2.5. Главные вопросы системного проектирования

Как отмечалось выше, системное проектирование направлено на решение возникающих проблем и достижение поставленных целей. В процессе проектирования отыскивается наилучшее решение с заранее заданным качеством. Его необходимо найти за короткие сроки. Поэтому главными вопросами проектирования можно назвать:

1. Решение существующих и (или) перспективных проблем при обеспечении заданного качества.

2. Поиск наилучшего решения при обеспечении заданного качества.

3. Снижение полной стоимости системы при повышении ее качества.

4. Быстрая разработка системы.

Приведем пример краткой записи концепции проектирования по теме: «Высокоорбитальный разгонный блок».

Высокоорбитальный разгонный блок представляет собою самостоятельно функционирующую систему и предназначен для довыведения КА различного назначения на высокие орбиты до геостационарных включительно.

Предполагается, что создание нового высокоорбитального разгонного блока с использованием новых технических решений и системного проектирования позволит улучшить показатели качества по сравнению с существующими объектами. Следует указать конкретные показатели качества (масса полезной нагрузки, стоимость, габариты и пр.). Новизну определяют новые технические решения в системной постановке, а именно - использование электроракетных ДУ, в которых для создания тяги используется электрическая энергия ЯЭУ. Кроме того, при разработке разгонного блока применяются более прогрессивные методы проектирования, используются системы, построенные на новых физических принципах (материалы с памятью формы; электрическая сверхпроводимость; компрессионные холодильные циклы) и пр. Далее необходимо обосновать актуальность предлагаемой разработки.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Дайте определение системности и системного подхода в проектировании.

2. Почему КА относят к сложным техническим системам?

3. Какова роль модели структуры в системном проектировании?

4. Как раскрывается концепция проектирования?

5. Зачем нужна структура КА?

6. Зачем нужна структура космической системы при проектировании КА?

Раздел 3

3. Космический аппарат как большая техническая система

Напомним, что понятие сложной системы в исследовательских и проектных работах в космонавтике используется как при изучении самого КА, его бортового оборудования, так и космического комплекса в целом.

Возможность и актуальность системного подхода формулируется в общей теории систем, которая изучает принципы их построения и структуру независимо от физической сущности систем.

Итак, космический аппарат – это сложное техническое устройство, которое может рассматриваться как система или как элемент системы более высокого уровня (суперсистемы).

Уже знаем, что определение системы включает в себя совокупность функционально взаимосвязанных элементов, имеющих общую цель - решение общей задачи.

А также, что под элементом системы понимается часть системы, рассматриваемая как целое и неделимое в рамках конкретной задачи.

Что считать системой, а что элементом системы определяет «лицо принимающее решение» (ЛПР), руководствуясь целевым предназначением проектируемого объекта. Это, как правило, конструктор.

Космический аппарат специального назначения принято определять как большую техническую систему.

Большая техническая система (БТС) (термин ввел английский психиатр Эмбли, 1956г.) - используется для описания человеко-машинных систем.

БТС – является большой по числу своих частей, по числу различных типов частей, по числу выполняемых функций, по числу входов и выходов информационных и энергетических потоков, по наличию человеко-машинных процедур в алгоритме проектирования и функционирования сложной системы и т.п. Большие системы отличаются от других систем не только количественно, но и качественно.

По отношению к проектным разработкам и эксплуатации космических аппаратов мы можем рассматривать понятия СТС и БТС как синонимы.

С целью обоснования методов системного подхода выполним анализ соответствия свойств КА свойствам, которыми обладают большие технические системы. Уместно отметить, что аналогичный анализ следует проводить также при рассмотрении других технических систем.

1. Большая система обладает целостностью. Все подсистемы и элементы системы служат некоторой общей цели, их функционирование направлено на выполнение системой своего назначения.

Действительно, космический аппарат полностью соответствует данному качеству, поскольку все его подсистемы, части, устройства и элементы, а также процессы их функционирования строго подчинены достижению решения единой целевой задачи, соответствующей назначению КА.

2. Эмерджентность системы – это свойство, когда объединение отдельных частей и элементов в систему приводит к появлению новых свойств, не присущих отдельным частям и элементам. Степень эмерджентности системы определяется степенью нелинейности связей между свойствами системы и свойствами элементов, составляющих систему.

Для выполнения целевой функции КА, как правило, требуется использовать весь комплекс бортовых систем, функционирующих взаимосогласованно и взаимообусловлено, по определённой программе, начиная от выведения КА на рабочую орбиту, его эксплуатацию в дежурных и специальных режимах, кончая утилизацией использованного КА. Никакая отдельная система или их совокупность не может выполнить указанный объём задач.

3. Большие системы характеризуются иерархичностью (наличием нескольких уровней декомпозиции). Любая БТС может быть представлена как подсистема БТС более высокого уровня иерархии.

В космическом аппарате можно выделить группу бортовых обеспечивающих систем, а именно: систему энергопитания (СЭП), систему обеспечения теплового режима (СОТР), систему управления движением (СУД) и т.п. Эти системы являются подсистемами космического аппарата. В свою очередь, при проектировании КА указанные подсистемы подразделяются на системы более низкого уровня, на отдельные узлы и элементы. Например, для системы управления движением подсистемами являются система ориентации и система маневрирования. При необходимости космический аппарат в целом может рассматриваться как подсистема (элемент) ракетно-космического комплекса или группировки космических аппаратов (например, системы спутниковой связи, рис. 1). Для ракетно-космических комплексов или группировок космических аппаратов также существуют системы, находящиеся на более высоком уровне иерархии.

4. Большим техническим системам свойственна также иерархическая структура управления. Сложную систему, которую представляет собой КА, следует идентифицировать как динамическую и управляемую.

Динамическую систему определяет принцип причинности, который заключается в однозначном соответствии выходной ситуации (реакции системы) входным воздействиям, произошедшим в прошлом и в настоящий момент, но не зависит от входных воздействий, появившихся в более поздние моменты времени. Для определённости динамической системы введено понятие её состояния.

Состояние системы представляет собой совокупность свойств системы, знание которых в настоящий момент времени при известном входном воздействии однозначно определяет выход системы в настоящем и будущем. Состояние системы накапливает всю информацию о прошлом и настоящем системы, используемую при определении входного воздействия для точного предсказания выхода системы в будущем.

Управляемость КА как сложной системы обусловлено функцией, которая обеспечивает в условиях изменения внешней среды или 1) сохранение некоторой совокупности свойств, утеря которых ведёт к разрушению системы, или 2) реализации специальной программы, обеспечивающей достижение цели функционирования КА.

Указанное означает важную роль управления системой, а именно – обеспечение поддержания требуемых режимов функционирования отдельных элементов и системы (КА) в целом.

Системы, в которых реализуются сложные функции управления (в данном случае – управление КА) наделены техническим интеллектом и называются кибернетическими системами.

Часто в составе кибернетических систем условно выделяют следующие два типа элементов: управляющую систему и управляемый объект.

Управление по существу является процессом переработки информации в системе, то есть информация подвергается преобразованиям.

Совокупность преобразований информации называют оператором переработки информации или внутренним алгоритмом системы.

Если при осуществлении процесса управления обеспечивается экстремум некоторого показателя качества функционирования сложной системы, то такое управление называют экстремальным.

Совокупность действий управляющей системы по переработке данной конкретной порции информации с последующей выработкой необходимых управляющих воздействий, называют циклом управления.

Иногда в системе выделяют контуры управления, по которым циркулируют потоки информации. При наличии в контуре управления отрицательной обратной связи контур является замкнутым, при отсутствии отрицательной обратной связи – разомкнутым.

5. Большие системы, примером одной из которых здесь рассматривается КА, характеризуются структурной и функциональной сложностью.

Признаки структурной сложности:

- большое число элементов и связей;

- разнородность элементов и связей [вещества в различных состояниях (твердое, жидкое, газообразное), энергия различных видов (тепловая, химическая, механическая и др.)];

- наличие подсистем на нескольких иерархических уровнях (относительно самостоятельных по задачам совокупностей элементов).

Признаки функциональной сложности:

1. Большое число возможных состояний, сложность их формального описания.

2. Множественность входных воздействий на систему, их разнородность, распределённость по времени и, следовательно, недостаточная определенность выходных параметров системы.

3. Взаимовлияние многих переменных системы друг на друга, в большинстве случаев нелинейным образом.

4. Наличие петель обратных связей по передаче веществ, энергии и информации.

5. Сложность связей как внутри подсистем, так и между подсистемами.

6. Конечность системы, как её свойство. Граница системы есть то, что отделяет систему от других объектов. Граница может определяться как в категории «пространство» - совокупность орбит: развёртывания, функционирования, длительного существования (высвечивания – для КА с ядерными энергоустановками), так и в категории «время» - время активного функционирования, время развёртывания группировки и т.д.

7. Большие технические системы являются автоматическими или автоматизированными. Степень автоматизации может быть различной. Человеко-машинный характер управления системой (мы помним, что это один из главных отличительных признаков большой технической системы от СТС), как правило, подразумевает автоматическое принятие решений в тривиальных условиях функционирования и принятие решений человеком в особых случаях.

8. Большим техническим системам свойственен состязательный характер использования, что определяется высокой динамичностью или быстрой сменой требований к параметрам систем, появлением новых подходов к решению целевых задач. Для военно-технических систем (КА специального назначения) целесообразно говорить не только о состязательности, но и о соперничестве, то есть наличии некоторой разумной силы (например, противника), которая пытается уничтожить систему или уменьшить эффективность ее использования.

При определении облика технической системы необходимо описать:

• структуру системы;

• внутренние параметры системы;

• алгоритм функционирования системы;

• внешние параметры системы.

Структура системы определяется составом элементов и внутренней формой организации системы, то есть устойчивыми взаимосвязями между элементами.

Связи между элементами можно классифицировать следующим образом:

• конструкционные (связи, объединяющие элементы системы в единую конструкцию);

• вещественные (связи, обеспечивающие обмен потоками веществ между элементами);

• энергетические (связи, обеспечивающие обмен потоками энергии между элементами);

• информационные (связи, обеспечивающие обмен потоками информации между элементами).

Внутренние параметры системы – это характеристики отдельных элементов системы и связей между ними.

Алгоритм функционирования системы представляет собой последовательность действий, реализуемых элементами системы, а также их связями, с целью выполнения задачи, стоящей перед системой.

В процессе функционирования космический аппарат в целом и его отдельные элементы взаимодействуют с внешней средой, под которой понимают совокупность элементов окружающего мира, не входящих в состав системы, но оказывающих на неё воздействия, или испытывающих воздействия от системы. Для космического аппарата внешней средой являются:

• элементы физической среды обитания (небесные тела, вакуум, излучения, метеорное воздействие и т.д.),

• элементы техногенной среды и систем, с которыми взаимодействует космический аппарат (наземный комплекс управления, потребители информации, противник и т.д.).

Совокупность элементов, через которые внешняя среда воздействует на систему (КА) называются входным полюсом системы.

Если в процессе своего функционирования КА действует на среду посредством некоторой совокупности своих элементов, то данная совокупность называется выходным полюсом системы.

Мгновенная обстановка на входном полюсе сложной системы, характеризуемая и обусловленная воздействием внешней среды, называется входом системы (входной ситуацией).

Аналогичным образом определяют понятие выхода системы (выходной ситуации).

Процессы на выходе сложной системы, являющиеся результатом процессов на входе, называют реакцией системы.

Использование теории системного анализа для изучения функционирования космического аппарата направлено на учёт сложных динамических процессов, обусловленных многопараметрическим воздействием факторов космического пространства космогенного и гомогенного происхождения.

Системный подход позволяет также рассматривать алгоритм взаимосогласованной и взаимозависимой работы каждого отдельного элемента, направленной на достижение единой цели при минимальных временных и ресурсных затратах.