Материал: 1284

5

Системный анализ используется для исследования таких сложных систем, как экономика отдельной отрасли, промышленного предприятия, объединения. Наиболее важным является применение системного анализа в проектировании радиоэлектронных средств (РЭС), поскольку он позволяет создавать оптимальные конструкции новых изделий. Процесс анализа является неотъемлемой частью алгоритма проектирования, эксплуатации или исследования систем любого типа и любого уровня.

В наиболее общем виде системный анализ в проектировании обычно определяют двояко:

1)как научную дисциплину, разрабатывающую общие принципы исследования и проектирования сложных технических объектов (ТО) с учетом их комплексного характера;

2)как методологию анализа ТО путем представления их в качестве систем и исследования этих систем.

Отметим основные идеи, характерные для системного анализа:

- исследователя и проектировщика с позиции системного анализа, прежде всего, интересует описание места и роли каждого элемента в системе

вцелом;

- системный анализ, как правило, выделяет наличие различных уровней системного ТО и их соподчиненность. Это вызывает необходимость описания взаимосвязи между ними. Наиболее часто встречающаяся форма реализации взаимосвязи – это управление процессом проектирования, производства и эксплуатации, а в ряде случаев и утилизации использованных ТО. Поэтому проблема управления возникает практически в любом системном исследовании.

Заметим, что в промышленно развитых странах системный аналитик является основным специалистом в создании новых поколений технических систем (ТС).

Системный анализ в процессе проектирования ТО складывается из основных четырех этапов:

1.Постановка задачи.

2.Структуризация изучаемой системы.

3.Моделирование изучаемой системы.

4.Анализ результатов моделирования.

Первый этап заключается в постановке задачи и в определении потребительских свойств проектируемой системы. Во время второго этапа системного анализа очерчиваются границы изучаемой системы и определяется ее структура: объекты и процессы, имеющие отношение к поставленной цели, происходит разбиение на собственно изучаемую систему и внешнюю среду. При этом различают замкнутые и открытые системы. При исследовании замкнутых систем влиянием внешней среды на их поведение пренебрегают. Затем выделяют отдельные составные части системы – ее элементы, устанавливают взаимодействие между ними и внешней средой.

6

В последнее время все большее внимание в технике уделяется изучению замкнутых систем, имеющих закрытые технологические циклы, так называемую, «безотходную технологию». Такие технологические процессы перспективны как с позиций экономики, так и экологии: «чем меньше отходов, тем выше уровень производства».

Третий этап системного анализа - моделирование, которое заключается в составлении математической модели исследуемой системы. Вначале производят параметризацию системы, описывают выделенные элементы системы и их взаимодействие. В зависимости от особенностей процессов используют тот или иной математический аппарат для анализа системы в целом.

Следует при этом отметить, что аналитические методы используются для описания лишь небольших систем вследствие их громоздкости или невозможности составления и решения сложных систем уравнений. Для описания больших систем и их не только качественных, но и количественных характеристик используются дискретные параметры (баллы), принимающие целые значения.

Наряду с детерминированными методами при исследовании сложных систем широко используют вероятностные методы, поскольку в них преобладают стохастические процессы. Поэтому наиболее часто исследуют развитие процессов с некоторой вероятностью или же определяют вероятность протекания изучаемых процессов.

Если исследуются сложные системы, именуемые как обобщенные динамические системы, характеризуемые большим количеством параметров различной природы, то в целях упрощения математического описания их расчленяют на подсистемы, выделяют типовые подсистемы, производят стандартизацию связей для различных уровней иерархии однотипных систем. В результате моделирования формируются законченные математические модели системы, описанные на формальных языках, определяемых сложностью системы.

Четвертый этап системного анализа - это анализ полученной математической модели, определение ее экстремальных условий с целью оптимизации и формулирование выводов.

Оптимизация заключается в нахождении оптимума рассматриваемой функции (математической модели исследуемой системы, процесса) и соответственно нахождения оптимальных условий поведения данной системы или протекания данного процесса. Оценку оптимизации производят по критериям, принимающим в таких случаях экстремальные значения (выражающие, например, максимальное быстродействие, минимальный расход электроэнергии и т.д.). На практике выбрать надлежащий критерий достаточно сложно, так как в задачах оптимизации может выявляться необходимость во многих критериях, которые иногда оказываются взаимно противоречивыми. Поэтому наиболее часто выбирают какой-либо один основной критерий, а для других устанавливают пороговые предельно допустимые значения (см. раздел 3.2).

7

На основании выбора составляется зависимость критерия оптимизации от параметров модели исследуемого объекта (процесса). Такой результат исследования чрезвычайно важен для практических целей, дает определенную последующую опытно-конструкторскую проработку задачи.

Рассмотренные этапы проведения системного анализа являются самыми общими, универсальными. В каждом конкретном случае, при проектировании какого-либо класса ТО приведенная последовательность системного анализа может быть дополнена или несколько видоизменена. В частности, при проектировании такого класса ТО как радиоэлектронная аппаратура применяется технология прикладного системного анализа, разработанная авторами пособия и применяемая ими в учебном процессе [1]. В отличие от классического системного анализа технология прикладного системного анализа предполагает не только анализ результатов исследования, но и генерацию новых технических решений (синтетический этап). Подробное изложение особенностей технологии прикладного системного анализа при проектировании РЭС приведено в разделе 3.5. В основу синтетического этапа технологии прикладного системного анализа при проектировании РЭС положено понятие технического творчества – поиск новых технических решений, обеспечивающих создание поколений технических объектов с более высоким качеством. Творчество может иметь место в любой сфере деятельности человека: научной, произ- водственно-технической, художественной, политической и т.д.

Из истории техники известно, что очень часто ученые и изобретатели для создания нового использовали малопроизводительный метод «проб и ошибок». Бессистемно перебирая большое количество возможных (мыслимых) вариантов, они находили (иногда!) нужное решение. Метод «проб и ошибок» достаточно убедительно отвергал Ф.Бэкон и его последователи. На рубеже XIX – XX веков было разработано около ста различных, более эффективных методов и методик активизации творческих способностей.

История человечества показывает, что в целом период реализации творческих идей имеет ярко выраженную тенденцию к сокращению. Действительно, если от печатных досок до изобретения книгопечатания (1440 г.) прошло «лишь» шесть веков и затем до создания печатной машинки четыре века, то, например, транзистор, изобретенный в 1948 г., был реализован в 1953 г. В эпоху современной научно-технической революции потребность в новых технических решениях высокого уровня существенно возросла и продолжает увеличиваться, что постоянно повышает требования к производительности, эффективности и качеству творческого труда.

8

2 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ В ПРОЕКТИРОВАНИИ РЭС

2.1Определение и свойства систем РЭС

Комплексный подход к изучению объектов известен в науке под названием «общая теория систем» или «системология». Общая теория систем (ОТС) возникла на основе изучения некоторых биологических объектов и явлений и впервые была сформулирована Л. Берталанфи [2].

Со временем в структуре ОТС выделились два направления. Цель первого направления – развитие ОТС как некоторой философской концепции, включающей в себя такие понятия, как принцип системности, системный подход, системный анализ и т.д. В другом направлении общая теория систем представляет собой некоторый математический аппарат, претендующий на строгое описание закономерностей формирования и развития любых систем.

ОТС базируется на трех постулатах. Первый постулат утверждает, что функционирование систем любой природы может быть описано на основе рассмотрения формальных структурно-функциональных связей между отдельными элементами систем. Влияние материала, из которого состоят элементы систем, проявляется в формальных характеристиках системы (ее структуре, динамике и т.д.). Второй постулат состоит в том, что организация системы может быть определена на основе наблюдений, проведенных извне посредством фиксирования состояний только тех элементов системы, которые непосредственно взаимодействуют с ее окружением. Третий постулат заключается в том, что организация системы полностью определяет ее функционирование и характер взаимодействия с окружающей средой. Эти постулаты дают возможность определить организацию системы, исходя из характеристик взаимодействия с внешней средой, и характеристики взаимодействия, исходя из организации системы.

Характерная особенность современной науки - системный подход: изучение объекта как целостности и элементов объекта как частей системы и как подсистем, выявление вида связей между этими частями и самого объекта с другими. Если технический объект - система, состоящая из взаимодействующих частей, а его части - подсистемы из частей боле низкого уровня, то совокупность взаимодействующих технических систем - это надсистема (рисунок 2.1). К составным частям системы самого низкого уровня относятся элементы. Элемент – это часть системы, которая не подлежит дальнейшему делению с точки зрения цели системы. Так, в телевизоре к элементам, с точки зрения конструктора телевизора, относятся электрорадиоэлементы (ЭРЭ), например,

9

интегральные микросхемы (ИМС). Но если поставить цель – спроектировать новую ИМС для того же телевизора, то к элементам будут относиться составные части ИМС – подложка, корпус, выводы. А с точки зрения физика телевизор состоит из таких элементов, как атомы, молекулы, p-n переходы, контакты и т.д.

1

1 – надсистема; 2 – системы; 3 – подсистемы; 4 – элементы

Рисунок 2.1 – Схема системного подхода

Системный подход к развитию техники означает умение видеть, воспринимать, представлять техническую систему как единое целое во всей ее сложности, со всеми связями и их изменениями, сочетая разные, но взаимодополняющие подходы: компонентный, изучающий состав системы (надсистема, техническая система, подсистема); структурный, изучающий взаимное расположение подсистем в пространстве и времени, связи между ними; функциональный, рассматривающий функции технической системы и ее подсистем, роль технической системы в надсистеме; генетический, изучающий становление технической системы, этапы ее развития и замену одной системы другой.

Системой (с греческого: целое, составленное из частей, соединение) назовем некоторое множество связанных элементов, обладающих свойствами, не сводящимися к сумме свойств отдельных ее частей. Вообще, понятие «система» весьма многогранно. Кроме приведенного, наиболее общего определения системой можно назвать:

- порядок, обусловленный расположением частей в определенном порядке (система работы);