определяющие взаимосвязь между показателями эффективности qi и параметрами выбора hi каждого уровня:

qi =F(hi, vi), i=0,1,…,n,

где vi — условия выбора на i-м уровне исследования системы; в частном случае допускается qi = hi;

межуровневые, определяющие взаимодействия между параметрами выбора предыдущего i-го уровня и показателями эффективности последующего уровня:

hi = Ф(qi+1,vi,vi+1), i = 0,1,….n-1,

где vi+1 — условия выбора на (i+1)-м уровне исследования системы; в частном случае допускается hi = qi+1 .

Условия выбора могут включать различные неуправляемые воздействия сверхсистемы, а также дополнительные данные, определяющие ограничение на используемые ресурсы, возможные пределы изменения показателей, начальное состояние или движение объекта управления.

Показатели общесистемного уровня П2 — показатели, которые определяют структуру системы управления на уровне УС и ОУ, а также процессь функционирования соответствующих элементов при выработке управляющих воздействий и реакций.

Показатели П3, П4, ..., Пп частных системных уровней включают различ-ныe структурные, функциональные и информационные характеристики исследуемой системы до принятой степени детализации.

Оценка информативности показателей анализируемой

системы управления

Основными проблемами параметрического анализа являются:

невозможность для большинства сложных систем управления дать

адекватную количественную оценку информации I, получаемой о системе

в процессе анализа, и определить ее зависимость I(П) от определяемых

(измеряемых) показателей П;

сложность определения необходимых ресурсов R(П) для достоверного определения показателей П.

Для решения первой проблемы применяются следующие допущения:

d максимальную информацию о системе будут давать значения тех показателей эффективности нижестоящего уровня, которые оказывают наибольшее влияние на параметры выбора вышестоящего уровня, и значения тех параметров выбора, которые оказывают наибольшее влияние на показатели эффективности своего уровня;

¨ установлено (определено) распределение по важности параметров выбора сверхсистемы h0 = {h0j}, j = 1, 2, ...,m0, на которые оказывают влияние показатели эффективности исходного уровня системы управления q1= {q1k}, k= 1, 2, ..., N;

¨ между показателями каждых двух соседних уровней определены межуровневые зависимости

h1-i,j = Ф1-i,j(q1,V1-i,Vi), j = 1,2,…,m1-i

и одноуровневые зависимости

q1k = F1k(h1,V1), k = 1,2,…,N;

функции чувствительности определяются соотношениями

где  приращение показателей;

А1к,A1j— коэффициенты важности, учитывающие влияние показателей на параметры выбора показателей эффективности соответствующих уровней.

Как правило, функции чувствительности определяются с использованием методов факторного анализа или экспертных оценок.

Приведенные допущения позволяют установить правило ранжирования показателей по степени их информативности: если A1k > А1,k+1, то показатель эффективности q1k дает больше информации о системе, чем q1,k +1; или соответственно, если А1j > A1,j+1, то параметр выбора h1j дает больше информации о системе, чем h1,j+1

Для решения второй проблемы стоимостные ресурсы могут определяться экспертными оценками, временные путем построения сетевых графиков проведения анализа на соответствующем уровне исследования системы управления.

Резюме

1. Системный подход — это подход к исследованию объекта (проблемы, явления процесса) как к системе, в которой выделены элементы, внутренние и внешние связи, наиболее существенным образом влияющие на результаты его функционирования, а цели каждого из элементов определены исходя из общего предназначения объекта. Системный подход как общеметодический принцип используется в различных отраслях науки и деятельности человека. Гносеологической основой его является общая теория систем. Системный подход посвящен решению системных задач, в которых объект исследований представляется в виде систем. Системные задачи могут быть двух типов: системного анализа или системного синтеза. Задача анализа предполагает определение свойств системы по известной ее структуре, а задача синтеза — определение структуры системы по ее свойствам.

2. Под анализом систем управления понимается процесс исследования, основанный на декомпозиции системы управления, с последующим определением ее статических и динамических характеристик составляющих элементов, рассматриваемых во взаимосвязи с другими элементами системы и окружающей средой.

Цели анализа систем управления: детальное изучение системы управления для более эффективного использования и принятия решения о ее дальнейшем совершенствовании или замене; исследование альтернативных вариантов вновь создаваемой системы управления с целью выбора ее наилучшего варианта.

К задачам анализа систем управления относятся: определение объекта анализа; определение функциональных особенностей системы управления; определение количественных и качественных показателей системы управления; оценка эффективности системы управления; обобщение и оформление результатов анализа.

3. Под синтезом систем управления понимается процесс создания (совершенствования; организаций проектирования) систем управления. Синтез систем управления осуществляется путем согласования статических и динамических характеристик системы, обеспечивающих в совокупности максимальную степень соответствия системы поставленным задачам.

Цели синтеза систем управления: создание новых систем управления на основе достижений науки и техники; совершенствование существующих систем управления на основе выявленных недостатков, появление новых задач и требований.

Синтез представляет собой многошаговый итеративный процесс.

К задачам синтеза систем управления относятся: формирование замысла и цели создания системы; формирование вариантов новой системы; приведение описания вариантов системы во взаимное соответствие; оценка эффективности вариантов и принятие решения о выборе варианта новой системы; разработка требований к системе управления; разработка программ реализации требований к системе управления; реализация разработанных требований к системе управления.

Опыт исследования объектов различного состава, содержания и области применения (общественных, физических, технических, эргатических, биологических, мыслительных конструкций и т.д.) позволяет сформулировать три основных принципа анализа и синтеза, которые можно положить в основу исследования, использования и создания сложных систем управления: принцип физичности; принцип моделируемости; принцип целенаправленности.

Выделяют следующие виды анализа и синтеза систем управления: структурный анализ и синтез систем управления; функциональный анализ и синтез систем управления; информационный анализ и синтез систем управления; параметрический анализ и синтез систем управления.

Сущностью структурного анализа является определение статических характеристик систем по известной ее структуре. Структурный анализ проводится с целью исследования статических характеристик системы путем выделения в ней подсистем и элементов различного уровня и связей между ними. Объектами исследования структурного анализа являются различные варианты структур системы управления, которые формируются в процессе ее декомпозиции.

Сущностью структурного синтеза является разработка (создание, проектирование, совершенствование, реорганизация и организация системы), которая должна обладать желаемыми свойствами. Структурный синтез проводится с целью обоснования множества элементов структуры, отношений и связей, обеспечивающих в совокупности максимальное соответствие заданным требованиям. Объектами исследования структурного синтеза являются различные варианты разрабатываемых (совершенствуемых) структур системы управления.

Сущностью функционального анализа является определение динамических характеристик систем на основании принятых алгоритмов ее функционирования. Функциональный анализ проводится с целью определения динамических характеристик системы путем исследования процессов изменения ее состояний с течением времени на основе принятых алгоритмов (способов, методов, принципов, концепций) управления. Объектами исследования функционального анализа являются реализуемые системой методы и алгоритмы управления, включая общий алгоритм функционирования, содержащий все основные этапы (фазы, функции) управления, и частные методы и алгоритмы, направленные на выполнение отдельных этапов управления (формирование цели управления, сбор и обработка необходимой информации, принятие решений, планирование, организация, контроль, выполнение решений и др.).

Сущностью функционального синтеза является обоснование динамических характеристик системы управления, которые должны обладать желаемыми свойствами. Целью функционального синтеза является обоснование оптимальных или рациональных характеристик процессов функционирования системы управления, т.е. процессов изменения ее состояний с течением времени в соответствии с поставленной целью.

Сущностью информационного анализа является определение объекта и форм представления информации, методов и средств ее передачи, обработки, хранения, ввода и вывода для известной структуры и алгоритма функционирования системы управления. Информационный анализ проводится с целью исследования количественных и качественных характеристик информации, используемой в системе управления. Объектами исследования выступают информационные процессы, протекающие в системе управления.

В системах управления выделяют следующие информационные процессы: сбор, прием, восприятие информации (эти процессы отражают взаимодействие системы с внешней средой); передача информации между отдельными подсистемами системы; переработка, анализ, отбор информации, создание новой информации; использование информации; передача информации из системы во внешнюю среду.

Сущностью информационного синтеза является обоснование необходимого объема и форм представления информации, методов и средств ее передачи, обработки, хранения, ввода и вывода для разрабатываемой структуры и алгоритма функционирования системы управления. Информационный синтез дополняет задачи функционального анализа, что осуществляется с целью определения требуемых качественных и количественных характеристик информации, используемой в системе управления.

Сущностью параметрического анализа является определение необходимой и достаточной совокупности показателей, характеризующих все исследуемые свойства системы и формирование зависимостей, характеризующих суммарный эффект от применения системы или ее элементов. Цель параметрического анализа — оценка эффективности системы управления на основе определения количественных значений ее показателей. Объекты исследования параметрического анализа — это частные и обобщенные показатели системы, образующие иерархическую структуру.

Сущностью параметрического синтеза является обоснование необходимой и достаточной совокупности показателей, позволяющих оценивать желаемые свойства разрабатываемой системы и ее суммарный эффект. Цель параметрического синтеза — комплексное определение согласованных и сбалансированных по уровням исследования системы требуемых значений ее показателей, включая общие показатели эффективности управления, а также частные показатели структуры, процессов функционирования информации.

6. Системный подход требует многоуровневого изучения системы управления. Выделяются следующие уровни анализа и синтеза систем управления: внешний, исходный, общесистемный, системный.

На внешнем уровне анализируется сверхсистема, в состав которой входит исследуемая система управления. В процессе исследования сверхсистемы: определяются цели и задачи сверхсистемы; выделяются (в сверхсистеме) подсистемы (функции, задачи), в интересах которых применяется система управления; уточняются показатели и критерии данных подсистем; определяются внешние свойства и соответствующие показатели системы управления, которые могут повлиять на эффективность сверхсистем.

На исходном уровне исследуемая система управления выделяется как отдельный целенаправленный элемент (ЦНЭ) сверхсистемы, которая включает различные, в том числе и противоположные по интересам, подсистемы. Основные задачи исследования на исходном уровне: выделение исследуемой системы в виде отдельного целенаправленного элемента (ЦНЭ); выявление входных целезадающих, обеспечивающих и помеховых (разрушающих) воздействий, поступающих от различных подсистем сверхсистемы на ЦНЭ; установление показателей и критериев эффективности ЦНЭ, которые характеризуют внешние свойства системы управления и ее влияние на сверхсистему.

На общесистемном уровне проводится детализация ЦНЭ на управляющую систему (УС) и объект управления (ОУ). Основными задачами исследования на данном уровне являются: декомпозиция ЦНЭ на управляющую систему и объект управления; формирование управляющих воздействий; определение маршрутов движения к цели; определение показателей, раскрывающих структуру системы и эффективность управляющих воздействий.

На системных уровнях осуществляется дальнейшая декомпозиция УС и ОУ путем выделения отдельных элементов и связей между ними.

7. В соответствии с постулатом декомпозиции и многоуровневой модели исследования систем управления вся совокупность показателей (характеристик) системы имеет иерархическую структуру и включает показатели: внешнего уровня; исходного уровня; общесистемного уровня; системных уровней.

Показатели внешнего уровня включают показатели отдельных подсистем сверхсистемы, которые взаимодействуют с исследуемой системой управления.

Показатели исходного уровня характеризуют внешние свойства системы управления и ее влияние на сверхсистему. Они включают: показатели эффективное-с помощью которых можно оценить степень приспособленности системы или ее отдельных элементов соответствующего уровня к выполнению поставленных задач; параметры выбора, содержащие характеристики отдельных свойств системы управления, оказывающие влияние на показатель эффективности.

Показатели общесистемного уровня определяют структуру системы управления на уровне УС и ОУ, а также процессы функционирования соответствующих элементов при выработке управляющих воздействий и реакций.

Показатели системных уровней включают различные структурные, функциональные и информационные характеристики исследуемой системы до принятой степени детализации.

 Вопросы для повторения

Каковы основные черты системного подхода?

Раскройте сущность системного подхода.

В чем состоят особенности реализации системного подхода?

Каковы цели анализа систем управления?

Опишите задачи анализа систем управления.

Каковы цели синтеза систем управления?

Опишите задачи синтеза систем управления.

Сформулируйте принцип физичности и укажите его постулаты.

Сформулируйте принцип моделируемости и укажите его постулаты.

Сформулируйте принцип целенаправленности и укажите его постулаты.

В чем состоит сущность и содержание структурного анализа систем

управления?

В чем состоит сущность и содержание структурного синтеза систем

управления?

В чем состоит сущность и содержание функционального анализа систем управления?

В чем состоит сущность и содержание функционального синтеза систем управления?

В чем состоит сущность и содержание информационного анализа систем управления?

В чем состоит сущность и содержание информационного синтеза систем управления?

В чем состоит сущность и содержание параметрического анализа систем управления?

В чем состоит сущность и содержание параметрического синтеза систем управления?

Опишите уровни исследования систем управления и их содержание.

Опишите структуру показателей систем управления и раскройте

их сущность.

Каковы основные проблемы параметрического анализа и пути их решения.

Литература

2.1 Армстронг М. Основы менеджмента. Как стать лучшим руководителем. Ростов-на-Дону: Феникс, 1998.

2.2 Белов Ю.А., Цитрицкий О.Е. Об одном подходе к автоматизации проектирования сложных систем // Доклады АН СССР. 1985. Т. 285. № 3.

2.3 Дружинин В.В., Конторов Д.С. Системотехника. М.: Радио и связь, 1985.

2.4 Лазарев И.А. Композиционное проектирование сложных агрегатных систем. М.: Радио и связь, 1986.

Ларин А.А. Теоретические основы управления: Учебное пособие. Ч. . Процессы системы и средства управления. М.: РВСН, 1994.

Малин А.С. Исследование систем управления: Курс лекций. М.:

ГУ ВШЭ, 1998.

Мессарович М., Тахара Я. Общая теория систем: Пер. с англ. М.: Мир, 1978.

Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1981.

Мухин В.И. Методология исследования систем управления: Курс лекций. Новогорск: АГЗ МЧС России, 1997.

Надежность и эффективность в технике: Справочник. Т. 3. Эффективность технических систем / Под ред. В.Ф.Уткина, Ю.В.Крючкова. М.: Машиностроение, 1988.

Основы общей теории систем: Учебное пособие. Ч. 1. СПб.: ВАС, 1992.

Павлов В.И. Методические основы системных исследований военно-космических средств: Учебное пособие. М.: РВСН, 1998.

Павловский Ю.Н. Декомпозиция моделей управляемых систем. М.: Наука,1979.

2.14. Панасюк А.И. О декомпозиции для приближенного расчета оптимального управления // Техническая кибернетика. 1994. № 1.

2.15. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ. М.: Высшая школа, 1989.

2.16 Трухаев Р.И., Горшков И.С. Факторный анализ в организованных системах. М.: Радио и связь, 1985.

2.17 Хохлачев Е.Н. Теоретические основы создания и применения АСУ. М.: МО СССР, 1987.

2.18 Цвиркун А.Д. Основы синтеза структуры сложных систем. М.: Наука, 1982.