Физическая модель и реальный объект должны иметь одинаковую физическую природу.

Аналоговое моделирование основано на аналогии процессов и явлений, имеющих различную физическую природу, но одинаково описываемых формально (одними и теми же математическими уравнениями, логическими схемами и т.п.). Наиболее простой пример – изучение механических колебаний с помощью электрической схемы.

От предметного моделирования принципиально отличается идеальное моделирование, которое основано не на материальной аналогии объекта и модели, а на аналогии идеальной, мыслимой. Оно носит теоретический характер.

Важнейшим видом идеального моделирования является математическое моделирование, при котором исследование объекта осуществляется на модели, построенной на языке математики, с использованием тех или иных математических методов.

Математические модели представляют собой математическое описание объектов, процессов и явлений, выражающее внутренние законы их динамики, взаимодействия с внешней средой и другие свойства. Модели выражаются на языке математических формул (уравнений, неравенств и их систем) или на языке дифференциальных или интегральных уравнений. Математическое моделирование имеет два существенных преимущества по сравнению с исследованиями на реальных объектах: получение быстрого ответа на поставленный вопрос и возможность моделирования аварийных и других ситуаций, которые невозможно осуществить на реальном объекте.

Моделям свойственны не только достоинства, но и недостатки. Главный из них заключается в том, что модель не абсолютно тождественна моделируемому объекту, поэтому все результаты, полученные на модели, целиком и полностью относятся только к самой модели. Надо четко представлять, в каком смысле модель соответствует объекту, т.е. какие свойства объекта моделируются. Критерием правильности решения, принятого по результатам моделирования, является эксперимент на реальном объекте. Модель, проверенная на практике способна стать надежным средством для принятия решений на этапе проектирования.

Моделирование на компьютере с помощью прикладного программного обеспечения называется цифровым моделированием.

В последнее время для решения задач управления и анализа функционирования различных систем используется имитационное динамическое моделирование, которое позволяет имитировать на компьютере поведение моделируемой системы во времени (на продолжительное время вперед) с учетом внутрисистемных связей. Имитационная модель позволяет получить лишь частные (числовые) значения одних параметров системы при фиксированных значениях других.

Таким образом, модель является представлением исследуемого объекта или процесса в некоторой форме, отражающей их наиболее существенные свойства.

Модели необходимы для того, чтобы:

§ понять, как устроен исследуемый объект или процесс, какова его структура, основные свойства, законы развития и взаимодействия с окружающим миром;

§ научиться управлять объектом или процессом и определить наилучшие способы управления при заданных целях и критериях;

§ прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия на объект или объекта на окружающую среду.

Управление в системах

Управление можно определить как функцию системы, обеспечивающую либо сохранение ее основных свойств, либо ее развитие в направлении определенной цели, т.е. управление неразрывно связано с системой и без нее не существует.

Система управления (рис.1.1) – это совокупность объекта управления (ОУ), управляющей структуры (УС) и исполнительной структуры (ИС). В системе управления выделяют две подсистемы: управляющую, которая содержит управляющую и исполнительную структуры, и управляемую с объектом управления.

 

Рис.1.1. Структурная схема системы управления

 

На схеме обозначено: И_вх – входная информация о том, в каком состоянии должен находиться объект управления; И_ос – информация обратной связи о состоянии объекта управления; И_у – управляющая информация; V – внешнее возмущение (воздействие со стороны внешней среды); U – управляющее воздействие.

Принцип действия. Управляющая структура получает входную информацию и информацию обратной связи, сравнивает их, в результате этого получается управляющая информация, которая поступает в исполнительную структуру. На основе управляющей информации исполнительная структура вырабатывает управляющее воздействие с целью устранения отклонений объекта управления, которые происходят под воздействием внешней среды.

Объектом управления может выступать, например, строительный объект. Тогда управляющей структурой является прораб стройки и исполнительной структурой – рабочие.

Следовательно, для работы системы управления необходима информация. Входная информация сообщает управляющей структуре о множестве возможных состояний объекта управления и о том, в каком состоянии должен находиться объект управления при заданных внешних возмущениях. Входная информация обязательно должна содержать информацию о цели управления, выраженную критерием оптимальности или целевой функцией, так как управление – это процесс целенаправленный  переработки информации и без цели управление бессмысленно.

Различают системы автоматического управления (САУ) – без участия человека, и системы автоматизированного управления – с участием человека. Автоматическое управление обычно осуществляется в простых системах, когда заранее известно описание объекта.

С ростом и усложнением производства объекты управления представляют собой сложные системы и здесь возможно осуществлять только автоматизированное управление. В контур управления включаются компьютер и человек – лицо, принимающее решение (ЛПР). Структурная схема такой системы управления приведена на рис. 1.2.

 

 

Рис. 1.2. Структурная схема автоматизированной системы

управления

 

ЛПР получает информацию И_ос о состоянии объекта управления и вводит ее в компьютер И_вх. Компьютер с помощью соответствующего программного обеспечения (ПО) вырабатывает некоторое множество вариантов управления и выдает их И_вых лицу, принимающему решению. ЛПР анализирует их, принимает решение и в виде управляющей информации И_у передает в исполнительную структуру. ИС вырабатывает соответствующее управление U, которое переводит ОУ в необходимое состояние.

Вопросы для самоконтроля

 

1. Что понимается под теорией систем? – уровень 1

2. Что понимается под системным анализом? – уровень 1

3. Что называется системой, подсистемой и элементом системы? – уровень 2

4. Сформулируйте цель системы. – уровень 1

5. Назовите назначение связей системы и их виды. - уровень 2

6. В чем заключается отличие простой, сложной и большой систем? – уровень 3

7. Назовите основные свойства систем. – уровень 3

8. Какие проблемы можно решить методами системного анализа? – уровень 3

9. Назовите этапы системного анализа. – уровень 3

10. Что представляет собой математическая модель объекта или процесса? – уровень 2

11. В чем заключается основное отличие систем автоматического и автоматизированного управления? – уровень 1

Характеристика вопросов темы 1:

· всего вопросов – 11;

· количество вопросов первого уровня – 4; второго – 3; третьего – 4;

· количество баллов за вопрос:

§ первого уровня – 2;

§ второго уровня – 3;

§ третьего уровня – 4.

Количество баллов за тему 1 - 33.