Общие понятия

В изучаемом курсе автоматизированные информационные технологии рассматриваются применительно к управлению в организационных системах, поэтому «управление» – одно из центральных понятий. Управление можно определить как функцию системы, обеспечивающую либо сохранение её основных свойств, либо ее развитие в направлении определенной цели. Следовательно, управление неразрывно связано с системой и без нее не существует.

Система – это целое, составленное из частей. Другими словами, система есть совокупность элементов, взаимосвязанных друг с другом, и, таким образом, образующих определенную целостность.

Количество элементов, из которых состоит система, может быть любым, важно, чтобы они были между собой взаимосвязаны. Примеры систем: техническое устройство, состоящее из узлов и деталей; живой организм, состоящий из клеток; коллектив людей; предприятие; государство и т.д. Лекционная аудитория с лектором и студентами – система; каждый студент – тоже система; оборудование аудитории – система; отдельный стол – тоже система. А вот ножка стола – уже не система, но это с точки зрения макропредставлений. Если же рассматривать ножку стола с точки зрения микропредставлений, то это тоже система, образуемая совокупностью молекул и атомов.

Из этих примеров ясно, что системы весьма разнообразны, но все они имеют ряд общих свойств и понятий.

Элемент системы – часть системы, выполняющая определенную функцию (лектор читает лекцию, студенты ее слушают и конспектируют и т.д.). Элемент системы может быть сложным, состоящим из взаимосвязанных частей, т.е. тоже представлять собой систему. Такой сложный элемент часто называют подсистемой.

Организация системы – внутренняя упорядоченность и согласованность взаимодействия элементов системы. Организация системы проявляется, например, в ограничении разнообразия состояний элементов в рамках системы (во время лекции не играют в волейбол).

Структура системы – совокупность внутренних устойчивых связей между элементами системы, определяющая ее основные свойства. Например, в иерархической структуре отдельные элементы образуют соподчиненные уровни, и имеются внутренние связи между этими уровнями.

Целостность системы – принципиальная несводимость свойств системы к сумме свойств ее элементов. В то же время свойства каждого элемента зависят от его места и функции в системе. Так, если вернуться к примеру с лекцией, то, рассматривая отдельно свойства лектора, студентов, предметов оборудования аудитории и т.д., нельзя однозначно определить свойства системы, где эти элементы будут совместно использоваться.

Классификация систем

Классификация систем может производиться по различным признакам. В общем плане системы можно разделить на материальные и абстрактные.

Материальные системы представляют собой совокупность материальных объектов. Среди материальных систем можно выделить неорганические (технические, химические и т.п.), органические (биологические) и смешанные, содержащие элементы как неорганической, так и органической природы. Среди смешанных систем следует обратить особое внимание на человеко-машинные (эрготехнические) системы, в которых человек с помощью машин осуществляет свою трудовую деятельность.

Важное место среди материальных систем занимают социальные системы с общественными отношениями (связями) между людьми. Подклассом этих систем являются социально-экономические системы, в которых связи между элементами – это общественные отношения людей в процессе производства.

Абстрактные системы – это продукт человеческого мышления: знания, теории, гипотезы и т.п.

По временной зависимости различают статические и динамические системы. В статических системах с течением времени состояние не изменяется, в динамических системах происходит изменение состояния в процессе ее функционирования.

Динамические системы с точки зрения наблюдателя могут быть детерминированными и вероятностными (стохастическими). В детерминированной системе состояние ее элементов в любой момент времени полностью определяется их состоянием в предшествующий или последующий моменты времени. Иначе говоря, всегда можно предсказать поведение детерминированной системы. Если же поведение предсказать невозможно, то система относится к классу вероятностных (стохастических) систем.

Любая система входит в состав большей системы. Эта большая система как бы окружает ее и является для данной системы внешней средой. По тому, как взаимодействует система с внешней средой, различают закрытые и открытые системы. Закрытые системы не взаимодействуют с внешней средой, все процессы, кроме энергетических, замыкаются внутри системы. Открытые системы активно взаимодействуют с внешней средой, что позволяет им развиваться в сторону совершенствования и усложнения.

По сложности системы принято делить на простые, сложные и большие.

Простая система – это система, не имеющая развитой структуры (например, нельзя выявить иерархические уровни).

Сложная система – система с развитой структурой, состоящая из элементов – подсистем, являющихся, в свою очередь, простыми системами.

Большая система – это сложная система, имеющая ряд дополнительных признаков:

ü наличие разнообразных (материальных, информационных, денежных, энергетических) связей между подсистемами и элементами подсистем;

ü открытость системы;

ü наличие в системе элементов самоорганизации;

ü участие в функционировании системы людей, машин и природы.

Понятие большой системы было введено, как следует из приведенных признаков, для обозначения особой группы систем, неподдающихся точному и подробному описанию. Для больших систем можно выделить следующие основные признаки:

ü наличие структуры, благодаря которой можно узнать, как устроена система, из каких подсистем и элементов состоит, каковы их функции и взаимосвязи, как система взаимодействует с внешней средой;

ü наличие единой цели функционирования, т.е. частные цели подсистем и элементов должны быть подчинены цели функционирования системы;

ü устойчивость к внешним и внутренним возмущениям. Это свойство подразумевает выполнение системой своих функций в условиях внутренних случайных изменений параметров и дестабилизирующих воздействий внешней среды;

ü комплексный состав системы, т.е. элементами и подсистемами большой системы являются разнообразные по своей природе и принципам функционирования объекты;

ü способность к развитию. В основе развития систем лежат противоречия между элементами системы. Снятие противоречий возможно при увеличении функционального разнообразия, а это и есть развитие.

Изучение, анализ и синтез больших систем проводятся на основе системного подхода, который предполагает учет основных свойств таких систем.

Структура системы управления

Процессы управления присущи как живой, так и неживой природе. С управлением мы сталкиваемся в своей жизни повсеместно. Это и государство, которым управляют соответствующие структуры; это и ЭВМ, работающая под управлением программы, и т.д. Совокупность объекта управления (ОУ), управляющего органа (УО) и исполнительного органа (ИО) образует систему управления, в которой выделяются две подсистемы: управляющая подсистема (УО и ИО) и управляемая подсистема (ОУ).

В процессе функционирования системы (рис. 3.1) управляющий орган (УО) получает осведомляющую информацию I_ос о текущем состоянии объекта управления (ОУ) и входную информацию I_вх о том, в каком состоянии должен находиться объект управления. Отклонения объекта управления от заданного состояния происходят под воздействием внешних возмущений (V). Результатом сравнения информации I_вх и I_ос в управляющем органе является возникновение управляющей информации I_y, которая воздействует на исполнительный орган (ИО). На основе информации I_y исполнительный орган вырабатывает управляющее воздействие (U), которое ликвидирует отклонение в объекте управления.

Наиболее сложным звеном в системе управления является управляющий орган. Здесь степень сложности определяется количеством выполняемых функций, т.е. управляющий орган должен уметь производить наибольшее количество разнообразных действий. Это естественно, так как на любое состояние объекта управления управляющий орган должен отреагировать соответствующим образом, своевременно обработав поступившую в него информацию и выработав управляющую информацию.

Для функционирования структурной схемы системы управления (рис. 3.1)  необходима информация. На приведенной схеме изображены три ее потока: I_вх, I_ос и I_y. Информация I_вх сообщает управляющему органу о множестве возможных состояний объекта управления и управляющего органа, а также о том, в каком из состояний должен находиться объект управления при заданных внешних условиях. Информация I_ос – это информация обратной связи. Понятие обратной связи является фундаментальным в теории управления. В общем случае под обратной связью понимают передачу воздействия с выхода какой-либо системы обратно на ее вход. В системах управления обратная связь является информационной, и с ее помощью в управляющую подсистему поступает информация о текущем состоянии управляемой подсистемы. Третий информационный поток I_y – это информация, возникшая в результате обработки в управляющем органе информации I_вх и I_ос и управляющая работой исполнительного органа.

Очень важным компонентом входной информации I_вх является информация о цели управления, ибо управление бессмысленно, если не направлено на достижение определенной цели. Если управление наилучшим образом соответствует поставленной цели, то такое управление называется оптимальным. Критерием оптимальности управления является некоторая количественно измеряемая величина, отражающая цель управления. Математическая запись критерия оптимальности носит название целевой функции. При оптимальном управлении значение целевой функции достигает экстремума (максимума или минимума в зависимости от критерия оптимальности).

Ярко выраженный целевой информационный характер управления подтверждается кибернетическим его определением: управление есть процесс целенаправленной переработки информации. В зависимости от того, в какой системе (простой, сложной, большой) производится управление, различают системы автоматического управления (САУ) и автоматизированные информационные системы.

Автоматическое управление осуществляется, как правило, в простых системах, в которых заранее известны описание объекта управления и алгоритм управления им. По принципу управления системы автоматического управления могут быть разомкнутыми и замкнутыми. В разомкнутых системах измеряется возмущение, отклоняющее объект от заданного состояния, и вырабатывается воздействие, компенсирующее возникшее возмущение. Такая система не способна длительное время управлять неустойчивым объектом. В замкнутых системах (рис. 3.2) реализуется идея обратной связи, благодаря которой информация об отклонении управляемого объекта от заданного состояния позволяет выработать воздействие, возвращающее объект в это состояние.

Благодаря тому, что поведение объекта и алгоритм управления строго заданы, системы автоматического управления могут работать автономно, без участия человека (хотя, конечно, их создание и наблюдение за их функционированием невозможно без человека).

Как правило, САУ (см. рис. 3.2) используются в технических системах, где в качестве управляющего органа (УО) используется компьютер, который с помощью программы (для него это I_вх) выдает результат обработки информации, обычно физический сигнал. Этот сигнал управления (I_y) через преобразователь (Пр1) приводит в действие исполнительный орган (ИО), возвращающий объект управления (ОУ) в заданное программой компьютера состояние. Состояние ОУ, меняющееся под воздействием внешних возмущений (V), определяет значение сигнала обратной связи (I_ос), которое через преобразователь (Пр2) поступает в компьютер (УО). Преобразователи необходимы для изменения уровней или природы проходящих через них сигналов, так как элементы системы могут быть различны по своей физической сути.

С ростом и усложнением производства объекты управления приобретают характер сложных и больших систем, имеющих большое число элементов и подсистем, связи между которыми не всегда ясны, а критерии функционирования не обладают достаточной четкостью. В этих условиях использовать результаты теории автоматического управления в полной мере не удается, и в контур управления, помимо человека – оператора ЭВМ, действующего по заданным алгоритмам, включается лицо, принимающее решения (ЛПР). Наличие ЛПР в контуре управления является отличительной чертой автоматизированных систем управления, которые в случае применения в организационно-экономическом управлении называют экономическими информационными системами – ЭИС (рис. 3.3).

Автоматизированное управление применяется в том случае, если нет возможности реализовывать автоматическое управление.

Лицо, принимающее решения (см. рис. 3.3), получив информацию обратной связи (I_ос), осведомляющую его о состоянии объекта управления (ОУ), обращается к ЭВМ (поток I_вх), имеющей определенное программное обеспечение (ПО) и вырабатывающей рекомендации к принятию решения (поток I_вых). На основе анализа предложенных ЭВМ альтернатив ЛПР принимает решение, которое в виде управляющей информации (I_y) поступает в исполнительный орган (ИО), переводя его в необходимое состояние.

Например, министр (это ЛПР), получив информацию о состоянии отрасли (это ОУ), после обработки всей нужной информации на ЭВМ и просчета наборов вариантов поведения в сложившейся ситуации принимает решение, которое реализуется аппаратом министерства (это ИО) в управляемой отрасли производства.