Системам с управлением (системам управления)
свойственен
ряд общих признаков независимо от их природы и
назначения.
К таким общим признакам можно отнести:
• наличие обмена информацией между элементами
системы. Без обмена информацией такие системы не
могут функционировать и сохранять свою целостность;
• открытость систем, т.е. воздействия среды на них и
их на внешнюю среду. При этом воздействия могут
иметь самую различную природу и последствия;
• наличие цели управления и общего подхода к
формированию
управляющих воздействий, обеспечивающих
наилучшее достижение поставленной цели в
соответствии с заданными или сформированными в
процессе управления критериями эффективности;
• наличие некоторого множества допустимых линий
поведения
системы, из которых выбирается наиболее
предпочтительная. Если возможности выбора линий
поведения нет, то управление фактически отсутствует;
• наличие характерных определенных структур,
отражающих
контуры управления;
• наличие иерархической организации, т.е. они устроены
иерархическим образом. Иерархически организованы
социальные структуры и социальные сообщества,
экономические, технические, эргатические,
информационные, биологические системы на
различных уровнях их организации.
202
Системам с управлением присуща общая схема анализа и
синтеза:
• общая схема анализа любой системы управления,
основана на ее декомпозиции и исследовании
свойств и взаимодействий отдельных элементов;
• общая схема синтеза любой системы управления
основана
на формировании системы с заданными свойствами
путем объединения трех составляющих: материальных
объектов, информации и энергии.
Специфика анализа и синтеза обусловлена особенностями
Технические системы управления имеют следующие особенности:
• четко определенную, как правило, единственную
цель или группу целей управления;
• отсутствие человека в контуре управления с его
социальными
и психологическими особенностями;
• достаточно высокую определенность исходных
данных и возможность формализации процессов
функционирования с использованием детерминированных
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Технические системы управления (ТСУ) — это системы,
которые содержат в качестве элементов технические
устройства
и могут в течение некоторого интервала времени
функционировать
без участия человека (заводы-автоматы, автоматические
линии и пр.).
Технические системы управления имеют следующие
особенности
[9]:
• четко определенную, как правило, единственную или
группу целей управления (посадка самолета по заданной
траектории (глиссаде) для систем слепой посадки,
поддержание температуры в заданных для
систем терморегулирования и т.д.);
• отсутствие человека в контуре управления с его
социальными
и психологическими особенностями;
• достаточно высокую определенность исходных данных
и возможность формализации процессов функционирования
с использованием детерминированных
или стохастических математических моделей.
В ТСУ легко выделить объект управления и управляющую
систему (так, в паровом котле можно выделить котел и
регулятор
давления пара и т.д.).
Особенности управления техническими системами состоят
в том, что в них закон управления (а следовательно, и
управ-
151
ляющая система через ее свойство) может быть
спроектирован
заранее, что позволяет обеспечить качество управления
для
любых условий функционирования ТСУ [9].
Если функционирование системы происходит в условиях
неопределенности, то есть неизвестно точное влияние
внешней
среды, то качество управления будет обеспечено с той
точностью, с которой известно влияние внешней среды
(возмущение).
Если же воздействие внешней среды (возмущение)
неизвестно вообще, то качество управления может быть
обеспечено
за счет адаптивных систем управления (самонастраивающихся,
обучаемых) [9].
СПЕЦИФИКА ОТДЕЛЬНЫХ ВИДОВ
АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ТЕХНИЧЕСКИХ
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Задачи анализа и синтеза ТСУ решаются в процессе
реализаций
ее жизненного цикла, который представляет собой
упорядоченную
во времени совокупность состояний системы и
работ, обеспечивающих изменение состояний от момента
замысла
системы до окончания ее существования [22].
Задачи синтеза решаются в процессе создания новых ТСУ
(рис. 3.1).
Задачи анализа созданной ТСУ решаются главным образом
на стадиях ее эксплуатации (ввод в эксплуатацию,
техническое
обслуживание, ремонт, технические ревизии, надзор),
транспортирование, снятие с эксплуатации и списание.
Структурный анализ и синтез ТСУ направлен на исследование
и формирование рациональных функциональных и
принципиальных схем, реализующих заданный алгоритм
функционирования, а также на изучение и поиск
конструктивных
решений при определении состава, размещения и стыковки
конструктивно различных элементов [22].
152
Функциональный анализ и синтез ТСУ направлен на исследование
и формирование динамических характеристик системы
путем определения процессов изменения ее состояния с
течением времени.
Функциональный анализ и синтез направлен на
обоснование
математических моделей, характеризующих процессы
изменения
состояний объекта управления под влиянием управляющих
воздействий и влияния этих процессов на качество и
показатели эффективности управления.
Информационный анализ и синтез ТСУ сводится к исследованию
и разработке рациональных способов кодирования,
передачи, обработки и представления информации,
циркулирующей
между элементами системы [б].
Параметрический анализ и синтез ТСУ осуществляется
путем комплексного исследования и определения
количественных
структурных, функциональных и информационных
характеристик системы.
Для ТСУ характерна высокая степень определенности
исходных
данных и наличие хорошо разработанного математического
аппарата, что приводит к следующим особенностям:
• высокой точности оценки технических и экономических
показателей;
• возможности использования скалярных показателей
эффективности;
• относительно небольшим затратам ресурсов на
экспериментальную
проверку технических расчетов.
153
ОСНОВЫ СИНТЕЗА ОБЛИКА
ПЕРСПЕКТИВНОЙ ТЕХНИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Цели и характер обоснования облика новой
технической системы управления
Процесс создания новых технических систем управления
(ТСУ) связан с разработкой требований к ним, которые
отражали
бы качество и эффективность реализации системами
своих целевых функций при определенных условиях и
способах
применения (использования).
Для выработки этих требований проводится процедура,
получившая название технического обоснования
перспективной
системы. Данная
процедура предполагает определение
состава и типа элементов будущей системы и их
представление
наиболее существенными характеристиками, показывающими
место и роль элементов в системе. На основе этих
характеристик
составляется тактико-техническое задание (ТТЗ)
промьшгленности на разработку и производство новой
технической
системы.
Тактико-техническое задание 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;
154
• число изделий, предназначенных для испытаний
(например, летно-конструкторских).
Процесс создания новых технических систем управления
(ТСУ) и его участников показан нарис.З.Щб],
Заказчик ТСУ
Выработка требований
к ТСУ
Техническое
обоснование
облика ТСУ
Составление
тактико-
технического
задания
Контроль
соответствия тактико-
техническому
заданию
Разработчик ТСУ
Заказчик
и разработчик
ТСУ
Согласование
тактико-
технического
задания
Принятие к серийному
производству ТСУ
Проектиование
Разработка
технического
предложения
Разработка
эскизного
проекта
1 Разработка
рабочей
документации
Производство
опытных образцов
ТСУ
Испытание образцов
ТСУ (например,
летно-
конструкторские)
Рис. 3.1. Процесс
создания новых ТСУ и его участники.
Требования к новым ТСУ определяются в процессе
технического
обоснования облика ТСУ, результаты которого должны
позволить представить общие черты ТСУ еще до ее реаль-
155
ного выполнения. Поэтому задача технического
обоснования
облика является задачей системного синтеза.
На этапе технического предложения определяются
тактико-
технические характеристики (ТТХ) объекта
проектирования,
дается 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.
1. Потребности в создании новой ТСУ.
2. Задачи, стоящие перед системой более
высокого уровня.
Условия применения
(эксплуатации) ТСУ
(влияние внешней среды)
Техническое обоснование
облика ТСУ
1 Цели и
требуемые характеристики
ТСУ в целом
—1
1
Современный уровень развития
науки и техники
• Структура системы и типы
1 ее элементов
(компонентов)
1
Специальные требования к
качеству ТСУ и эффективности
ее применения
Тактико-техническое задание
на разработку и производство
перспективной ТСУ
Рис. 3.2. Система
обоснования и выработки тактико-технического
задания на ТСУ.
156
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 является
свойством процесса применения ТСУ и характеризует
способность
их достигать цели при своем качестве, условиях и
способах применения.
Для этапа эскизного проектирования характерными
элементами
являются теоретическое и экспериментальное обоснование
главных характеристик, технических и технологических
решений по созданию ТСУ в целом и ее основных частей.
На этапе разработки рабочей документации важной
задачей
является подготовка полного комплекта конструкторской
документации и комплексной программы экспериментальной
отработки создаваемой ТСУ.
На каждом этапе проектирования решаются задачи
системного
синтеза, представляющих ТСУ с различной степенью
детализации
[4].
В рассматриваемой последовательности этапов
проектирования
этап обоснования облика перспективной ТСУ представляется
в виде верхнего уровня проектных работ, сущность
которого
раскрыл Г.Блаау «В проекте любой системы можно
выделить три уровня: архитектура, исполнение и
реализация.
Архитектура системы — это функциональное проявление
системы с точки зрения пользователя, под исполнением
понимается
логическое описание внутренней структуры, дающее
возможность исполнения этих функций, реализация —
физическое
воплощение исполнения» [16].
157
Техническое обоснование облика ТСУ включает описание
с помощью специальных требований функционального
проявления
ТСУ с точки зрения пользователя.
Вышеуказанное позволяет сделать следующий важный вывод
[16]:
Техническое обоснование облика перспективных ТСУ
относится
к классу задач системного синтеза и
представляет собой процесс разработки архитектуры
слояеной ТСУ, исходя из принципов
многокритериальности, декомпозиции и итеративности.
Общая процедура обоснования облика
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 [16].
Методологической основой технического обоснования
облика
перспективной ТСУ является архитектурное проектирование.
Сущность архитектурного проектирования определена
Г.Земанским и состоит в следующем:
«Архитектурное проектирование — это проектирование
сверху вниз, определяющее каждую деталь как часть
целого
» [8].
158
Общую процедура обоснования облика перспективной
ТСУ можно представить в виде четырех уровней [16].
Целью первого уровня исследования является установление
достаточности множества показателей качества и
эффективности
проектируемой ТСУ. Первый уровень включает:
• формулировку задач технического обоснования;
• определение начальных (отправных) значений
характеристик
сформулированной задачи качественного
вида;
• определение множества возможных альтернатив решения
задачи и выбор наиболее конкурентоспособной;
• выбор показателей качества и эффективности для
рассматриваемой системы.
Выбор показателей качества и эффективности
производится
путем сравнивания их с интересующими свойствами
проектируемой
системы. При выявлении несоответствия следует
вернуться к этапу формулировки задачи, более тщательно
разобраться
в ней и дать другую формулировку.
Целью второго уровня исследования является выявление
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 невозможности или неумения
подобрать
математические методы обработки результатов
математического
эксперимента и формирования облика системы. В
159
таком случае необходимо скорректировать задачу до
уровня
своих возможностей или знаний, пусть даже за счет
потери
качества решения, но это будет методически грамотно и
математически
корректно, а в итоге — правильно.
Целью третьего уровня является 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.
Целью четвертого уровня является исследование полного
множества альтернативных вариантов и принятие решений
по
облику перспективной ТСУ. Четвертый уровень включает:
• рассмотрение каждой из возможных альтернатив
системы и получение области возможных решений;
• разработку математической модели принятия решений
(структурированной модели) и определение наилучшего
облика 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 самых требованиях, используя информацию,
полученную
при предыдущих исследованиях, или выйти на уровень
вышестоящей системы с обоснованной просьбой изменения