Оптимизация системы управления

Лекция 16

Методы анализа и синтеза

Управляемых систем

Методы анализа и синтеза управления органично связаны между собой. Первичной является методика системного анализа реальной системы, причём, с использованием принципов системного подхода, нацеленных на прогрессивное развитие системы. А для обеспечения положительного результата в системном анализе должны быть заложены некоторые идеи переустройства системы.

Первым этапом, типичным как для анализа, так и для синтеза системы, является структурный анализ.

Структура — это внутренняя организация системы, которая способствует связи составляющих систему элементов. Она определяет существование системы как целого и ее качественные особенности.

Структура определят упорядоченность элементов системы. Таким образом, структура — это относительно устойчивый, упорядоченный способ связи элементов, придающий их взаимодействию, в рамках внутренне расчлененного объекта, целостный характер.

Сущностью структурного анализа является определение статических характеристик системы по 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. В качестве показателей исследуемых структур целесообразно использовать:

- множество выделенных элементов, отношений и связей;

- характеристики элементов и связей;

- обобщенные показатели структур, характеризующие их влияние на эффективность системы управления: число уровней управления, структурная устойчивость, экономические затраты на поддержание структур.

При выборе и оценке показателей структуры применяются различные методы описания и моделирования, которые зависят от вида структуры, степени неопределенности исходных данных и требований, предъявляемых к точности и достоверности результатов анализа.

Процедура определения показателей структуры включает следующие этапы:

определение исходных данных для оценки структуры; вычисление значений характеристик элементов структуры и связей между ними; вычисление значений характеристик (показателей эффективности) структуры.

Исходные данные включают: модель исследуемой структуры, задаваемую в графической, матричной или аналитической форме; перечень определяемых обобщенных показателей эффективности (характеристик) структуры q_p.

- перечень определенных показателей (характеристик) элементов h_i

- значения характеристик (х) воздействий окружающей среды, условий функционирования системы управления, частных технических, экономических, эксплуатационных, организационно-штатных и других характеристик элементов и связей.

На основании исходных данных вычисляются значения показателей элементов и связей. Затем определяются значения показателей эффективности:

Оценка эффективности анализируемых структур производится, как правило, на основе установленного критерия пригодности, который для минимизируемых показателей эффективности будет иметь вид:

значения характеристик (х) воздействий окружающей среды, условий функционирования системы управления, частных технических, экономических, эксплуатационных, организационно-штатных и других характеристик элементов и связей, указанных в соответствующей документации или определяемых в ходе измерений и наблюдений.

На основании исходных данных вычисляются значения показателей элементов и связей:

Затем определяются значения показателей эффективности:

Оценка эффективности анализируемых структур производится, как правило, на основе установленного критерия пригодности. На основании оценки структуры производится выбор варианта структуры или же разрабатываются предложения по ее совершенствованию. Необходимо обратить внимание на то обстоятельство, что, в отличие от технических систем, при исследовании организационных систем вместо понятия “синтез” используются такие, идентичные понятия, как: «создание”, “проектирование”, “совершенствование”, “реорганизация” и “организация” системы.

При этом под организацией системы понимается совокупность процессов,

действий, ведущих к образованию и совершенствованию взаимодействия между частями целого, т.е. процесс создания системы и синтез системы.

Сущностью структурного синтеза является разработка (создание, проектирование, совершенствование, реорганизация и организация) системы, которая должна обладать желаемым и свойствами.

Структурный синтез проводится с целью обоснования множества элементов структуры, отношений и связей между ними, характеристик элементов и связей, обеспечивающих, в совокупности, максимальную степень соответствия заданным требованиям. Объектами исследования структурного синтеза являются различные варианты разрабатываемых структур системы управления.

К основным обобщенным показателям исследуемых структур относятся:

число управляемых объектов; время и достоверность доведения информации до управляемых объектов: вероятность реализации полного цикла управления с использованием синтезируемой структуры; жизнеспособность, затраты и т.д.

В процессе структурного синтеза определяются: множество элементов структуры, отношения и связи между ними, характеристики элементов и связей, обеспечивающие оптимальные или рациональные значения обобщенных показателей в соответствии с выбранными критериями эффективности.

Критерий эффективности выбирается с учетом требований, предъявляемых к системе управления. На выбор критерия влияют требования, предъявляемые к точности определения показателей, степень определенности исходных данных, наличие методического аппарата.

Условия выбора характеризуют все необходимые исходные данные, которые имеет исследователь к моменту решения задачи синтеза.

Исходные данные определяются на основе опыта создания и применения аналогичных структур. В ходе анализа исследуемой системы управления они уточняются и дополняются в процессе внедрения синтезируемой структуры.

Условия выбора ограничивают число возможных вариантов синтезируемых структур и учитываются при окончательном выборе варианта создаваемой структуры системы управления.

При проведении функционального анализа и синтеза первичной объявляется функция процесса.

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, часто 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 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 процессов;

• 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

- цель-направление.

Если перед системой управления не поставлена, или не сформулирована, цель, то 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 управления включает:

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

- определение элементов системы управления, которые реализуют 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 процессов, с 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;

-т 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 — это 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.

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 —это 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 стандартам, 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, распределение функций, иерархию и т.д

При анализе структуры процесса управления целесообразно учитывать такие характеристики сетевых структур организационных систем как:

- связанность структуры, определяемую количеством информационных связей между выделенными функциями процесса;

-структурную избыточность, определяющую превышение числа связей между функциями процесса над минимально необходимым числом.

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, 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.

При этом форма представления управляющих воздействий зависит от вида системы управления, реализующей исследуемый процесс:

- для общественных систем управления, воздействия 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, но влияющих на показатель эффективности.

Объектом информационного анализа и синтеза являются информационные процессы, протекающие в системе управления. Остановимся на их сущности и содержании, для чего рассмотрим:

- коммуникационную (информационную) схему передачи информации;

- классификацию и характеристику информационных процессов;

- структуру информационного процесса.

Коммуникационная (информационная) схема передачи информации в системе управления показана на рис. 6.1.1.

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.

Рис.6.1.1. Коммуникационная схема передачи информации

Согласно рис. 6.1.1. источником информации является объект управления, посылающий по каналу обратной связи (КОС) информацию о своем состоянии. Приемник информации, он же управляющий объект, в зависимости от количества и содержания информации об объекте управления, вырабатывает выполнения

команд, объект управления посылает на управляющий объект информацию об изменении своего состояния и т.д.

Таким образом, замыкается цикл обмена информацией в системе управления.

В реально функционирующих системах управления на источник информации, приемник информации, и линию передачи информации воздействует среда, в которой данная система функционирует, внося свои коррективы, как в количество информации, так и в качество.

Процесс управления, как процесс выработки управляющих воздействий, является информационным процессом (ИП).

Любой информационный процесс в системе управления структурно можно представить как некоторую совокупность процессов:

- сбор, прием, восприятие информации (эти процессы отражают взаимодействие системы с внешней средой);

- передача информации между отдельными подсистемами системы;

-переработка, анализ, отбор информации, создание новой информации;

- сохранение, запоминание информации;

- передача информации из системы во внешнюю среду.

Поиск по сайту: