Поняття та визначення теорії технічних систем

Людині здавна було властиве прагнення поліпшити умови свого існування. Для цього вона створювала різні механізми, машини, агрегати, технічні та технологічні комплекси. Не завжди вони приносили помітну користь, але людина прагнула поліпшити, удосконалити їх. Поки машини і механізми були відносно прості, цього можна було досягти, використовуючи методи вузькоспеціальних дисциплін таких як, наприклад, теорія механізмів і машин, теорія автоматичного керування і так далі. Але в міру ускладнення об'єктів, об'єднання їх у системотехнічні комплекси, вузькоспеціальних уявлень стало недостатньо. З'явилася теорія систем і методи системних досліджень, основна мета яких -- забезпечити створення й експлуатацію оптимальних у відомому розумінні (економічний ефект, підвищення якості, екологічна безпеки і так далі), ТС.

Теорія – це вища, найбільш розвинена форма організації наукового знання, що дає цілісне уявлення про закономірності й істотні зв'язки визначеної галузі дійсності -- об'єкта даної теорії.

Теорія систем -- це науковий напрямок, що вивчає загальні властивості систем, способи їхньої організації і процеси, що в них протікають. Для теорії технічних систем (ТС) об'єктом дослідження є механізми й агрегати, силові установки, автоматизовані й автоматичні системи керування та ін. Таким чином, теорія ТС -- це форма організації наукового знання: систематизовані й узагальнені знання про закономірності й особливості розвитку та удосконалювання технічних і інформаційно-керуючих систем.

Зростаюча складність ТС вимагає постійного удосконалення методів їх проектування, експлуатації. Будь-яка ТС, як правило, має декілька критеріїв розвитку. Сутність принципу прогресивного розвитку ТС полягає в тому, що для кожного нового покоління систем поліпшуються визначені показники оцінки критеріїв їх розвитку за умови не погіршення, якщо це можливо, інших показників.

Розвиток техніки в цілому в основному визначається тими ж самими узагальненими критеріями, тому сукупності критеріїв розвитку для різних класів (видів) ТС збігаються повністю або частково.

Можна виділити чотири основні групи критеріїв розвитку ТС.

- функціональні критерії, що характеризують найважливіші показники ТС;

- технологічні критерії, що визначаються можливостями (ступенем складності) проектування і виготовлення ТС;

- економічні критерії, що визначають економічну доцільність проектування й експлуатації ТС;

- антропологічні критерії, характерні для систем «людина - машина».

Система критеріїв розвитку ТС представлена рис.1.

Сучасні складні ТС характеризуються великою кількістю показників для оцінки ефективності їхнього функціонування.

Рис 1. Система критеріїв розвитку технічних систем

Для того, щоб вивчати різноманітні системи з єдиних позицій, необхідно будь-яку систему представити у формальному (формалізованому) вигляді, тобто побудувати її математичну модель. Формальні методи найбільш застосовані як раз до ТС та інформаційно-керуючих систем, але їх практичне застосування часто обмежується високим ступенем складності (великою кількістю елементів та складністю зв’язків). Це обумовлює використання як формальних, так і неформальних (евристичних) методів. Практична теорія ТС широко використовує як математичні методи, так і суб'єктивні думки кваліфікованих фахівців (експертні оцінки).

Оскільки технічні засоби найчастіше невіддільні від наявності обслуговуючого персоналу, переважна більшість ТС відноситься до людино-машинних систем або системотехнічних комплексів. Вивченням таких систем займається один з напрямків теорії систем, що називається системотехнікою. Метою створення теорії технічних систем (системотехніки) можна вважати оптимізацію системотехнічних комплексів при заданих обмеженнях на умови їхнього функціонування.

Основним методом вивчення ТС є системний підхід. Він припускає вивчення об'єкта (системи) з урахуванням як внутрішніх процесів у ньому, так і взаємодії досліджуваного об'єкта з іншими. Дослідження, що базуються на системному підході, є системними дослідженнями.

Технічна система -- створена людиною чи автоматом, реально існуюча система, що призначена для задоволення визначених потреб. До ТС можна віднести сукупність машин, агрегатів, апаратів, приладів та інше. Тобто будь-які штучні системи, що виконують визначену функцію (операцію) з перетворення речовини, енергії й інформації.

Як видно з визначення, ТС – це дуже широке поняття. Але, незважаючи на істотні розходження, усім ТС властиві деякі загальні ознаки, що дозволяють розглядати різноманітні складні технічні об’єкти як системи.

У першу чергу слід зазначити, що система виступає як цілісний об'єкт, що є сукупністю окремих частин. З іншого боку, система -- це комплексний об'єкт, окремі частини якого зв'язані і тісно взаємодіють між собою. Прикладом може бути персональний комп’ютер, окремі компоненти (підсистеми) якого утворюють ТС (комп’ютерну систему) завдяки інформаційному обміну між процесором (який, в свою чергу, складається з арифметико-логічного пристрою та пристрою керування), пам’яттю та пристроями введення-виведення. Зв’язки (інформаційні та електричні) між компонентами тут утворюються системним інтерфейсом у вигляді чипсету та системи шин.

Найбільш просте визначення системі справедливе для будь-яких явищ чи об'єктів, розглянутих як системи, незалежно від їхньої природи, походження чи цільового призначення. У загальному випадку система - це цілісна множина об'єктів, зв'язаних між собою взаємними відносинами. Це визначення справедливе і для Сонячної системи і для комп’ютерної системи, але комп’ютер створений для розв'язання конкретних завдань, тобто для досягнення визначених цілей й тому є цілеспрямованою системою. Зрозуміло, що ТС є цілеспрямованими, а цілі їх створення та функціонування формулюються і потім досягаються під впливом якої-небудь особи, чи групи осіб, що прагнуть задовольнити свої потреби. Тому, говорячи про цілеспрямовані системи, необхідно розглядати фігуру суб'єкта, розуміючи під ним яку-небудь особу, або групу осіб.

Роль суб'єкта полягає в наступному:

- визначення суб'єктом при виникненні у нього яких-небудь потреб, що необхідно задовольнити;

- виділення сукупності об'єктів, зв'язаних між собою, тобто системи, здатної, на думку суб'єкта, задовольняти його потреби, відокремлення системи від середовища;

- вивчення системи на предмет її здатності задовольняти потреби суб'єкта (аналіз системи);

- у випадку невідповідності системи сформульованим цілям здійснюється організація такого впливу на неї, що приводив би до досягнення поставлених цілей керування.

Таким чином, будь-яка цілеспрямована система припускає наявність суб'єкта, в інтересах якого власне і створюється система. Разом з тим, роль суб'єкта велика й у нецілеспрямованих системах, де вона виражається в пізнанні системи.

Для широкого класу цілеспрямованих систем можна дати наступне визначення: система -- це комплекс взаємозалежних і взаємодіючих між собою об'єктів, призначених для розв'язання єдиного завдання. Близькими до поняття системи є такі поняття, як: елемент системи -- це об'єкт системи, що не підлягає (при даному розгляді) подальшому розподілу на частини; підсистема - певним чином виділена сукупність елементів системи, що мають схожі ознаки; структура системи -- це взаємо розташування елементів системи з їх взаємозв'язками, що відображає устрій системи. Структура характеризує організованість системи і стійку впорядкованість її елементів.

Структуру системи, як правило, зображують графічно Найбільш розповсюдженими є мережеві структури, ієрархічні структури і структури з довільними зв'язками. При вивченні ТС також застосовуються поняття надсистеми, компонента системи та ін.

Вивчення будь-якої системи починається з її опису. Опис системи -- це модель, що відображає групу властивостей (чи навіть одну властивість) системи. В залежності від задач дослідження і глибини вивчення системи опис її може бути різним. Найбільш поширеними є наступні види опису систем (рис. 2): морфологічний, функціональний, інформаційний, процесуальний.

Рис 2. Види та поняття опису системи

Морфологічний опис системи найчастише використовується при дослідженні структури ТС. При такому описі важливо знайти всі зв'язки між елементами системи і визначити структурно-топологічні характеристики, що, у свою чергу, є основою формалізованого опису структури ТС. У цьому випадку система -- це сукупність елементів і зв'язків між ними.

Функціональний опис виходить з того, що будь-яка система виконує деякі функції. Основними поняттями функціонального опису є: стан, вплив, поводження (чи рух), рівновага, стійкість.

Стан -- це сукупність існуючих властивостей (характеристик) системи у визначений, фіксований момент часу. Як правило, стан задається набором характеристик -- як кількісних, так і якісних. Наприклад, стан людини можна охарактеризувати температурою тіла, тиском, частотою пульсу (кількісні характеристики), стомленістю, настроєм (якісні характеристики).

Стан якої-небудь машини (агрегату) можна охарактеризувати продуктивністю, тиском у робочих камерах, швидкістю руху визначених компонентів і т.п.

Під впливом звичайно розуміють процес взаємодії або між елементами системи, або між системою і навколишніми об'єктами. У першому випадку впливи є внутрішніми, у другому -- зовнішніми.

Поведінкою (поводженням) або системи називається процес переходу системи з одного стану в інший.

Так, наприклад, в теорії цифрових автоматів їх функціонування звичайно описують послідовністю зміни їх станів; процес зміни настрою людини, логіка її вчинків дозволяє говорити про її поведінку. Найчастіше термін поводження використовується тоді, коли невідомі точні закономірності переходів. Якщо ж ці закономірності повністю відомі, то говорять про рух системи.

Рівновага -- це здатність системи при відсутності зовнішніх впливів зберігати свій стан як завгодно довго.

Стійкість -- це здатність системи повертатися в стан рівноваги після того, як вона була виведена з цього стану зовнішніми впливами.

Функціональний опис дозволяє визначити ступінь досягнення мети функціонування. Як правило, цей ступінь намагаються виразити кількісно. Функціонал, що описує процес функціонування (дії) системи для досягнення поставлених цілей, називається функціоналом ефективності. Значення цього функціоналу наприкінці інтервалу функціонування системи оцінюється показником ефективності і його називають просто ефективністю системи.

Інформаційний опис визначає залежність властивостей системи від якості і кількості інформації. Також до основних понять інформаційного опису відносять ентропію, організацію, цінність інформацій та інші (див. рис. 3).

Ентропія -- це ступінь невпорядкованості (невизначеності) стану системи.

Організація (організованість, впорядкованість, негентропія) -- це ступінь упорядкованості системи. Організованість системи досягається керуванням, що визначається також і інформаційними процесами.

Процесуальний опис системи характеризує "життєвий цикл" системи, тобто її розвиток (чи деградацію) у часі. Найважливішим поняттям при цьому описі є поняття етапу існування системи. Для будь-якої цілеспрямованої системи можна виділити наступні етапи: етап створення, етап використання, етап ліквідації. У свою чергу етапи поділяються на підетапи, фази та ін. Процесуальний опис дуже важливий на початкових етапах існування системи, коли необхідно передбачити (спрогнозувати) майбутнє системи аж до ліквідації й утилізації.

Будь-яка система функціонує не ізольовано, а у взаємодії з іншими системами.

Елементи системи можуть бути однотипними і різнотипними, або взагалі мати різну фізичну природу (технічні засоби, люди). Якщо обчислювальний центр укомплектований тільки однаковими комп'ютерами, то елементи даної системи можна вважати однотипними (якщо оператори комп’ютерів не розглядаються як елементи системи).

Зв'язок -- це об'єкт системи, за допомогою якого здійснюється взаємодія елементів між собою. Саме зв'язки забезпечують функціонування системи як єдиного цілого. Зв'язки характеризуються спрямованістю, призначенням, силою (вагою) і місцем прикладання.

Зв’язки можуть бути речовинними, енергетичними та інформаційними. Відповідно, вони призначені від елемента до іншого елемента речовини, енергії або інформації. Прикладами речовинних і енергетичних зв'язків є нафто- і газопроводи, лінії електропередач. За ознакою сили розрізняють потужні і слабкі зв'язки. За спрямованістю виділяють прямі і зворотні зв'язки. Зворотні зв'язки відіграють важливу роль у розвитку систем. Нарешті, за місцем прикладення розрізняють внутрішні і зовнішні зв'язки.

Навколишнє середовище -- це сукупність об'єктів, що не входять у систему, але, впливають на неї, або находяться під впливом з боку системи. Навколишнє середовище і система завжди знаходяться в єдності і взаємодії. Взаємодія системи з середовищем здійснюється за допомогою входів і виходів (рис. 3). Входи і виходи бувають: речовинні, енергетичні й інформаційні. Система, що не взаємодіє з навколишнім середовищем, називається закритою. На противагу закритим відкриті системи завжди взаємодіють із середовищем.

Рис 3. Взаємодія системи із зовнішнім середовищем

Розподіл реального світу на систему і навколишнє середовище умовний. В одних випадках об'єкт може бути віднесений до системи, в іншому -- до навколишнього середовища. Все залежить від ступеня деталізації розгляду та мети дослідження. З іншого боку, спільний розгляд системи і середовища має принциповий характер, оскільки дозволяє вивчати дану систему у взаємодії з іншими, навколишніми системами.

Поиск по сайту: