Структурний аналіз систем управління складними технологічними об’єктами

При структурному аналізі складних систем аналізуються організаційна, функціональна і технічна структури. Ці структури можна розглядати як певні моделі, які відображають функції та цілі, які стоять перед системою. В першу чергу враховують ієрархічність системи, тому ці структури завжди будуть багаторівневими. Багаторівнева структура допомагає на різних рівнях розглядати з різним ступенем деталізації властивості системи та її складових. Таким чином, структура - це сукупність елементів і зв'язків між ними, які визначаються відповідно до функцій і цілей системи.

Організаційна структура (на прикладі підприємства)
Ця структура призначена для розв'язання таких задач:

• опис складу підсистем та зв'язків між ними;

• визначення функцій підсистем та при необхідності розкриття їх внутрішньої структури;

• опис матеріальних та інформаційних потоків;

• побудова загальної інформаційної структури та відповідних моделей.

Функціональна структура
Дає можливість:

• визначити функції управління в структурних підрозділах існуючої системи;

• обрати функції, які автоматизуються;

• визначення зв'язків між автоматизованими функціями;

• розробки ієрархії задач управління та відповідних моделей.

Технічна структура

Технічна структура відображає основні технічні засоби для отримання інформації та її обробки, а також пристрої для зв'язків між елементами системи.

При аналізі технічної структури:

• визначаються основні елементи, які забезпечують інформаційні процеси: реєстрацію та підготовку, зберігання і видачу інформації;

• складається формальна структурна модель системи технічних засобів з урахуванням топології розташування елементів, їх інформаційної та енергетичної взаємодії між собою та зовнішнім середовищем.

Для кожної системи можна поставити у відповідність множину структур із різною кількістю рівнів деталізації, що визначається як призначенням структури, так і самою системою. При переміщенні на нижні рівні ієрархії деталізація завжди збільшується, але призначення системи стає зрозумілим лише при переміщені на верхній рівень. Існують системи добре структуровані, слабко структуровані і неструктуровані. У відповідності до цього для кожного класу систем розробляються відповідні моделі. В структурному аналізі виділяють прийоми декомпозиції та агрегування. Прийом декомпозиції дозволяє цілеспрямовано виділити підсистеми, а прийом агрегування дозволяє об'єднати підсистеми, щоб утворити технологічний об'єкт управління із заданими властивостями. В результаті структурного аналізу приймається рішення відносно архітектури системного управління і розташування термінальних точок (датчики, регулюючі органи, робочі місця).

Загальна задача структурного аналізу полягає у визначенні структурних властивостей системи та її підсистем на основі опису елементів та зв'язків між ними.

При розв'язанні практичних задач структурного аналізу складних систем управління приймаються три рівні опису зв'язків між елементами:

• наявність зв'язку;

• напрямок зв'язку;

• вид та напрямок сигналів, які визначають взаємодію елементів.

На першому рівні досліджуваної системи основними задачами структурного аналізу є:

• визначення зв'язності (цілісності) системи та виділення зв'язних підсистем із своїми елементами, якщо система в цілому не є зв'язною;

• виділення циклів;

• визначення мінімальних та максимальних послідовностей елементів (ланцюгів), які розділяють елементи.

На цьому рівні досліджуваній системі може відповідати неорієнтований граф, вершинами якого є елементи системи, а ребрами - зв'язки між ними.

На другому рівні, коли напрям зв'язку задано, системі відповідає орінтований граф, напрямок дуг якого співпадає з напрямом зв'язків. Результати структурного аналізу на цьому рівні більш змістовні, а задачами структурного аналізу є:

• визначення зв'язності системи;

• топологічна декомпозиція з виділенням сильно зв'язних підсистем;

• виділення вузлів приймання та видачі інформації;

• виділення рівнів в структурі та визначення їх взаємозв'язку;

• визначення мінімальних та максимальних шляхів;

• визначення характеристик топологічної значущості елементів;

• отримання інформації про слабкі місця структури і т.д.

На третьому рівні опису зв'язків між елементами системи враховується не лише направленість зв'язку, а й розкриваються склад і характер сигналів взаємодії елементів (вхідні, вихідні, керування).

Крім того, при структурному аналізі розв'язуються такі задачі:

• виділення місцевих та загальних контурів керування;

• визначення необхідних конфігурацій при багаторежимному характері роботи;

• оцінка шляхів безпосередньої передачі сигналів.

При незначній початковій інформації про структуру системи, коли враховуються лише наявність і напрямок зв'язку, зручно використовувати апарат теорії графів.

Теорія графів - розділ математики, який досліджує властивості різних геометричних схем (графів), які утворені множиною точок та ліній, що їх з'єднують. При структурному аналізі систем елементам ставлять у відповідність вершини графа, а зв'язкам - ребра (вершинний граф). Іноді зручно використовувати реберний граф (елементи - ребра, зв'язки — вершини).