Традиционные подходы к классификации систем

Традиционные подходы к классификации систем

Всякая классификация имеет целевой характер. Изменение целей исследования или учет новых различий между элементами классифицируемого множества непременно приведут к новой классификации. Чтобы упорядочить подходы к классификации систем, воспользуемся кибернетической  интерпретацией процесса функционирования системы (рис. 1)

 

Рисунок 1 Схема функционирования управляемой системы

 

Для выработки управления U требуется предсказание его возможных последствий. Для предсказания нужна модель всей ситуации, с помощью которой орган управления определяет, какое управленческое воздействие подать на вход системы. Для иллюстрации этого аспекта внутри управляемого блока еще раз продублирована вся схема.

И методы нахождения управления U, и способы его осуществления, и сам результат управления в немалой степени определяются тем, какая модель управленческой системы существует в «мозговом центре» органа управления и в какой степени эта модель соответствует реальной системе.

Рассматривая разные аспекты этого соответствия, можно разрабатывать разные классификации систем. Представляют интерес следующие классификации:

- по описанию входных  и выходных потоков X и Y;

- по типам оператора  системы S;

- по способу управления U;

-по ресурсному обеспечению управления;

Коротко остановимся на каждом из них.

Классификация по описанию входных и выходных потоков.

С точки зрения аналитика-модельера, это классификация по типу используемых переменных. На первом уровне иерархии разбиение исходного множества систем на подмножества очевидно и включает разных подходов к исследованию (рисунок 2)

 

Рисунок 2 Классификация систем по описанию входов и выходов

 

При дальнейшей классификации систем с качественными переменными различают случаи, когда описание ведется средствами естественного языка, и случаи, допускающие формализацию. Второй уровень классификации с количественными переменными вызван различиями в методах дискретной и непрерывной математики. Для систем со смешанным количественно-качественным описанием переменных второй уровень является объединением классов двух первых ветвей и на рисунке не приводится. Третий уровень классификации одинаков для всех классов второго уровня и изображен только для одного из них.

Классификация по типам оператора системы.

Любая система связана с внешней средой и преобразования входной поток ресурсов, энергии, информации и знаний X в выходной поток продукции Y. Способ преобразования входа в выход зависит от внутреннего оператора или преобразователя системы.

Первый уровень классификации по указанному признаку рассредоточил системы по степени известности оператора S на четыре класса (рис. 3):

 

Рисунок 3 классификация систем по типу оператора

 

- «черный ящик» - оператор неизвестен вообще;

- непараметризованные системы – оператор известен частично;

- параметризованные системы – оператор известен до параметров;

- «белый ящик» - оператор известен полностью.

Для двух крайних классов – «черного» и «белого ящика» - на этом классификация заканчивается (в первом случае об операторе ничего неизвестно, а во втором – известно все), для двух средних классов – чем больше сведений об операторе S мы имеем, тем более развитую классификацию сможем построить. На рисунке приведена подробная детализация класса параметризованных систем, для которых известна зависимость y(t) от x(t) в явной форме с точностью до параметров P=(p1,p2,….,pk) т.е. y(t)=S(x(t),P).

Классификация по способу управления. В основу этой классификации положен ответ на вопрос, включен управляющий блок в систему или является внешним по отношению к ней. Нетрудно догадаться, что по этому признаку все множество систем подлежит разбиению на три класса (рисунок 4):

-системы, управляемые извне;

-самоуправляемые системы;

-системы с комбинированным  управлением.

 

Рисунок 4 Классификация систем по способу управления

 

Независимо от того, включен в систему управляющий блок или вынесен из нее на втором уровне иерархии, различают четыре основных способа управления. В основе этого разбиения лежит степень известности траектории, приводящей систему к заданной цели, и возможности органа управления удерживать управляемую систему на этой траектории.

Первый (простейший) случай – когда нужная траектория известна точно, а следовательно, априори известно и правильное программное управление U. Такое управление можно осуществлять, не обращая внимание на развитие событий, так как известно, что они должны и будут развиваться по программе (рост зародыша живого организма, работа компьютера, смена времени года и т.п.).

В случае, когда на вход системы поступают потоки, отличающиеся от предполагаемых, или существенным оказывается действие неучтенных факторов, система может сойти в нужной траектории. Тогда находят разность между текущим и ожидаемым выходами системы Y=Y(t) – Y0(t) и по этой разности определяют дополнительное к программному управление, которое обеспечит возврат системы на нужную траекторию. Такой способ управления называют регулированием. Примерами регулирования как способа управления системой могут служить регулятор Утта, рефлекторные реакции животных, действие автопилота, управление по отклонениям в экономике.

Если невозможно задать опорную программную траекторию на весь период времени либо отклонение от нее столь велико, что в обозримой перспективе либо отклонение от нее столь велико, что в обозримой перспективе невозможно скорректировать фактическую траекторию системы, прибегают к управлению по параметрам. Оно заключается в необходимости прогнозирования текущей траектории Y(t) на будущее и обеспечения ее попадания в целевую область Y*. Такое управление сводится к подстройке параметров системы до тех пор, пока пересечение Y(t) и Y* не будет обеспечено. В качестве примеров управления по параметром можно привести адаптацию животных к меняющимся условиям среды обитания, вождение автомобиля, автоматизированные системы управления предприятиями и др.

Может оказаться, что среди всех возможных комбинаций значений управляемых параметров системы не найдется такой, когда ее траектория пересечет целевую область. Это означает, что цель для данной системы недостижима. Но она может оказаться достижимой для другой системы, базирующейся на исходной, но более развитой по отношению к ней. С этим связан еще один способ управления: изменить структуру системы на такую, в которой будет обеспечено попадание в целевую область. Такое управление называется структурной адаптацией или самоорганизацией системы. Примерами таких систем могут служить гибкие автоматизированные производства, мутации организмов, структурные преобразования государственного аппарата под новые цели и т.п.

Если и преобразование структуры системы не проводит к достижению цели, предполагаются отказ от старой и задание новой цели, посильной для данной системы при заданных ресурсах. Такое управление следует рассматривать как адаптацию по целям.

Классификация по ресурсному обеспечению управления. Рассматривая классификацию систем по способу управления, мы подчеркивали, что нужное управление U отыскивается путем отбора среди множества возможных управлений в результате сравнения по определенным критериям последствий каждого из них. Определить эти последствия и сравнить их можно лишь в том случае, если в управляющем блоке имеется модель управляемой системы,