Теория технических систем (стр. 2 )

Системой мы будем называть совокупность, образованную или упорядоченную по определенным правилам из конечного множества элементов. В этой совокупности элементов, как правило, существуют некоторые отношения.

Понятие элемент и система относительны. Возможен вариант, когда элемент являться системой меньших элементов, а система может быть элементом некоторой системы. Например, некоторый автомат можно рассматривать как систему, образованную множеством элементов, с другой стороны, автомат может быть элементом большого предприятия.

Сложную систему в практических задачах, как правило, разделяют на подсистемы различной сложности. С помощью такого разделения система может изучаться глубже и с различных точек зрения, зависящих не только от самой системы, но и от технических возможностей, а также от органов чувственного восприятия.

Например, при конструировании технических систем любой сложности элементы системы не рассматриваются на молекулярном или атомарном уровне: нижним уровнем рассмотрения при этом являются детали машин, каждая из которых может рассматриваться как подсистема, состоящая из совокупности тел (элементов) более простой формы. Объект рассмотрения для конструктора – автомат, для проектировщика – целые предприятия. В отличие от этого, для материаловеда или химика элементами системы (материала), то есть объектами рассмотрения, будут служить молекулы и атомы вещества.

Понятие «система» можно подставить в один ряд с такими понятиями как структура, окружение, поведение, назначение, выход, вход, состояние и свойство.

Изначально любая созданная система имеет определенное назначение, которое описывается системой целей.

Цель – это некоторое (возможно, воображаемое) состояние, которое является желательным, и к которому стремятся. Системой целей можно назваться множество целей и отношений между ними. Существует такое понятие как подцель, которое конкретизирует цель. Подцель обычно является средством достижения цели.

Поведение любой системы определяется множеством последовательных во времени состояний. К примеру, поведение биологических систем можно трактовать как реакцию на раздражения.

Цель создания технических систем – получение определенного, желаемого их поведения. Поведение системы, подчиненное определенным законам, называют функцией. Под функцией понимается некоторая стабильная способность к определенным действиям, что обеспечивается правильным поведением системы. В общем случае, система может функционировать неправильно. «Поведение» рассматриваемых технических систем мы будем называть функционированием.

1.2 Структура системы, связь между структурой

и функционированием системы

Понятие структура (Str) характеризует внутреннюю организацию, определенный порядок и построение системы. Следовательно, структура – это совокупность элементов и отношений между ними.

Функционирование системы задается ее структурой и отношениями между элементами системы. Замкнутая система с заданной структурой функционирует однозначно, т. е. ее структура полностью определяет способ функционирования.

С другой стороны, функционирование не всегда может определять структуру однозначно. Одна и та же функция может осуществляться различными структурами.

1.3 Окружение системы, вход и выход системы

Окружение (Umg) системы, в общем случае – все то, что не входит в данную систему. Далее мы ограничимся окружением, состоящим из систем, включающих один или более элементов, выход, которого является в то же время входом некоторого элемента системы, либо элемент, вход которого является одновременно выходом некоторого элемента системы. Такое окружение будем называть реальными окружениями. Полное же окружение любой системы включает следующие составные части: астросфера, атмосфера, биосфера, геосфера, техносфера.

Внешнее отношение окружающая среда → система принято называть Вход (In). Входная величина зависит от вида системы и может быть как действием, так и связью (отношением) или параметром состояния объекта (операнда). Множество всех входов составляет обобщенный вход, который, в общем случае, представляется как вектор отдельных входов.

Внешнее отношение система → окружающая среда принято называть Выход (Ou). Выходная величина также зависит от вида системы и может быть как действием, так и связью или параметром состояния операнда.

Множество всех выходов составляет обобщенный выход – вектор отдельных выходов. Единственными связями системы с окружающей средой являются входная и выходная величины. Входы и выходы системы содержат все виды связей с окружающей средой, как желательные, так и нежелательные. Сюда входят также связи энергетического (Еn), информационного (I) и материального (S) характера.

1.4 Свойства систем и их оценки

Любая система, элементы системы, а также отношения в системе обладают свойствами (Е), присущими этой системе и точно ее определяющими. Такими свойствами является масса, стабильность, размеры, форма, скорость, а также транспортабельность и технологичность. Одним из важных свойств является способность функционировать, т. е. что-либо делать. Свойство – всякий существенный признак объекта. Не существует объектов без свойств. Обратное тоже верно. Одинаковые свойства можно различить степень воплощения этих свойств. На этой почве возникает проблема количественного определения (измерения, квантификации) свойства.

Как правило, существенные свойства объекта выбирают для совокупной характеристики объекта, для его оценки. При этом говорят о совокупной, частной и обобщенной оценках, обобщенном качестве или ценности. Чтобы получить совокупную оценку, измеряют отдельные свойства и частные оценки превращают в обобщенные.

1.5 Состояние системы и ее возможная модель

Множество значений свойств системы в каждый определенный момент времени принято называть состоянием системы. Аналогично входу и выходу состояние системы можно определить как вектор, имеющий отдельные свойства в качестве компонентов. При определении состояния или качества абстрагируются от большей части несущественных свойств.

Состояние системы в различные моменты времени может быть одинаковым или различным. Разность – различие между состояниями. Разность возникает при переходе с течением времени системы из одного состояния в другое. Разность, может быть дифференциальной (непрерывный переход к следующему состоянию) либо дискретной.

Модель (рис. 1.1) иллюстрирует приведенные выше определения и их взаимосвязь.

Рисунок 1.1 – Модель системы

1.6 Типы систем и задач

Типы систем зависят от критериев, применяемых для типизации систем. Системы можно классифицировать следующим образом.

1) По изменению состояния:

- статические (неизменные во времени);

- динамические (изменяются во времени).

2) По типу элементов (в смысле их конкретности):

- абстрактные (элементы – отвлеченные объекты);

- конкретные (элементы – реальные объекты).

3) По характеру функционирования:

- стохастические (возможны различные варианты функционирования);

- детерминированные (однозначное функционировании системы).

4) По происхождению системы:

- искусственные (созданные искусственным путем);

- естественные (созданные самой природой).

5) По виду элементов:

- системы типа «процесс» (элементы – операции: точение, фрезерование, шлифование, сборка);

- системы типа «объект» (элементы – предметы: станок, автоматическая линия, изделие).

6) По характеру зависимости выхода:

- секвентивные (выход зависит не только от входа);

- комбинаторные (выход зависит только от входа).

7) По степени сложности структуры:

- простые (болтовое соединение, семейная библиотека);

- сложные (библиотека университета, легковой автомобиль);

- очень сложные (автоматизированное предприятие; производственный цех);

- предельно сложные (мозг, глаз, народное хозяйство).

Задачи систем.

Задача анализа – задана структура, определить функционирование системы.

Задача синтеза – заданы характер функционирования и другие требования к системе, определить структуру, удовлетворяющую данные требования.

Задача «черного ящика» – когда задана система, структура которой неизвестна или известна частично. Требуется определить ее функционирование и, возможно, структуру.

Далее систему мы будем изображать в виде четырехугольника, круга или их комбинации, используя для систем типа «объект» обозначение (ТС), а для систем типа «процесс» – (Р) (рис. 1.2).

 

Рисунок 1.2 – Графическое обозначение двух типов систем

1.7 Система типа «процесс»

Термин «процесс» означает: что-то совершается, происходит, т. е. изменяется с течением времени. В природе «все течет, все изменяется», нескончаемое что-нибудь происходит. Естественным изменениям, т. е. таким процессам, как старение, выветривание, эрозия, подвержены даже самые стабильные объекты (скалы и горы). То же самое относится и к биосфере.

Человек в течение всей своей жизни с целью осуществления необходимых или желательных изменений организует искусственные процессы. Все эти изменения направлены на удовлетворение как материальных, так и нематериальных человеческих потребностей. Человек, подчиняющийся законам природы, все же может ускорить, усилить или улучшить некоторые природные процессы или их свойства. Важную роль в жизни людей играет целенаправленное изменение определенных объектов.

Преобразованием назовем искусственные процессы, в которых претерпевают изменения те или иные свойства объекта при непосредственном участии технических средств, людей, вследствие чего достигается желаемое состояние операнда.

Преобразование является следствием определенных воздействий, основанных на химических, физических или биологических явлениях. Эти воздействия, как правило, описываются некоторой инструкцией – алгоритмом, рецептом, технологией. Термин «операнд» (Оd) нами выбран в качестве общего назначения всех состояний, предметов и систем, которые подвергаются целенаправленному преобразованию.