Функциональный анализ и синтез систем управления

Вопрос о взаимоотношении структуры и функции — один из древнейших. Аристотель задавал вопрос: "ради чего существует орган?" (имея в виду биологическую систему), и отвечал: "ради выполнения определенной цели", т.е. функции.

Рассматривая структуру и функцию, первичным считают изменение функции. Однако правильнее рассматривать их изменения в процессе эволюции в диалектической взаимосвязи и взаимообусловленности (изменение среды требует изменения функции, а она, в свою очередь, влияет на изменение структуры).

Функциональный анализ систем управления

Функциональный анализ осуществляется одновременно с исследованием структуры системы управления.

Сущностью функционального анализа является определение динамических характеристик системы 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. Можно сказать, что функциональный анализ направлен на детальное исследование процессов управления.

Объектами 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.

Функциональный анализ может включать следующие основные этапы:

определение и описание общего процесса управления, реализуемого исследуемой системой;

декомпозиция общего процесса управления на ряд частных функций (задач, операций), выполняемых элементами системы управления;

определение качественных и количественных характеристик исследуемых процессов и функций управления;

формирование критериев и оценка эффективности функционирования системы управления;

принятие решения о необходимости совершенствования функциональных характеристик системы управления.

Остановимся кратко на содержании указанных этапов.

Определение и описание общего процесса управления, реализуемого исследуемой системой, включает:

формирование или уточнение цели управления;

формирование управляющих воздействий;

реализацию воздействий;

контроль за результатами реализации воздействий.

Основная цель системы управления рассматривается как желаемое (требуемое) множество состояний объекта управления и элементов окружающей среды, на которые активно воздействует объект управления в желаемые моменты времени.

Существуют следующие виды целей: цель-состояние, цель-движение и цель-направление.

Если перед системой управления не поставлена или не сформулирована цель, функциональный анализ не имеет смысла.

Формирование управляющих воздействий осуществляется на основании установленной цели и включает следующие составляющие:

получение информации об объекте управления и окружающей среде;

накопление, обработку и анализ информации;

определение возможных вариантов воздействий;

выбор рационального варианта воздействий;

разработку программы (плана, алгоритма) реализации воздействий, предусматривающей последовательность выдачи воздействий и предполагаемые (эталонные) состояния и реакции объекта на эти воздействия.

Реализация воздействий включает два основных этапа:

передачу воздействий объекту управления по имеющимся прямым связям (материальным, энергетическим, информационным);

отработку воздействий объектом управления, в ходе которой осуществляется его переход в новое состояние и формирование ответных воздействий (реакций), передаваемых в управляющую систему по обратным связям (информационным).

Контроль за результатами реализации воздействий включает:

получение информации о состоянии объекта после воздействия;

обработку этой информации и сравнение ее с эталонной;

анализ результатов сравнения и переход к формированию новых управляющих воздействий.

Декомпозиция общего процесса управлениявключает:

проведение детализации общей цели управления на ряд частных взаимосвязанных целей и формирование дерева (иерархии) целей;

определение элементов системы управления, реализующих сформированные цели;

исключение элементов, не имеющих цели функционирования;

выявление функций управления (основных и обеспечивающих), которые необходимы для эффективной реализации всех этапов управления, в соответствии с общей и частными целями управления;

сопоставление соответствия выделенных функций элементам (исполнителям, руководителям, органам, техническим устройствам) анализируемой системы и оценка их реализации;

выявление дублирующих, бесполезных, малоэффективных функций и выработка рекомендаций по совершенствованию системы управления.

В ходе функционального анализа необходимо определить качественные и количественные характеристики исследуемых процессовс целью принятия обоснованных решений о степени соответствия системы управления предъявляемым требованиям и необходимости ее дальнейшего совершенствования.

Совокупность количественных и качественных характеристик можно разделить на следующие группы: комплексные характеристики, позволяющие оценивать существенные свойства системы; структурные характеристики, позволяющие оценивать структуру процесса управления, формируемую в процессе его декомпозиции; частные характеристики, определяющие свойства отдельных этапов (фаз), функций, работ и других управленческих действий, рассматриваемых в качестве отдельных элементов процесса управления.

Комплексные характеристики процесса управления включают: непрерывность, оперативность, точность, устойчивость, скрытность, эффективность.

Непрерывность процесса управления - отсутствие перерывов между последовательно выполняемыми этапами (фазами) или другими действиями, приводящими к снижению качества управления. Непрерывность процесса нарушается, если между двумя последовательно выполняемыми этапами возникает незапланированная пауза, приводящая к снижению качества выполнения последующих этапов анализа (например, из-за потери ценности информации), несвоевременному достижению поставленной цели или срыву всего процесса управления.

Оперативность процесса управления - завершение цикла управления в требуемые сроки.

Точность - обеспечение максимального соответствия реального движения (или конечного состояния) требуемому (эталонному) движению (или конечному состоянию) объекта управления.

Степень точности зависит от разности между эталонным и реальным движением или состоянием объекта управления.

При исследовании процессов управления предприятиями точность можно оценить с помощью разности между прогнозируемой и реальной прибылью, полученной в результате управленческой деятельности руководства данного предприятия.

Устойчивость процесса управления - способность сохранять и восстанавливать свое качество в условиях внешних и внутренних возмущений.

Скрытность процесса управления - способность утаить от конкурентов или других противодействующих систем планируемые и выполняемые действия.

Данное свойство определяет качество процесса управления в конкурирующих (противоборствующих) системах, которые вынуждены в силу каких-либо причин скрывать передаваемую или обрабатываемую информацию.

Эффективность — степень соответствия реальных (фактических или ожидаемых) результатов процесса управления требуемым или, иными словами, степень достижения цели управления.

Структурные характеристики процесса управления используются для оценки множества анализируемых элементов (функций, работ, действий, фаз, этапов и др.) процесса управления и связей между ними.

К структурным характеристикам процесса управления организационными системами (при их декомпозиции по уровням и функциям) можно отнести: число функций управления каждого уровня и общее число функций управления, реализуемых исследуемым процессом управления; подчиненность (зависимость по входной и выходной информации) функций управления; число функций управления, выполнение которых зависит от выходной информации функций управления вышестоящего уровня; время реализации каждой функции управления.

При анализе структуры процесса управления целесообразно учитывать следующие характеристики сетевых структур организационных систем: связанность структуры, определяемую количеством информационных связей между выделенными функциями процесса; структурную избыточность, определяющую превышение числа связей между функциями процесса над минимально необходимым.

К частным характеристикам процесса управления можно отнести: количество информационных входов и выходов каждой функции; число и перечень информационных и расчетных задач, решаемых при реализации соответствующей функции управления; объем входной, выходной и обрабатываемой информации; средняя продолжительность или другие вероятностные характеристики сроков решения соответствующих частных задач; характеристики потока заявок на выполнение соответствующих функций; перечень и характеристика алгоритмов, машинных программ или пакетов прикладных программ, используемых для реализации функций.

Оценка связей между функциями процесса управления может производиться с использованием следующих характеристик: объема и содержания информации, передаваемой с использованием соответствующей связи времени передачи информации; характера возмущений, влияющих на качество передаваемой информации.

Функциональный синтез систем управления

Функциональный синтез, так же как и анализ, осуществляется одновременно с исследованием структуры системы управления.

Сущностью функционального синтеза является обоснование динамических характеристик системы управления, которые должны обладать желаемыми свойствами.

Цель функционального синтеза - обоснование оптимальных или рациональных характеристик процессов функционирования системы управления, т.е. процессов изменения ее состояний с течением времени в соответствии с поставленной целью.

При постановке общей задачи функционального синтеза необходимо учитывать критерии эффективности управления. В соответствии с заданным критерием задача формулируется следующим образом: сформировать процесс управления (управляющее воздействие) , обеспечивающий требуемые значения показателя эффективности q при заданных условиях выбора (неуправляемых факторах) :

.

При этом форма представления управляющих воздействий зависит от вида системы управления, реализующей исследуемый процесс. Для общественных систем управления воздействия u(t) формируются и передаются в виде информации (указаний, распоряжений, команд, приказов), определяющей дальнейшее поведение объекта управления. Для технических систем управления воздействия могут задаваться в форме характеристик механических усилий, параметров электрического тока, температуры, давления, действующих на объект управления.

Условия выбора (неуправляемые факторы) включают значения отдельных параметров системы управления и окружающей среды, не зависящих от управляющих воздействий u(t), но влияющих на показатель эффективности.

Для получения решений, близких к оптимальным, необходимо исследовать процессы функционирования в рамках всех формируемых вариантов структур и, в свою очередь, формировать варианты структур, обеспечивающих эффективную реализацию выбранных алгоритмов.

Резюме

5. 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.

6. 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 систему правления 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.

Вопросы для повторения:

1. Каковы цели анализа систем управления?

2. Каковы цели синтеза систем управления?

3. Опишите задачи анализа систем управления.

4. Опишите задачи синтеза систем управления.

5. В чем состоит сущность и содержание структурного анализа систем управления?

6. В чем состоит сущность и содержание структурного синтеза систем управления?

7. В чем состоит сущность и содержание функционального анализа систем управления?

8. В чем состоит сущность и содержание функционального синтеза систем управления?

Литература

Основная

1. Мухин В.И., Малинин В.С. Исследование систем управления: Учебник для вузов.– М: Издательство «Экзамен», 2003. – 384 с.

2.Абросимов А.Г., Бородинова М.А. Информационные системы в экономике: Учеб. пособие. 2-е изд. – Самара: Изд-во Самар. гос. экон. акад., 2003. – 100 с.: ил. (С грифом УМО).

3.Анфилатов B.C. и др. Системный анализ в управлении: Учебное пособие/ Под ред. А.А. Емельянова. - М.: Финансы и статистика, 2002. - 368с. (С грифом УМО).

Дополнительная

1. Жариков О.Н., Королевская В.И., Хохлов С.Н. Системный подход к управлению: учебное пособие для вузов / Под ред. В.А. Персианова. -М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. - 62с.

2. Игнатьева А.В., Максимцов М.М. Исследование систем управления: Учеб. пособие для вузов. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003. – 157 с.

3. В.Н. Волкова, А.А. Денисов. Основы теории систем и системного анализа: Учебник. Изд. 3-е переработанное и дополненное. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2003. - 512с.

Лекция 9

Тема: ИНФОРМАЦИОННЫЙ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ[6]