Системный подход в моделирование, понятие систем. Статические и динамические информационные модели

Для динамических объектов в глобальную функцию добавляется  еще одна координата - время t.  

Y = Wc(I,Q,t) - черный ящик или Y = Wc(I,Q,X,t) - система  

Надо  сказать, что существование глобальной функции еще не означает, что она известна исследователю или проектировщику объекта. Задача как раз и заключается в том, чтобы отыскать эту функцию. Однако чаще всего ее не удается представить в аналитической форме, (в виде аналитической модели).  

Для сложных  объектов приходится довольствоваться алгоритмическим описанием объекта (в виде поведенческой имитационной модели).  

До сих  пор, говоря о системе, мы предполагали, что объект уже существует и задача сводится к изучению, исследованию его. Отыскав его функцию и  структуру; "измерив" его параметры, мы тем самым решили эту задачу. Ее название всем известно - типичная задача анализа (от гр. analysis - разложение, расчленение). Объект - есть, и надо лишь побольше узнать о нем (системный анализ, спектральный анализ, анализ крови и т.п.).  

Но чаще инженер встречается с противоположной  задачей - объекта нет, и его предстоит  создать, спроектировать. Это задача синтеза объекта.  

Рассуждая с позиции системного подхода, мы можем сказать, что для ее решения надо сделать три шага: выявить функцию системы (абстрактный синтез), разработать структуру системы (структурный синтез) и определить параметры системы так, чтобы получить желаемое качество проекта.  

Внешне  процедура синтеза выглядит весьма убедительно и обнадеживающе.  

Сначала надо выявить глобальную функцию системы, рассматривая саму систему на абстрактном уровне в виде черного ящика, о котором известно только то, что он будет делать.  

Затем следует "транслировать" функциональное описание в структурное. Например, разбивая глобальную функцию системы на подфункции и повторяя, при необходимости, это дробление до тех пор, пока не будут получены элементарные функции, структуры которых очевидны (или уже реализованы). Этот этап порождения структуры, реализующий необходимые функции, называют структурным синтезом.  

На третьем  этапе (параметрический синтез) остается лишь подобрать параметры системы  так, чтобы достичь желаемого  качества ее работы.  

Несмотря  на внешнюю привлекательность и  стройность процедуры формального  синтеза оказываются исключительно сложными. Специалисты в теории систем даже склоняются к мысли, что в общей постановке задача строгого синтеза неразрешима.  

Лишь  для узкого класса технических систем разработаны и используются на практике методы формального синтеза. К ним  можно отнести пассивные электрические цепи (в частности, фильтры), типовые системы автоматического управления, цифровые автоматы, комбинационные и некоторые несложные регистровые схемы.  

В остальных  случаях у инженера нет альтернативы веками проверенному методу проб и ошибок, реализованному в процедуре итерационного проектирования (она была рассмотрена в первой лекции). Напомним суть этого метода: сначала создается базовый вариант системы, а затем он улучшается, пока не будет достигнуто желаемое качество работы.  
 

Что же припасено в арсеналах инженера для улучшения проекта?  

Из глобальной функции системы 

Y = Wc(I,Q,X) (вектор) Y 

видно, что улучшить ее качество можно тремя  способами: 

— воздействием на вектор Х - параметрический метод; 

— изменением функции Wс - схемотехнический метод; 

— воздействием на внешние параметры I и Q. 

Параметрический метод - есть не что иное, как улучшение качества входящих в систему элементов. Например, если в разработке есть резисторы с большим технологическим разбросом, и они ухудшают работу, то их можно заменить высокоточными (прецизионными) резисторами, низкочастотные транзисторы - высокочастотными и т.п.  

Этот  метод самый простой и потому рекомендуется начинать "борьбу за качество" именно с него. Он не требует никаких изменений модели. Достаточно лишь "прогнать" ее на новом наборе Х-параметров.  

Схемотехнический  метод требует введения в разработку структурной избыточности. Арсенал  этих средств инженеру хорошо известен - это различного рода автоподстройки (АРУ, АПЧ), резервирование, введение отрицательной обратной связи и т.п. Понятно, что изменения, внесенные в структуру системы, потребуют и аналогичной коррекции ее модели.  

Схемотехнические  приемы весьма эффективны, но более  дорогие. К ним инженер обычно обращается после того, как исчерпаны возможности параметрического метода. Например, при разработке усилителя Вы добавляете еще один каскад лишь после того, как убедились, что вариацией параметров не удалось достичь требуемого усиления на однокаскадном усилителе.  

Для третьего метода не придумано подходящего названия. Мы назовем его методом уменьшения отрицательного влияния внешней среды. Сюда входят дорогие и трудоемкие мероприятия, такие как термостатирование, экранирование, замена электрических связей оптронными, развязки по нагрузке и т.п. Кстати, повышение требований к источникам питания и генераторам (датчикам) входных воздействий тоже относится к этому методу. 

Заканчивая  разговор, подведем итог. 

Только  системный подход может гарантировать  хорошее качество проекта. Основные задачи, с которыми имеет дело инженер (анализ, синтез, улучшение проекта), оказываются непременными спутниками любого процесса проектирования.  
 
 
 
 
 

2. Статические и динамические информационные модели 
 
 
 
 

       В статических моделях система  представляется неизменной во времени. Такие модели удобны, когда нужно описать структуру системы, то есть из каких объектов она состоит, как эти объекты связаны с друг с другом и каковы свойства этих объектов. Образно говоря, статическая модель представляет собой как бы “фотографию” существенных свойств системы в некоторый момент времени.  

       Примеры статических моделей:  карта местности, схема персонального  компьютера, перечень планет Солнечной  системы с указанием их массы. 

       Динамические модели содержат информацию о поведении системы и ее составных частей. Для описания поведения обычно используются записанные в виде формул, схем или компьютерных программ соотношения, позволяющие вычислить параметры системы и ее объектов, как функции времени.  

       Примеры динамических моделей: набор формул небесной механики, описывающий движение планет Солнечной системы; график изменения температуры в помещении в течение суток; видеозапись извержения вулкана. 

       В зависимости от цели моделирования  для одной и той же системы могут создаваться как статические, так и динамические модели. Построение динамических моделей обычно сложнее, чем статических, поэтому, если значения свойств системы изменяются редко или медленно, то лучше построить статическую модель системы и при необходимости вносить в нее коррективы.