Министерство образования Украины

Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры

Кафедра автоматики

РЕФЕРАТ

Курс: основы системного анализа.

Тема: терминология теории систем. Классификация систем. Закономерности систем.

Выполнил: Шиманов Д. В.

Проверил: Бодня В. С.

Днепропетровск 2002

Основные задачи и направления развития теории систем.

Системный подход - это направление методологии научного познания и социальной практики, в основе которого лежит исследование объектов как систем.

К числу задач, решаемых теорией систем, относятся: опреде­ление общей структуры системы; организация взаимодействия между подсистемами и элементами; учет влияния внешней среды.

выбор оптимальной структуры системы; выбор оптимальных алгоритмов функционирования системы.

Проектирование больших систем обычно делят на две стадии:

макропроектирование (внешнее проектирование), в процессе которого решаются функционально-структурные вопросы системы в целом, и микропроектирование (внутреннее проектирование), связанное с разработкой элементов системы как физических еди­ниц оборудования и с получением технических решений по основ­ным элементам (их конструкции и параметры, режимы эксплу­атации). В соответствии с таким делением процесса проектирова­ния больших систем в теории систем рассматриваются методы, связанные с макропроектированием сложных систем.

Основные понятия теории систем

В первой главе изложены основные понятия и определения теории систем. Приведена классификация систем с различных точек зрения, рассмотрены ряд закономерностей и даны опре­деления и сущность понятий «системный подход», «системный анализ» и «системные исследования».

Терминология теории систем

Определение понятия «система». В настоящее время нет един­ства в определении понятия «система». В первых определениях в той или иной форме говорилось о том, что система - это элементы и связи (отношения) между ними. Например, основопо­ложник теории систем Людвиг фон Берталанфи [25] определял систему как комплекс взаимодействующих элементов или как совокупность элементов, находящихся в определенных отноше­ниях друг с другом и со средой. А. Холл [12] определяет систему как множество предметов вместе со связями между предметами и между их признаками. Ведутся дискуссии, какой термин- «от­ношение» или «связь» - лучше употреблять.

Позднее в определениях системы появляется понятие цели. Так, в «Философском словаре» система определяется как «сово­купность элементов, находящихся в отношениях и связях между собой определенным образом и образующих некоторое целост­ное единство».

В последнее время в определение понятия системы наряду с элементами, связями и их свойствами и целями начинают включать наблюдателя, хотя впервые на необходимость учета взаимодействия между исследователем и изучаемой системой указал один из основоположников кибернетики У. Р. Эшби [27].

М. Масарович и Я. Такахара в книге «Общая теория систем» считают, что система - «формальная взаимосвязь между на­блюдаемыми признаками и свойствами».

Таким образом, в зависимости от количества учитываемых факторов и степени абстрактности определение понятия «систе­ма» можно представить в следующей символьной форме. Каждое определение обозначим буквой D (от лат. definitions) и поряд­ковым номером, совпадающим с количеством учитываемых в определении факторов.

D1. Система есть нечто целое:

S=A(1, 0).

Это определение выражает факт существования и целост­ность. Двоичное суждение А(1,0) отображает наличие или отсут­ствие этих качеств.

D2. Система есть организованное множество (Темников Ф. Е. [23]):

S=(орг, M),

где орг - оператор организации; М - множество.

D3. Система есть множество вещей, свойств и отношений (Уемов А. И. [24]):

S=({m}.{n}.{r]),

где m - вещи, n - свойства, r - отношения.

D4. Система есть множество элементов, образующих струк­туру и обеспечивающих определенное поведение в условиях окру­жающей среды:

S=(, ST, BE, Е),

где  - элементы, ST - структура, BE - поведение, Е - среда.

D5. Система есть множество входов, множество выходов, множество состояний, характеризуемых оператором переходов и оператором выходов:

S=(X, Y, Z, H, G),

где Х - входы, Y - выходы, Z - состояния, Н - оператор пе­реходов, G - оператор выходов. Это определение учитывает все основные компоненты, рассматриваемые в автоматике.

D6. Это шестичленное определение, как и последующие, труд­но сформулировать в словах. Оно соответствует уровню биоси­стем и учитывает генетическое (родовое) начало GN, условия существования KD, обменные явления MB, развитие EV, функци­онирование FC и репродукцию (воспроизведения) RP:

S=(GN, KD, MB, EV, FC, RP).

D7. Это определение оперирует понятиями модели F, связи SC, пересчета R, самообучения FL, самоорганизации FO, прово­димости связей СО и возбуждения моделей JN:

S=(F, SC, R, FL, FO, CO, JN).

Данное определение удобно при нейрокибернетических исследо­ваниях.

D8. Если определение D5 дополнить фактором времени и фун­кциональными связями, то получим определение системы, кото­рым обычно оперируют в теории автоматического управления:

S=(T, X, Y, Z, V, ),

где T - время, Х - входы, Y - выходы, Z - состояния,  - класс операторов на выходе, V - значения операторов на выхо­де,  - функциональная связь в уравнении y(t₂)=[x(t₁), z(t₁), t₂],  - функциональная связь в уравнении z(t₂)=[x(t₁), z(t₁), t₂].

D9. Для организационных систем удобно в определении систе­мы учитывать следующее:

S=(PL, RO, RJ, EX, PR, DT, SV, RD, EF),

где PL - цели и планы, RO - внешние ресурсы, RJ - внутрен­ние ресурсы, EX - исполнители, PR - процесс, DT- помехи, SV - контроль, RD - управление, EF - эффект.

Последовательность определений можно продолжить до DN (N=9, 10, 11, ...), в котором учитывалось бы такое количество элементов, связей и действий в реальной системе, которое необ­ходимо для решаемой задачи, для достижения поставленной цели. В качестве «рабочего» определения понятия системы в ли­тературе по теории систем часто рассматривается следующее:

система - множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определенную целост­ность, единство.

Рассмотрим основные понятия, характеризующие строение и функционирование систем.

Элемент. Под элементом принято понимать простейшую не­делимую часть системы. Ответ на вопрос, что является такой частью, может быть неоднозначным и зависит от цели рассмотрения объекта как системы, от точки зрения на него или от ас­пекта его изучения. Таким образом, элемент - это предел члене­ния системы с точек зрения решения конкретной задачи и постав­ленной цели. Систему можно расчленить на элементы различ­ными способами в зависимости от формулировки цели и ее уточнения в процессе исследования.

Подсистема. Система может быть разделена на элементы не сразу, а последовательным расчленением на подсистемы, кото­рые представляют собой компоненты более крупные, чем элемен­ты, и в то же время более детальные, чем система в целом. Возможность деления системы на подсистемы связана с вычлене­нием совокупностей взаимосвязанных элементов, способных вы­полнять относительно независимые функции, подцели, направ­ленные на достижение общей цели системы. Названием «подси­стема» подчеркивается, что такая часть должна обладать свойст­вами системы (в частности, свойством целостности). Этим под­система отличается от простой группы элементов, для которой не сформулирована подцель и не выполняются свойства целост­ности (для такой группы используется название «компоненты»). Например, подсистемы АСУ, подсистемы пассажирского транс­порта крупного города.

Структура. Это понятие происходит от латинского слова stru­cture, означающего строение, расположение, порядок. Структу­ра отражает наиболее существенные взаимоотношения между элементами и их группами (компонентами, подсистемами), кото­рые мало меняются при изменениях в системе и обеспечивают существование системы и ее основных свойств. Структура - это совокупность элементов и связей между ними. Структура может быть представлена графически, в виде теоретико-множественных описаний, матриц, графов и других языков моделирования струк­тур.

Структуру часто представляют в виде иерархии. Иерархия - это упорядоченность компонентов по степени важности (многоступенчатость, служебная лестница). Между уровнями иерархи­ческой структуры могут существовать взаимоотношения строго­го подчинения компонентов (узлов) нижележащего уровня одно­му из компонентов вышележащего уровня, т. е. отношения так называемого древовидного порядка. Такие иерархии называют сильными или иерархиями типа «дерева». Они имеют ряд особен­ностей, делающих их удобным средством представления систем управления. Однако могут быть связи и в пределах одного уров­ня иерархии. Один и тот же узел нижележащего уровня может быть одновременно подчинен нескольким узлам вышележащего уровня. Такие структуры называют иерархическими структурами со слабыми связями. Между уровнями иерархической структуры могут существовать и более сложные взаимоотношения, напри­мер, типа «страт», «слоев», «эшелонов», которые детально рас­смотрены в [6]. Примеры иерархических структур: энергетические системы, АСУ, государственный аппарат.

Связь. Понятие «связь» входит в любое определение системы наряду с понятием «элемент» и обеспечивает возникновение и со­хранение структуры и целостных свойств системы. Это понятие характеризует одновременно и строение (статику), и функциони­рование (динамику) системы.

Связь характеризуется направлением, силой и характером (или видом). По первым двум признакам связи можно разделить на направленные и ненаправленные, сильные и слабые, а по характеру - на связи подчинения, генетические, равноправные (или безразличные), связи управления. Связи можно разделить также по месту приложения (внутренние и внешние), по направленности процессов в системе в целом или в отдельных ее подсистемах (прямые и обратные). Связи в конкретных системах могут быть одновременно охарактеризованы несколькими из названных признаков.

Важную роль в системах играет понятие «обратной связи». Это понятие, легко иллюстрируемое на примерах технических устройств, не всегда можно применить в организационных систе­мах. Исследованию этого понятия большое внимание уделяется в кибернетике, в которой изучается возможность перенесения механизмов обратной связи, характерных для объектов одной физической природы, на объекты другой природы. Обратная связь является основой саморегулирования и развития систем, приспособления их к изменяющимся условиям существования.

Состояние. Понятием «состояние» обычно характеризуют мгно­венную фотографию, «срез» системы, остановку в ее развитии. Его определяют либо через входные воздействия и выходные сигналы (результаты), либо через макропараметры, макросвойст­ва системы (например, давление, скорость, ускорение - для фи­зических систем; производительность, себестоимость продукции, прибыль - для экономических систем).

Более полно состояние можно определить, если рассмотреть элементы  (или компоненты, функциональные блоки), определя­ющие состояние, учесть, что «входы» можно разделить на упра­вляющие u и возмущающие х (неконтролируемые) и что «выхо­ды» (выходные результаты, сигналы) зависят от , u и х, т. е. z_t=f(_ u_t, х_t). Тогда в зависимости от задачи состояние может быть определено как {, u}, {, u, z} или {, х, и, z}.

Таким образом, состояние - это множество существенных свойств, которыми система обладает в данный момент времени.

Поведение. Если система способна переходить из одного со­стояния в другое (например, z₁-z₂-z₃), то говорят, что она обладает поведением. Этим понятием пользуются, когда неиз­вестны закономерности переходов из одного состояния в другое. Тогда говорят, что система обладает каким-то поведением и вы­ясняют его закономерности. С учетом введенных выше обозначе­ний поведение можно представить как функцию z_t=f(z_t-1, x_t, и_t).