Классификация систем. Существует большое количество критериев классификации систем

Существует большое количество критериев классификации систем. Рассмотрим основные критерии.

Чтобы как-то упорядо­чить подходы к классификации систем, воспользуемся общей схемой функционирования системы, выделив отдельно систему S, под­лежащую управлению U, и управляющую систему, которая это уп­равление вырабатывает. Подчеркнем, что для выработки управления U требуется предсказание его последствий, то есть необходима модель всей ситуа­ции. С помощью этой модели управляющая система определяет, какое управление подать на управляемый вход системы. Это иллюстрирует рис. 3, где схема изображена еще раз внутри управляющего блока.

И методы нахождения управления и способы его осуществления, и сам результат управления в немалой степени определяются тем, что из­вестно о системе и что учитывается при выработке управления, то есть тем, какова модель управляемой системы, и тем, в какой степени эта модель соответствует реальной системе. Рассматривая разные аспекты этого соответствия, можно строить разные классификации систем. Чаще всего классифицируют: по описанию входных и выходных процессов; по описанию оператора системы; по типу управле­ния; по обеспеченности управления ресурсами.

Рис. 3. Схема функционирования управляемой системы

Одна из возможных классификаций систем по происхождению представлена на рис. 4. В соответствии с данным критерием все системы делятся на искусственные, естественные и смешанные.

Рис. 4. Классификация систем по их происхождению

Типы переменных системы. На рис. 5 приведена трехуровневая классификация систем по типу входных (X), выходных (Y) и внутренних (Z) (если описание ведется не на уровне «черного ящика») переменных. Принципиально разных подходов требуют переменные, описываемые качественно и количественно. Для полноты введен третий класс, к нему отнесены си­стемы, у которых часть переменных носит качественный характер, а остальные являются количественными. На следующем уровне классифи­кации систем с качественными переменными различаются случаи, когда описание ведется средствами естественного языка, и случаи, допус­кающие более глубокую и подробную формализацию.

Типы операторов системы. Следующая классификация – по особенностям оператора S системы, то есть классификация типов связей между входными и выходными переменными (рис. 6).

Так, может быть известно, что в соот­ношении функция S непрерывна, монотонна или симметрична; отсюда не следует никаких конкретных выводов о функциональном виде этой зависимости. Непараметризованный класс операторов системы (второй блок пер­вого уровня) соответствует подобным ситуациям с очень скудной априорной информацией об операторе S.

Типы способов управления. Следующая классификация систем – по способам управления (рис. 7). Первый уровень классификации определяется тем, входит ли управляющий блок в систему или является внешним по отно­шению к ней; выделен также класс систем, управление которыми разделено и частично осуществляется извне, а частич­но – внутри самой системы.

Независимо от того, включен ли в систему и вынесен ли из нее управляющий блок, можно выделить четыре основных типа (способа) уп­равления, что и отражено на втором уровне классификации. Эти способы различа­ются в зависимости от степени известности траектории, приводящей систему к цели, и воз­можности управляющей системы удерживать управляемую систему на этой траектории.

Стрельба из ружья, работа ЭВМ по программе, рост зародыша живого организма, пользование телефоном-автоматом являются примерами ситуации, когда управление осуществляется без обратной связи.

Второй способ управления называется регулированием, а соответствующие си­стемы выделены во второй класс второго уровня классификации. Например, этому классу принадлежит управление, которое осущес­твляется операторами-станочниками, регулятором Уатта, автопилотом, судовым авторулевым, в рефлекторных реакциях животных и т. п.

Предположим, что нам необходимо спрогнозировать текущую траекторию y(t) на будущее и определить, пересечет ли она целевую область Y *. Управление в таком случае будет состоять в подстройке параметров си­стемы до тех пор, пока такое пересечение не будет обеспечено. Этому и соответствует третий класс систем. Примерами такого управления явля­ются процессы адаптации живых организмов к изменяющимся условиям жизни, работа пилотов и шоферов, адаптивные и автоматизированные системы управления и т. п.

Иногда может оказаться, что среди всех возможных комбинаций значений управляемых параметров системы не найдется такой, при ко­торой ее траектория пересечет целевую область. Это означает, что цель для данной системы недостижима. Но, может быть, она достижима для другой системы? Сказанное дает еще один способ управления: изменять структуру системы в поисках такой, при которой возможно попадание в целевую область. По существу, имеет место перебор раз­ных систем, но это системы с одинаковыми выходами Y, созда­ваемыми не произвольно, а в соответствии с наличными средствами. Такое управление, называемое структурной адаптацией, выделим в четвертый класс классификации второго уровня. Примерами реализации указанного управления являются гибкие автоматизирован­ные производства, вычислительные сети, сельскохозяйственные машины со сменными навесными и прицепными устройствами, мутации орга­низмов в процессе естественного отбора, организационные изменения в государственном аппарате и т. д.

Ресурсы управления и качество системы. Прежде всего в качестве одного из ресурсов управления рассмотрим энергетические затраты на актуализацию модели и выработку управления. Обычно они настолько малы по срав­нению с количеством энергии, потребляемой или производимой в управляемой системе, что их просто не принимают во внимание. Однако представим себе случай, когда, во-первых, управляющая и управляемая системы питаются от одного ограниченного источника энергии, и, во-вторых, энергопотребление обеих систем имеет одинаковый порядок: возникает интересный и нетривиальный класс задач о наилучшем рас­пределении энергии между ними.

Следующее деление систем связано с матери­альными ресурсами, затрачиваемыми на актуа­лизацию модели (рис. 8). В случае моделирования на ЭВМ – это объем памяти и машинное время; такие ресурсы лимитируют возможности решения за­дач большой размерности в реальном масштабе времени. К подобным задачам приводится моде­лирование ряда экономических, метеорологиче­ских, организационно-управленческих, нейро­физиологических и других систем. Системы, моделирование которых затруднительно вследствие их размерности, называют большими. Существует два способа перевода больших систем в разряд малых: разрабаты­вать более мощные вычислительные средства либо осуществлять декомпозицию многомерной задачи на совокупность связанных задач мень­шей размерности, если природа системы это позволяет.

Третий тип ресурсов – информа­ция. Она дает основание для еще одной классифи­кации систем. Имеющаяся о системе информа­ция, сколько бы ее ни было, представлена в кон­центрированном виде как та самая модель, об использовании которой идет речь. Признаком простоты системы, то есть достаточности информа­ции для управления, является успешность управ­ления. Однако если полученное с помощью мо­дели управление приводит к неожиданным, не­предвиденным или нежелательным результатам, то есть отличающимся от предсказанных моделью, это интерпретируется как сложность системы, а объясняется как недостаточность информации для управления. Поэтому сложной системой следует называть систему, в модели которой не хватает информации для эффективного управ­ления.

Таким образом, свойство простоты или сложности управляемой системы является свер­нутым отношением между нею и управляющей системой, точнее, между системой и ее моделью.

Чтобы подробнее пояснить вытекающую из сделанной классифика­ции разницу между большими и сложными системами, отметим, что возможны все четыре комбинации, то есть существуют системы:

1) «малые про­стые» (примеры: исправные бытовые приборы (утюг, часы, холодильник, телевизор и т. д.) – для пользователя (пользователь знает, как эксплуатировать прибор, поэтому для него эта малая система в то же время и простая); неисправные бытовые приборы – для мастера (мастер знает, как наладить прибор, поэтому для него эта малая система в то же время и простая));

2) «малые сложные» (пример: неисправный бытовой прибор – для пользователя, т. е. сам прибор – это система малая, а неисправность такого прибора характеризует сложность этой малой системы для пользователя, которые не знает, как его наладить);

3) «большие простые» (пример: шифровой замок для похитителя – система простая (требуется лишь перебор вариантов) и большая (имеющегося на вскрытие сейфа времени может не хватить на перебор вариантов));

4) «большие слож­ные» (примеры: мозг, экономика, живой организм; все эти системы являются большими по количеству элементов и сложными по своей природе и внутренней структуре).

Вопросы для самопроверки

1. Опишите схему функционирования управляемой системы. Перечислите ее основные параметры.

2. Что из себя представляет классификация систем по их происхождению?

3. Дайте классификацию систем по типу переменных?

4. Перечислите типы операторов системы. Приведите практические примеры.

5. Какие существуют типы способов управления? Приведите практические примеры.

6. Какие существуют ресурсы управления системой и в чем при этом проявляется качество систем?