1, 2. Понятие теории систем. Состав и структура системы. Классификация систем. Системы управления.

! из методички (Потребности практики и науки стимулировали появление и развитие научного направления системных исследований, охватывающих самые различные объекты, которое получило название теория систем.

Теория систем рассматривается как общенаучная теория, которая выступает связующим звеном между философией и другими науками.

Теория систем имеет свой объект, предмет и задачи.

Объект исследования теории систем - сложные системы.

Предмет - методы создания и развития систем.

Задачи теории систем:

• Развитие системных концепций общего характера. Построение обобщенных концептуальных моделей систем различных классов.

• Разработка общих принципов организации и логико-математического аппарата для системных исследований.

• Создание различных частных теорий систем.

Теория систем является еще молодой ветвью в науке, и ее становление происходит в настоящее время. Эта теория зародилась в 30-х годах XX в. и в 50-е годы сформировалась как самостоятельное научное направление. Основоположником этой теории по праву считается австрийский биолог Людвиг фон Берталанфи. В создании теории принимали участие М. Месарович, Я. Такахара, Г. Саймон, А. Холл, Ч. Дарвин, Д. Менделеев, Г. Поспелов, Н. Бусленко и др.

Теория еще не сформировалась, однако и на этой стадии она приносит пользу, предлагая единый понятийный аппарат и методологию исследования сложных объектов. При этом делается попытка создания формального аппарата, который будет служить теоретическим фундаментом для целого ряда наук.

Теория систем, как отрасль науки, может быть разделена на две, достаточно условные части:

- теоретическую: использующую такие частные теории как теория

вероятностей, теория информации, теория массового обслуживания и др.;

- прикладную, основанную на прикладной математической статистике, методах исследовании операций и т. п.)

Система – множество элементов, связанных между собой.

Элемент-часть множества, которая дальше не делится.

Система- комплекс элементов, имеющих структуру взаимодействий

Система – целостное образование, состоящее из элементов, связанных между собой информационными, материальными и энергитическими связями, вследствие чего свойства системы не соответствуют в полной мере свойствам её элементов.

Информация – новые сведения.

Информационые связи между элементами – операции, которые совместно дополняют элементы системы при обработке информации.

Структура – взаимосвязь элементов.

СТРУКТУРА СИСТЕМЫ— организация связей и отношений между подсистемами и элементами системы, а также собственно состав этих подсистем и элементов, каждому из которых обычно соответствует определенная функция. Различаются структуры одноуровневые и многоуровневые. Экономические системы характеризуются, как правило, многоуровневой иерархической структурой; им свойственна также полиструктурность, т. е. взаимопереплетение разнокачественных подсистем, образующих несколько связанных между собой иерархических структур (производственно-технологических, территориальных, институционных, социальных и др.). Различают также системы с постоянной и переменной структурами, причем структура экономической системы обычно относится ко второму виду: она подвижна, формируется применительно к условиям функционирования системы.

Общая теория систем (теория систем) — научная и методологическая концепция исследования объектов, представляющих собой системы. Она тесно связана с системным подходом и является конкретизацией его принципов и методов. Первый вариант общей теории систем был выдвинут Людвигом фон Берталанфи. Его основная идея состоит в признании изоморфизма законов, управляющих функционированием системных объектов

Предметом исследований в рамках этой теории является изучение:

различных классов, видов и типов систем;

основных принципов и закономерностей поведения систем (например, принцип узкого места);

процессов функционирования и развития систем (например, равновесие, эволюция, адаптация, сверхмедленные процессы, переходные процессы).

В границах теории систем характеристики любого сложно организованного целого рассматриваются сквозь призму четырёх фундаментальных определяющих факторов:

устройство системы;

её состав (подсистемы, элементы);

текущее глобальное состояние системной обусловленности;

среда, в границах которой развёртываются все её организующие процессы.

В исключительных случаях, кроме того, помимо исследования названных факторов (строение, состав, состояние, среда), допустимы широкомасштабные исследования организации элементов нижних структурно-иерархических уровней, то есть инфраструктуры системы.

Систе́ма (от др.-греч. — целое, составленное из частей; соединение) — множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определённую целостность, единство

Свойства систем

• Связанные с целями и функциями

Синергичность — максимальный эффект деятельности системы достигается только в случае максимальной эффективности совместного функционирования её элементов для достижения общей цели.

Эмерджентность — появление у системы свойств, не присущих элементам системы; принципиальная несводимость свойства системы к сумме свойств составляющих её компонентов (неаддитивность).

Целенаправленность — наличие у системы цели (целей) и приоритет целей системы перед целями её элементов.

Альтернативность путей функционирования и развития (организация или самоорганизация).

• Связанные со структурой

Структурность — возможна декомпозиция системы на компоненты, установление связей между ними

Иерархичность — каждый компонент системы может рассматриваться как система; сама система также может рассматриваться как элемент некоторой надсистемы (суперсистемы).

• Связанные с ресурсами и особенностями взаимодействия со средой

Коммуникативность — существование сложной системы коммуникаций со средой в виде иерархии.

Адаптивность — стремление к состоянию устойчивого равновесия, которое предполагает адаптацию параметров системы к изменяющимся параметрам внешней среды (однако «неустойчивость» не во всех случаях является дисфункциональной для системы, она может выступать и в качестве условия динамического развития).

Надёжность — способность системы сохранять свой уровень качества функционирования при установленных условиях за установленный период времени.

Интерактивность.

Обособленность — свойство, определяющее наличие границ с окружающей средой.

Классификации систем

! методичка ( Системы могут быть разделены на классы по различным признакам. классификация систем по наиболее общим признакам: по природе элементов;по происхождению;по степени сложности;по характеру поведения;по степени автоматизации управления;по приспособленности к среде;по отношению к среде;по длительности существования;по изменению свойств;по характеру реакции на воздействие среды.

Физические системы состоят из изделий, оборудования и машин и, вообще, из естественных или искусственных объектов. Этим системам могут быть противопоставлены абстрактные системы, которые не имеют прямого аналога. В абстрактных системах свойства объектов, которые могут существовать только в уме исследователя, представляют символы. Это могут быть: языки (естественные и искусственные), системы исчислений и т.п. Идеи, планы гипотезы и понятия, находящиеся в процессе исследования, могут также быть представлены как абстрактные системы.

Естественные системы - это системы, которые существуют реально, например: механические, биологические, эргодические (человеко-машинные). В свою очередь, искусственные системы являются продуктом человеческого труда и ума.

Разделение систем на простые и сложные является условным. Мы будем относить к разряду сложных систем те, для которых характерны следующие признаки:

• наличие большого количества взаимодействующих между собой элементов;

• возможность разбиения системы на подсистемы;

• сложность функционирования системы;

• наличие управления (обработки потоков информации);

• наличие взаимодействия с внешней средой и функционирование в условиях воздействия случайных факторов.

Любую сложную систему в соответствии с кибернетическим подходом к исследованию систем можно рассматривать как систему управления, состоящую из двух или более систем. При этом одна из них является управляющей системой, а другая управляемой системой.

Адаптивная система - это система, которая способна приспосабливаться к внешнему воздействию, или, другими словами, в которой происходит непрерывный процесс обучения или самоорганизации.

Системы существуют в определенной окружающей среде и обусловливаются ею. Открытые системы обмениваются с окружающей средой веществом или энергией регулярным и понятным образом. Деловая деятельность в основном происходит в обстановке открытой системы.

Противоположностью открытым системам являются закрытые системы, у которых отсутствует взаимодействие с внешней средой, или которые действуют с относительно небольшим обменом энергией или веществом с окружающей средой. Лучший пример частично закрытой системы в деловом мире - монополия, процессы и продукты которой защищены патентами или другими средствами. Отсутствие конкуренции может позволить монополии действовать менее открытым способом. Сделанные человеком системы являются закрытыми, если они характеризуются как полностью структурированные. Конструирование деловых систем имеет целью переход к открытым системам. Эта цель достигается с помощью обратной связи. Системы, сделанные человеком, могут быть также адаптивными.

Постоянная система - это естественная система, но на практике довольно часто некоторые искусственные системы относят к постоянным системам.

Стабильная система - это система, свойства которой не меняются во времени. В том случае, если изменения все-таки имеют место, то они носят циклический характер.

Пассивные системы не оказывают ответного воздействия на среду. В случае, если ответная реакция имеет место, то такая система является активной.

Как видно из рисунка 1.4, каждая управляемая система в свою очередь может быть представлена системой управления состоящей из управляющей и управляемой систем. Таким образом, любую сложную систему можно рассматривать как комплекс вложенных друг в друга систем управления. Образно говоря, сложная система - это «матрешка», число, вложений в которую зависит от целей исследования системы. Они конкретно определяют, какую по счету управляемую систему не следует далее представлять системой управления с двумя составляющими — управляющей и управляемой.

Функционирование сложной системы как системы управления, можно представить в виде процесса управления, состоящего из последовательности следующих четырех системных операций: операции прогноза; операции принятия решения;операции планирования; операции регулирования или оперативного управления, состоящей в свою очередь из операций контроля (учет и анализ выполнения мероприятий плана) и управляющего воздействия в интересах выполнения плана.

В общем случае процесс управления является циклическим процессом. Это значит, что каждая из четырех операций может выполняться в цикле в зависимости от возможностей состава системы - количества элементов и их свойств, и воздействия окружающей среды.

Первый цикл - повторение операции контроля до тех пор, пока не обнаружено отклонение мероприятий от плана.

Второй цикл - в случае обнаружения отклонений от плана повторяется операция управляющего воздействия, затем снова выполняется операция контроля.

Третий цикл - повторение операции планирования - корректировки старого плана так, чтобы операция оперативного управления в целом оставалась эффективной. При этом вначале выполняется операция принятия решения.

Четвертый цикл - повторяется операция принятия решения на разработку нового плана, если корректировка старого плана не принесла успеха. При этом, как правило, выполняется и операция прогнозирования.

Такое циклическое повторение характерно для всех сложных систем, нас окружающих. Отличия могут заключаться лишь в той или иной конкретной детализации состава циклов.

Теперь несколько слов о простых системах. Главной отличительной чертой простой системы является, как правило, небольшое количество элементов в составе системы и отсутствие управления.

При большом количестве элементов простые системы называются большими системами.

Состояние простой системы не может меняться (структура, элементы) поскольку отсутствует управление, то есть, нет управляющей части. Состояние простой системы изменяется только под воздействием внешней управляющей системы, когда простая система превращается в управляемую, но не в систему управления.

В отличие от управляющей системы, обрабатывающей информационные потоки, простая система, превращенная в управляемую, обрабатывает материальные или энергетические потоки. На практике такими системами является различное оборудование, управляемое людьми или автоматами. Подобные системы могут входить в качестве элементов в состав систем управления, примером которых являются такие сложные системы как предприятия текстильной или легкой промышленности. Эти предприятия полностью соответствуют определению сложной системы, а значит, системы управления, структура которой определяется информационными, материальными и энергетическими связями.)

3. Функционирование системы управления.

Типы систем автоматического управления

Система автоматического управления, как правило, состоит из двух основных элементов — объекта управления и управляющего устройства.

• По цели управления

Объект управления — изменение состояния объекта в соответствии с заданным законом управления. Такое изменение происходит в результате внешних факторов, например вследствие управляющих или возмущающих воздействий.

• Системы автоматического регулирования

Системы автоматической стабилизации. Выходное значение поддерживается на постоянном уровне (заданное значение — константа). Отклонения возникают за счёт возмущений и при включении.

Системы программного регулирования. Заданное значение изменяется по заранее заданному программному закону f. Наряду с ошибками, встречающимися в системах автоматического регулирования, здесь также имеют место ошибки от инерционности регулятора.

Следящие системы. Входное воздействие неизвестно. Оно определяется только в процессе функционирования системы. Ошибки очень сильно зависят от вида функции f(t).

• Системы экстремального регулирования

Способны поддерживать экстремальное значение некоторого критерия (например минимальное или максимальное), характеризующего качество функционирования объекта. Критерием качества, который обычно называют целевой функцией, показателем экстремума или экстремальной характеристикой, может быть либо непосредственно измеряемая физическая величина (например, температура, ток, напряжение, влажность, давление), либо КПД, производительность и др.

Выделяют:

-Системы с экстремальным регулятором релейного действия. Универсальный экстремальный регулятор должен быть хорошо масштабируемым устройством, способным исполнять большое количество вычислений в соответствии с различными методами.

-Сигнум-регулятор используется как аналоговый анализатор качества, однозначно характеризующий лишь один подстраиваемый параметр систем. Он состоит из двух последовательно включенных устройств: Сигнум-реле (D-триггер) и исполнительный двигатель (интегратор).

-Экстремальные системы с безинерционным объектом

-Экстремальные системы с инерционным объектом

-Экстремальные системы с плавающей характеристикой. Используется в случае, когда экстремум меняется непредсказуемым или сложно идентифицируемым образом.

-Системы с синхронным детектором (экстремальные системы непрерывного действия). В прямом канале имеется дифференцирующее звено, не пропускающее постоянную составляющую. Удалить или зашунтировать по каким-либо причинам это звено невозможно или неприменимо. Для обеспечения работоспособности системы используется модуляция задающего воздействия и кодирование сигнала в прямом канале, а после дифференцирующего звена устанавливают синхронный детектор фазы.

• Адаптивные системы автоматического управления

Служат для обеспечения желаемого качества процесса при широком диапазоне изменения характеристик объектов управления и возмущений.

• По виду информации в управляющем устройстве

• Замкнутые САУ

В замкнутых системах автоматического регулирования управляющее воздействие формируется в непосредственной зависимости от управляемой величины. Связь входа системы с его выходом называется обратной связью. Сигнал обратной связи вычитается из задающего воздействия. Такая обратная связь называется отрицательной.

• Разомкнутые САУ

Сущность принципа разомкнутого управления заключается в жестко заданной программе управления. То есть управление осуществляется «вслепую», без контроля результата, основываясь лишь на заложенной в САУ модели управляемого объекта. Примеры таких систем : таймер, блок управления светофора, автоматическая система полива газона, автоматическая стиральная машина и т. п.

В свою очередь различают:

Разомкнутые по задающему воздействию

Разомкнутые по возмущающему воздействию

• Характеристика САУ

В зависимости от описания переменных системы делятся на линейные и нелинейные. К линейным относятся системы, состоящие из элементов описания, которые задаются линейными алгебраическими или дифференциальными уравнениями.

Если все параметры уравнения движения системы не меняются во времени, то такая система называется стационарной. Если хотя бы один параметр уравнения движения системы меняется во времени, то система называется нестационарной или с переменными параметрами.

Системы, в которых определены внешние (задающие) воздействия и описываются непрерывными или дискретными функциями во времени относятся к классу детерминированных систем.

Системы, в которых имеет место случайные сигнальные или параметрические воздействия и описываются стохастическими дифференциальными или разностными уравнениями относятся к классу стохастических систем.

Если в системе есть хотя бы один элемент, описание которого задается уравнением частных производных, то система относится к классу систем с распределенными переменными.

Системы, в которых непрерывная динамика, порождаемая в каждый момент времени, перемежается с дискретными командами, посылаемыми извне, называются гибридными системами.

• Примеры систем автоматического управления

В зависимости от природы управляемых объектов можно выделить биологический, экологический, экономические и технические системы управления. В качестве примеров технического управления можно привести:

Системы дискретного действия или автоматы (торговые, игровые, музыкальные).

Системы стабилизации уровня звука, изображения или магнитной записи. Это могут быть управляемые комплексы летательных аппаратов, включающие в свой состав системы автоматического управления двигателя, рулевыми механизмами, автопилоты и навигационные системы.

4. Система социальной сферы

Наиболее правильным подходом к изучению общества является системный подход, который предполагает анализ социальных структур, включающий изучение элементов общества и взаимосвязей между ними, а также анализ процессов и изменений, происходящих в обществе и отражающих тенденции его развития.

Структурный анализ системы логично начинать с выделения наиболее крупных сложных частей, называемых подсистемами. В качестве таких подсистем в обществе выступают так называемые сферы общественной жизни, представляющие собой части общества, пределы которых определяются влиянием тех или иных общественных отношений. Традиционно обществоведами выделяются следующие основные сферы обществах:

• Экономическая сфера

• Социальная сфера

• Политическая (политико-правовая)

• Духовная сфера

Социальная сфера — система социальных отношений, т. е. отношений между группами людей, занимающими различное положение в социальной структуре общества. Изучение социальной сферы предполагает рассмотрение горизонтальной и вертикальной дифференциации общества, выделение больших и малых социальных групп, изучение их структур, форм реализации социального контроля в данных группах, анализ системы социальных связей, а также социальных процессов, протекающих на внутри- и межгрупповом уровне.

Отметим, что термины «социальная сфера» и «социальные отношения» нередко употребляются в более широкой трактовке, как система всех отношений между людьми в обществе, отражающей не специфику данной локальной сферы общества, а интегративную функцию обществознания — объединение подсистем в единое целое.

Социальная сфера— отношения между различными социальными и возрастными группами; деятельность по обеспечению социальной гарантии. Институты, относящиеся к социальной сфере: коммунальные службы, образование, система здравоохранения, система социального обеспечения, предприятия связи, предприятия досуга.

В структуре управления социальной сферой основными органами исполнительной власти являются департамент образования, департамент здравоохранения, департамент социального развития, департамент культуры, управление по делам молодежи, управление государственной службы занятости населения.

Основными направлениями, на которые направлена деятельность органов социальной сферы, являются создание стройной системы ее организации и управления для максимального удовлетворения социальных потребностей жителей области, реализация приоритетных национальных проектов в сфере образования и здравоохранения, реализация целого ряда социально-ориентированных федеральных и областных законов.

5. прямая и обратная задачи исследования систем

Существует два подхода к исследованию систем или следующие две задачи.

Прямая задача

Дано:

• цель функционирования системы;

• элементы системы и их свойства;

• элементарные (неделимые) операции, позволяющие решить задачи или выполнить функции с помощью участвующих в них элементов в соответствии с их свойствами.

Необходимо определить совокупность и последовательность системных операций, составляющих функционирование системы или ее структуру и позволяющих достигать цель системы.

Отметим, что для прямой задачи формулирование цели функционирования системы зависит от состава системы, т. е. от количества элементов и их свойств. Очень часто при этом возникают противоречия между составом системы и возможностью создать структуру, позволяющую достичь определенную заранее цель. Поэтому при решении прямой задачи приходится корректировать цель функционирования, которую можно достичь, исходя из заданного состава системы.

Как правило, прямая задача решается при исследовании существующих систем, когда известен состав и необходимо совершенствовать ее структуру так, чтобы повысить, например, эффективность функционирования системы.