Текст книги "Что такое система"

Игорь Анатольевич Луценко
Что такое система. Электронная монография

© И. А. Луценко, 2018

1. Введение

Окружающий нас мир стремительно изменяется. И все эти изменения осуществляются с использованием биологических, человеко-машинных или чисто технических систем.

Все ученые, которых интересуют системы, единогласно утверждают, что это некое целостное образование. Это означает, что внутри системы нет ничего лишнего. А если из системы что-то удалить, то она перестанет быть целостной и либо не будет работать, либо ее возможности при работе будут ограничены.

Проблемы, связанные с определением систем [1–4], имеются потому, что системы бывают трех классов. Первый класс – классифицированные системы. Это системы, которые определяют некоторое связанное множество объектов. Например, Солнечная система или система дифференциальных уравнений.

Второй класс систем – это структуры, которые создаются или используются нами для того, чтобы делать полезные изменения в нашем мире. Мы это интуитивно понимаем и говорим: «система перемещения», «система нагрева», «система дробления».

Третий класс систем связан с такими понятиями, как система образования, система здравоохранения и т. д. Каждый такой класс, в свою очередь, представляет собой множество функциональных систем.

Все эти классы систем объединяет то, что любая система – это некоторое целостное образование.

Но на этом все сходство заканчивается.

Итак, первый класс систем описывает ограниченные множества связанных объектов.

Второй класс систем определяет объекты, которые предназначены для выполнения полезных функций. Это функции по переводу менее полезных продуктов в более полезные. Назовем такие системы функциональными системами.

Третий класс систем включает в себя множество функциональных систем, имеющих отношение к сфере образования, здравоохранения и т. д.

Нас будет интересовать класс функциональных систем, или просто систем, поскольку дальше речь пойдет именно о них.

Сложности восприятия функциональных систем существуют из-за того, что каждый из нас непрерывно создает или использует множество самых разнообразных систем. При этом в создаваемых системах мы можем выполнять множество самых разнообразных функций.

С другой стороны, много людей может участвовать в работе всего одной системы.

Например, если необходимо переместить груз, это может самостоятельно сделать человек, мгновенно создав биологическую систему перемещения. Если он при этом берет ручную тележку, то создает эргатическую (человеко-машинную) систему, в которой сам же и участвует.

Использование автоматического объекта, который самостоятельно выполняет все вспомогательные функции и функцию перемещения, означает, что перед нами – техническая система перемещения груза.

Поскольку биологический организм может одновременно и создавать, и эксплуатировать множество самых разнообразных систем, ответ на вопрос, что такое система, проще всего получить, исследуя технические системы. Но начинать лучше с эргатических систем, то есть систем, в которых основную технологическую функцию выполняет специальный механизм.

2. Определяем структуру системы нагрева

Одной из самых удобных для анализа систем является система нагрева. Процедуру нагрева жидкости с использованием электронагревателя или газовой горелки все хорошо себе представляют.

Для того чтобы увидеть структуру такой системы, используем специальную технику. Сначала мы будем делить технологические функции, пока не получим структуру, состоящую из нескольких взаимодействующих систем. Затем будем детализировать систему нагрева до тех пор, пока не прорисуется ее внутренняя структура.

Для этого по мере необходимости будем вводить дополнительных персонажей.

Итак, приступаем к проявлению структуры системы нагрева. Этот процесс по-научному называется «синтез».

Этап 1. Описываем процесс

Представим себе, что нашему персонажу Евгению понадобилась нагретая вода. Евгений открыл кран, набрал воду в емкость, подал электроэнергию в нагреватель, подождал, пока вода нагреется до заданной температуры, и использовал нагретую жидкость по назначению (рис. 1).

Рис. 1. Процессы, связанные с нагревом и использованием нагретой жидкости

Как видим, описание всего процесса заняло три строчки. Но эти три строчки описывают работу четырех самоуправляемых функциональных систем, в каждой из которых Евгений выполняет множество необходимых невидимых операций. Поэтому для того чтобы понять внутреннюю структуру, например, системы нагрева, вначале нужно отделить системы друг от друга.

Этап 2. Выделяем функциональные системы

На втором шаге специальные механизмы и функции, которые в системе выполняет человек, нужно выделить в отдельные блоки. Правила создания систем таковы, что каждая система выполняет только одну технологическую функцию. В нашем случае есть технологические функции управления запасами жидкости, управления запасами электроэнергии, нагрева и использования нагретой жидкости.

Для реализации технологических функций необходимо выполнять множество других функций: контроля, учета и управления. Поэтому для выполнения дополнительных функций внутрь каждой системы введем дополнительных персонажей.

Нагретая жидкость нужна Александру. Поэтому он будет выполнять необходимые функции в системе потребления нагретой жидкости.

Евгений, наш центральный персонаж, будет заниматься всем тем, что необходимо для решения этой задачи.

Дмитрий будет управлять подачей холодной воды по требованию Евгения, а Антон будет подавать электроэнергию (рис. 2).

Рис. 2. Взаимодействие систем: Z – задание на нагрев порции жидкости; Z_T – задание температуры нагрева; U_W – управление подачей холодной жидкости; U_ON – управление подачей электроэнергии; U_OFF – прекращение подачи электроэнергии

Теперь мы можем наблюдать за тем, как работает система порционного нагрева жидкости.

Всё начнет происходить в тот момент, когда Александр попросит нагреть для него порцию жидкости до заданной температуры. Евгений просит Дмитрия передать в его систему нужный объем холодной жидкости.

Как только жидкость прекращает поступать в емкость, Александр просит Антона подать питающее напряжение.

После подачи напряжения Евгений наблюдает за текущей температурой нагрева жидкости по термометру. Как только жидкость нагревается до заданной температуры, Евгений просит Антона прекратить подачу напряжения и выдает нагретую жидкость Александру, повернув вентиль выдачи.

Важный момент: системы Дмитрия, Антона и Евгения решают задачу Александра путем обмена специальными сообщениями (Z, Z_T, U_W, U_ON, U_OFF). Такое взаимодействие систем – оказание функционального воздействия на технологические продукты – и называется интерактивным взаимодействием.

Сигнал, который идет к системе, называется сигналом задания и начинается символом Z. Сигнал, который идет от системы, называется сигналом управления и начинается символом U.

При этом нужно понимать, что сигнал задания последующей системы является сигналом управления для предыдущей системы (рис. 3).

Рис. 3. Принцип, который используется для обозначения информационных каналов между разными системами

Обычно такие обозначения указываются для центральной системы и говорят о ней как о системе исследования.

Для того чтобы не путаться в обозначениях, символы прижимают ближе к той системе, к которой они относятся.

Этап 3. Определяем структуру системы

Теперь, когда структура интерактивно взаимодействующих систем создана, нужно детализировать действия Евгения и отобразить основные механизмы технологического оборудования.

Для этого воспользуемся так называемым агентным подходом. Это означает, что все функции, которые выполнял Евгений в системе нагрева, мы представим в виде множества простых функций, каждую из которых выполняет отдельный агент (рис. 4).

Рис. 4. Модель системы нагрева жидкости: 1 – трубопровод для подачи холодной жидкости; 2 – термометр; 3 – емкость; 4 – водяной насос; 5 – трубопровод для выдачи нагретой жидкости; 6, 8 – кабель для подвода электроэнергии; 7 – электронагреватель

Не нужно пугаться понятия «агент». Просто не совсем удобно вводить множество таких персонажей, как Петя, Вася, Маша, Катя и т. д.

В системе нагрева часть агентов выполняет технологические функции, а часть – функции управления. При этом мы рассмотрели только те функции, которые необходимы для получения качественного продукта (жидкость нагревается до заданной температуры), и ту часть функций управления, которая позволяет реализовать интерактивное взаимодействие системы нагрева с остальными системами.

Как видно, даже в этом случае структура системы получилась не очень простой.

Реальные системы также реализуют функции оптимизации (выбора самого выгодного режима функционирования) и адаптации (поиск оптимума при изменении внешних воздействий и факторов). Но такого представления уже достаточно, чтобы разобраться с тем, как определяется структура системы. Также теперь должно быть понятно, почему любая система является самоуправляемой.

Когда нет сигнала Z, система нагрева находится в режиме ожидания. При появлении сигнала Z она начинает процесс взаимодействия с другими системами для выполнения своей базовой функции.

Процесс отслеживания логики событий достаточно утомительное дело. Поэтому та часть текста, которая посвящена описанию работы системы, набрана мелким шрифтом и предназначена для самых любознательных.

Работа системы нагрева начинается с момента подачи сигнала «старт». Получив этот сигнал, агент 8 просто передает это сообщение агенту 9. Теперь система нагрева готова принимать сигнал Z от системы потребления нагретой жидкости для начала операции.

Агент 10 непрерывно сообщает агенту 9, какой объем жидкости нужен самой системе.

Агент 11 непрерывно сообщает агенту 5 о том, что система подачи энергии № 1 должна повысить или понизить уровень подаваемого напряжения. Как это происходит, рассмотрим чуть позже.

Теперь, если система потребления отправила сигнал Z, этот сигнал получает агент 9. Отправить этот сигнал агент 9 может только в том случае, если получены сигналы от агентов 8 и 10. Поскольку агент 10 непрерывно подает сигналы, а агент 8 уже передал сигнал «старт», агент 9 передает сигнал системе подачи холодной жидкости.

В этом сигнале содержится информация о том, какую порцию жидкости необходимо передать системе нагрева.

Получив этот сигнал, система подачи холодной жидкости начинает подавать воду в систему нагрева по каналу 1.

Агент А1 выполняет функцию наблюдения за движением жидкости по каналу 1 и результаты наблюдения передает агенту А3. Линии в виде овалов внутри агентов А1 и А4 обозначают датчики движения жидкости.

Благодаря сообщениям агента 1 агент 3 понимает, когда движение жидкости по каналу 1 прекратилось. Задача агента 3 – подача сигнала в момент прекращения подачи жидкости. И об этом агент 3 сообщает агенту 5.

Получив сигнал от агента 3, агент 5 передает сигнал U_ON1 системе подачи электроэнергии о том, что она должна подать напряжение, уровень которого косвенно определяет агент 11. Как уже было отмечено, вопрос задания уровня напряжения будет рассмотрен ниже.

Система подачи электроэнергии № 1 начинает подавать электроэнергию с заданным уровнем напряжения по каналу 6, и процесс нагрева жидкости начинается.

Агент А2 следит за температурой нагрева жидкости и сообщает о ее значении агенту 6. Агент 6 сравнивает сигнал, полученный от агента 2, с сигналом Z_T. Равенство этих сигналов означает, что жидкость нагрета до заданной температуры.

Дождавшись равенства сигналов, агент 6 подает сигнал отключения питающего напряжения системе № 1. Одновременно агент 6 подает сигнал системе подачи напряжения № 2. Получив этот сигнал, система № 2 подает напряжение на водяной насос. В результате начинается выдача нагретой жидкости потребителю по каналу 5.

Агент А4 контролирует процесс движения жидкости по каналу 5 благодаря наличию своего датчика.

Агента 7 следит за наличием жидкости в канале 5 и, как только процесс выдачи нагретой жидкости прекращается, передает сигнал о завершении операции выдачи агенту 8 и системе № 2.

Система № 2 прекращает подачу напряжения на водяной насос, а агент 8 передает агенту 9 сигнал о завершении всей операции.

Теперь система нагрева готова к проведению следующей операции.

На рис. 3 мы получили структурную модель системы нагрева [5–8].

Поскольку функции агентов достаточно просты, их можно заменить логическими элементами или реализовать их функции программно.

4. Как себя проверить

После того как внутренняя структура системы стала видна, необходимо убедиться в том, что ошибок нет. Для этого создаются действующие модели систем (для этого определяются структуры всех остальных систем), например в специальном программном конструкторе.

Если такая модель работает правильно, значит структура системы может считаться известной.

Для такой проверки создан программный конструктор EFFLI, который доступен для скачивания по ссылке https://files.fm/f/93dukccz. Там модель для проверки работоспособности системы (рис. 3) уже создана. Она имеет номер 0002.

Работа с конструктором и самими моделями подробно описана в [9].

5. Есть ли цель у системы

Евгений решил создать строительное предприятие. Он получил заказ на строительство дома, нанял специалистов по закупке материалов, по заливке фундамента, кирпичной кладке, штукатурке, заливке полов и т. д.

Каждый сотрудник его предприятия участвует в создании и работе разных систем. Каменщики создают системы укладки кирпича, штукатуры – системы оштукатуривания стен.

Например, Антон занимается кирпичной кладкой. Есть ли цель у системы по кирпичной кладке?

Конечно нет.

Да, у Антона есть цель: он хочет получить юридическое образование. Но здесь, на работе, он выполняет производственную задачу. Выполнение этой задачи позволит ему заработать деньги и начать работу по достижению его личной цели. Но шаги по направлению к личной цели будут делаться в нерабочее время.

А что же есть у системы?

У системы есть ориентиры качества и эффективности. Ориентир качества состоит в том, чтобы стена не была перекошенной, а кладка была ровной и прочной. Кроме того, у Антона есть план, выполнив который он получит оговоренную сумму денег.

У кого же в этом коллективе есть цель?

Цель есть у Евгения.

Конечно, Евгений, с одной стороны, владелец предприятия. С другой стороны, он директор.

Директор – это тоже технический работник, который выполняет директорские функции. Он работает за зарплату, только самую высокую на предприятии.

Если Евгений наймет директора, тогда он останется только владельцем предприятия и цель будет только у него.

Какова же цель владельца?

Цель владельца предприятия не прибыль. Если бы прибыль была целью Евгения, он бы долго подбирал рабочих, чтобы они качественно выполняли работу, но за меньшую зарплату. Поиск таких работников – дело хлопотное и длительное. И если такой поиск подходящих сотрудников вдвое затянет сроки сдачи объекта и позволит на 10 % сократить затраты, то Евгения это не устроит.

Евгений будет одновременно стремиться к снижению затрат, времени строительства и максимальному доходу. Только в этом случае дело Евгения будет развиваться максимально быстро, а его возможности – максимально быстро расти [10].

Таким образом, у системы нет цели. Цель есть у ее владельца.

Если кто-то не согласен, пусть ответит на простой вопрос: «Какая цель у кофейного аппарата?». Кстати, зарплату аппарат не получает и о юридическом образовании не мечтает J

6. Польза системного подхода при решении задач управления

В мире известно очень большое количество порционных преобразовательных процессов: нагрев, охлаждение, помол, сортировка, дробление, просеивание, фильтрация, фрезеровка, торцовка…

Несмотря на такое разнообразие, все они удивительно похожи, если рассматривать процесс на высоком абстрактном уровне. Все они воздействуют на определенный продукт с использованием технологического механизма и энергии, а на выходе выдают требуемый продукт с заданными качественными характеристиками (рис. 5).

а)

б)

Рис. 5. Модели технологических механизмов: а) для нагрева жидкости на газу; б) для измельчения зерен кофе

Назовем все входные неэнергетические продукты продуктами направленного воздействия (ПНВ).

Несмотря на все разнообразие преобразовательных процессов с порционной подачей ПНВ, изучить потребуется только одну кибернетическую систему преобразовательного класса (рис. 6).

Рис. 6. Внутренняя структура системы преобразовательного класса

Если вместо базового технологического механизма подставить модель конкретного механизма, в остальной части модели ничего не изменится. Следовательно, изучать системы лучше всего с использованием кибернетического подхода. В таком случае изучать нужно только одну систему, которая отображает все общие особенности систем всего класса.

7. Как система себя оптимизирует

Если заменить агентов физическими устройствами с подходящими функциями или микроконтроллером с программой, то такая система будет успешно работать. При этом каждый раз вода будет нагреваться до заданного уровня. Но если агент А11 изменит величину своего сигнала в сторону увеличения, то нагрев будет происходить быстрее, а температура жидкости на выходе будет такой же (рис. 7).

а)

б)

Рис. 7. Изменение уровня питающего напряжения а) и скорости нагрева б) от операции к операции

В таком случае говорят, что процессом нагрева жидкости можно управлять.

Что тут управлять, скажет внимательный читатель. Чем выше напряжение, которое подается на нагреватель, тем быстрее жидкость нагревается до заданной температуры.

Да, это так. Мало того, чем выше скорость нагрева, тем меньше затраты электроэнергии за время операции. Это связано с тем, что в процессе нагрева нагреваемая жидкость отдает часть накопленной энергии в окружающее пространство. Чем дольше нагрев, тем больше потери тепловой энергии.

Но если бы повышение скорости процесса имело только положительные стороны, мы бы не ходили, а бегали. Транспорт перемещался бы с максимальной скоростью, а мельницы вращались бы с максимальной частотой.

Но в системах так не делают.

Не делают потому, что в некоторых процессах при повышении производительности начинает возрастать износ оборудования [11–13].

Если, например, электронагреватель должен работать 1000 часов при напряжении 220 В, то при напряжении 300 В он проработает, к примеру, 13 часов.

То есть чем выше производительность (чем выше напряжение питания), тем больше изнашивается электронагреватель.

Если нагрев порции жидкости производится на газовой плите, то физика процесса изменяется. Износ газовой горелки (конфорки) очень мал. Но зато при повышении подачи газа его расход от операции к операции сначала снижается, а затем начинает возрастать.

Это связано с тем, что при увеличении потока газовых струй все больше и больше пламя греет окружающее пространство.

Получается, что при правильном проектировании системы изменением подачи энергии всегда можно получить такой режим управления, при котором расход энергии за время одной операции будет минимальным.

Если то, с какой скоростью проводится операция нагрева, для нас неважно, тогда в случае с нагревом на газу наилучшим будет такое управление, при котором расход газа минимальный.

В этом случае показатель «объем расхода газа» является критерием оптимального управления.

Рассмотрим, какую дополнительную структуру должна иметь система нагрева, для того чтобы в процессе самоуправления выходить в самый выгодный режим функционирования.

Здесь для удобства снова обратимся к Евгению, который может выполнять несколько функций, и введем агентов В1, В2 и В3. Мы помним, что каждый из этих агентов выполняет одну простую функцию.

Агент В1 определяет уровень расхода газа и передает показания агенту В2. Агент В2 интегрирует эти показания, выполняя, по сути, роль счетчика расхода газа.

Когда очередная операция нагрева заканчивается, агент А7 передает сигнал завершения операции агенту В2, и показания агента В2 сбрасываются в ноль.

Евгений передает сигнал управления агенту А11, получает данные о расходе газа за время операции от агента В2 и передает данные об управлении и расходе газа за время операции агенту В3.

Агент В3 запоминает данные, которые ему сообщает Евгений (рис. 8).

Рис. 8. Структура системы для выбора оптимального управления

По сути, структура, изображенная на рис. 8, обеспечивает выбор самого выгодного управления. Этот процесс называется «оптимизация».

Рассмотрим, как происходит процесс оптимизации.

Евгений знает, что задание управления он должен осуществлять, передавая агенту А11 цифры от 1 до 8. Каждая цифра – это угол открытия газового крана. Чем меньшую цифру передаст Евгений, тем меньше будет подача газа.

Поскольку он заранее не знает, какая подача газа приведет к самой большой экономии, он начинает процесс с цифры 1. Это и есть сигнал управления.

Как это уже было описано выше, агент А11 передает этот сигнал через агента А5 в систему подачи энергии № 1. Газ начинает поступать с определенной интенсивностью (рис. 9). Эту интенсивность регистрирует агент В1 и передает информацию агенту В2.

Рис. 9. Процесс определения объема израсходованного газа и сброса интегратора

Агент В2 интегрирует (накапливает) данные от агента В1 и формирует данные текущего расхода газа.

Получив данные о завершении операции нагрева, Евгений передает агенту В3 информацию о том, что управлению U₁ соответствует расход газа V₁.

Так продолжается до тех пор, пока Евгений не передаст все 8 вариантов управления.

После того как закончится восьмая операция нагрева, Евгений получает информацию от агента В3, смотрит, какому управлению соответствует минимальный расход газа (пусть это будет управление U₅). Евгений устанавливает это управление для всех последующих операций нагрева.

Таким образом, каждая система не просто интерактивно взаимодействует с другими системами и контролирует качество своего технологического продукта, но и выбирает самый выгодный для своего владельца режим функционирования.

Конечно, если владельца результатов системного процесса интересуют не только затраты, но и время операции, то управление осуществляется по другому критерию – критерию эффективности использования ресурсов [9, 14–16]. Кроме того, существуют гораздо более эффективные способы поиска оптимального управления, нежели простой перебор [17–19]. Однако это отдельная тема.

Главное – понимать, что каждая функциональная система сама оптимизирует свои собственные операционные процессы.

Однако если температура окружающей среды или давление газа изменится, управление снова не будет оптимальным.

Для того чтобы работать в таких условиях, системы используют механизм адаптации.