Технические системы и управление ими

ЛЕКЦИЯ 1 1.Введение 1.1 Технические системы и управление ими 1.1.1 Основные понятия Система Система – совокупность, образованная из конечного множества элементов и упорядоченная по определенным правилам, что обеспечивает достижение поставленной цели. Между элементами системы существуют определенные отношения. Элемент и система являются относительными понятиями. Элемент может одновременно являться системой меньших элементов, а система, в свою очередь, может быть элементом некоторой большей системы. Система может быть разделена на подсистемы различной сложности. Таким образом, система может изучаться с различных точек зрения, зависящих не только от специфики системы, но и от возможностей используемых при этом средств. Так, например, при конструировании технических систем не рассматриваются молекулы и тем более атомы; самим нижним уровнем рассмотрения в этом случае являются детали машин, каждая из которых в свою очередь может рассматриваться как система геометрических тел более простой формы. Назначение системы Всякая искусственная система имеет определенное назначение, которое может быть описано набором целей. Цель – это определенный результат, к которому следует стремиться. Набор целей – упорядоченное множество целей, находящихся в определенном отношении друг к другу. Функционирование системы Целью создания технических систем является вполне определенное "правильное" их поведение. Целенаправленное поведение системы называют функцией. "Правильное" поведение систем называют функционированием. Структура системы Понятие структуры характеризует внутреннюю организацию, порядок и построение системы. Таким образом, структура – это совокупность элементов и отношений между ними. Наряду с понятием структуры может быть использовано и эквивалентное – "морфология". Параметры системы Параметры - это величины, количественно характеризующие определенные свойства системы. Они имеют конкретное значение, определяемое посредством процедуры измерения. Связь между структурой, параметрами и функцией системы Эта связь является важнейшей и наиболее характерной для системы. Функционирование системы определяется структурой и параметрами ее. Одна и та же функция может быть реализована разными структурами при различных значениях параметров. Это приводит к неоднозначности процесса проектирования систем. Окружение системы Окружение теоретически включает все, что не входит в данную систему. Практический интерес представляет лишь малая часть этого окружения – реальное окружение, т.е. системы непосредственно взаимодействующие с рассматриваемой. Вход и выход системы Вход есть внешнее отношение "окружающая среда – система", а выход – внешнее отношение "система – окружающая среда". Входная и выходная величины являются единственными связями системы с окружающей средой. Они включают все виды связи: материальные, энергетические, информационные. Рисунок 1.1. иллюстрирует большую часть рассмотренных выше понятий в их взаимодействии. Рисунок 1.1. Процесс Термин процесс означает изменение с течением времени. Наряду с естественными процессами человек с целью осуществления необходимых для него изменений организует искусственные процессы. С помощью таких процессов реализуется решение задач, возникающих при рассмотрении технических систем. Искусственные процессы, в которых те или иные свойства объекта, над которым совершают действие, претерпевают необходимые изменения при участии людей и технических средств, называются преобразованиями. Преобразования есть следствия определенных воздействий, основанных на физических, химических и других явлениях и описываемых некоторой инструкцией – алгоритмом. Науками, исследующими преобразования, в определенной области, являются, например, термодинамика, технология производства и т.п. Введенное выше и используемое в дальнейшем понятие алгоритма определяется как упорядоченное множество операций, их отношений и условий перехода от одной к другой. Сущность процесса преобразований иллюстрирует рис. 1.2. Рисунок 1.2. Типичными видами преобразования в технических системах являются управление и регулирование. Управление – это процесс в ходе которого одна или несколько входных величин действуют требуемым образом на другие, обеспечивая достижение ими необходимых значений. Регулирование – частный случай процесса управления, когда необходимые значения выходных величин определены заранее и процесс сводится к приведению отклонений выходных величин от их необходимых значений к нулю. Типы задач, решаемых в научно – технической деятельности В связи с различием функций технических систем различают и типы задач, решаемых при создании этих систем. 1 тип. Задача синтеза. Здесь задана функция системы при известном взаимодействии с окружающей средой; необходимо найти структуру и параметры, обеспечивающие заданную функцию. 2 тип. Задача анализа. Здесь заданы структура и параметры системы при известном взаимодействии с окружающей средой; необходимо найти функцию системы. 3 тип. Задача "черный ящик" Здесь заданы законы изменения выходных величин при определенном изменении входных; необходимо определить структуру, параметры и функцию системы, обеспечивающей требуемую связь выхода со входом. 1.1.2 Технические системы После определения основных понятий, в том числе и понятия "система", перейдем к понятию "техническая система" и взаимосвязи техники с другими областями деятельности человека. Техническая система – совокупность машин, механизмов, устройств и других орудий, обеспечивающих человечеству возможность воздействия на окружающую среду с целью получения в конечном итоге материальных благ. Уровень развития человеческого общества определяется успехами, достигнутыми во многих областях деятельности, а именно: в науке, медицине, искусстве и, безусловно, в технике. Создание технических систем не является результатом деятельности человека лишь в одной области – области техники. Различные виды деятельности человека взаимосвязаны. Их взаимосвязь, определяющую успехи техники иллюстрирует рис. 1.3. Рисунок 1.3 Таким образом, техническая система – продукт деятельности человека, отражающий уровень цивилизации и успехи, достигнутые в различных областях деятельности. 1.1.3 Управление техническими системами. После того, как были даны определения понятиям "техническая система" и "процесс управления" перейдем к рассмотрению содержания курса "Управление техническими системами". Как следует из определений, процесс управления технической системой должен обеспечить наиболее эффективный (по заранее указанному показателю или показателям) режим его функционирования. Поскольку современные технические системы являются сложными комплексами, их управление можно осуществить только с использованием автоматических устройств, соответствующей сложности. Принципы создания таких, автоматически действующих, систем изучает наука, получившая название кибернетики. Рассмотрению ее основ, примененных к техническим системам и посвящен данный курс.