Реальных условий их применения

Основные особенности моделирования систем с учетом

реальных условий их применения

Моделирование - универсальный метод научных исследований и инженерной деятельности. "В науке по ее существу всегда приходится иметь дело с моделями. Вне их конкретных классов бессмысленно говорить об основных понятиях теории и закономерностях природы" [34].

Наиболее распространенное в технической литературе определение понятия модели выглядит следующим образом.

Модель - это искусственный объект или система, обладающая основными свойствами, присущими исследуемому объекту или системе, но более доступная или удобная для исследования.

Это определение отражает традиционное представление о модели, как инструменте исследования, имеющем, как правило, иную физическую природу по сравнению с объектом моделирования. Так модель летательного аппарата может быть получена в виде системы уравнений, модель погоды - в виде программы для ЦВМ, модель следящего привода - в виде схемы набора на АВМ, модель корабля - в виде чертежей или макета из дерева. Однако с точки зрения современной теории систем "искусственность" модели не следует трактовать буквально. Поэтому более точным и полезным для практики представляется определение, принятое в философии [27]:

Модель - это способ существования знаний.

Таким образом, "модель" - чрезвычайно широкое понятие, охватывающее огромный набор материальных и интеллектуальных объектов. Так например, уравнение закона упругости является моделью процессов взаимодействия молекул и атомов деформируемого тела, данное учебное пособие представляет собой модель теории моделирования, а конспект лекций - окажется моделью курса "Моделирование систем управления". Испытания реальной системы в реальных условиях, строго говоря, являются процессом моделирования будущей работы системы в широком диапазоне условий эксплуатации.

На всех этапах создания систем управления используются разнообразные по форме и сложности модели, соответствующие широкому перечню решаемых задач.

На ранних стадиях проектирования при решении задач определения состава и структуры системы, прогнозирования ее эксплуатационных характеристик и значений показателей эффективности используются преимущественно математические модели. Техническое задание на создаваемую систему является моделью согласованного между разработчиком и заказчиком облика системы.

Далее на различных этапах проектирования используются модели в виде расчетных схем, чертежей, макетов и др.

После изготовления опытного образца появляется возможность проверки работоспособности системы, соответствия ее реальных характеристик расчетным, уточнения использованных математических моделей и оценок показателей качества системы. Вообще задача оценки показателей качества системы чаще всего требует совместного использования нескольких моделей - от натурных до математических - и согласованной обработки получаемых результатов.

Таким образом, любой процесс проектирования или исследования системы управления основан на применении моделей. При этом качество получаемых результатов определяется степенью соответствия между оригиналом и моделью с учетом цели исследования и условий работы исследуемой системы. Однако универсальных, однозначных правил построения моделей не существует. Выбор модели всегда является некоторым компромиссом, причем субъективный фактор играет здесь существенную роль.

Остановимся подробнее на основных особенностях реальных условий функционирования систем управления, определяющих сложность и неоднозначность проблемы построения моделей.

Вполне очевидно, что любую реальную систему нельзя считать изолированной, не подверженной влиянию внешней среды. Взаимодействие с внешней средой вызывает отклонения в поведении и характеристиках системы.

Из теории управления известна удобная форма описания влияния внешней среды на систему - некоторый набор возмущающих воздействий. Однако в ряде случаев использовать такой прием не удается. Например, если необходимо учесть влияние внешней среды на параметры элементов системы или "технологический разброс" значений конструктивных параметров, неизбежный при изготовлении реальных элементов. В таких случаях приходится решать вопрос о выборе новой математической схемы описания системы.

Влияние внешней среды на функционирование системы не является односторонним. Иногда вследствие работы системы или даже самого ее существования существенно изменяются характеристики внешней среды и соответственно ее воздействие на систему. Возникает замкнутый цикл взаимодействия по принципу обратной связи. В полной мере учесть этот эффект удается при условии существенного расширения модели системы за счет дополнения ее элементами внешней среды.

Разнообразие реальных условий применения системы определяет невозможность получения каких-либо всеобъемлющих показателей ее качества. Предусмотреть все варианты условий применения системы и учесть их при проектировании, как правило, не удается. Разнообразие внешней среды, в свою очередь, проявляется в различных формах.

Нестационарность, то есть изменение характеристик условий применения системы с течением времени, прежде всего, может проявляться как существенная нестационарность параметров внешних воздействий. Это обстоятельство учитывается при построении модели за счет выбора соответствующего математического аппарата.

С другой стороны, может иметь место существенное изменение условий применения системы, вызываемое естественными (общий технический прогресс, изменение природных условий) или искусственными (совершенствование взаимодействующих с исследуемой или противодействующих ей систем) причинами. Вследствие этого по истечении некоторого периода времени в процессе эксплуатации системы значения ее показателей качества изменяются. Этот эффект чаще всего проявляется в смысле ухудшения показателей качества системы и обозначается термином "моральное старение".

Безусловно, наиболее важной особенностью реальных условий является их случайность, или стохастичность. Стохастический подход приходится использовать практически во всех моделях систем, учитывающих реальные условия применения.

Свойство случайности состоит в том, что значения некоторых параметров самой системы или внешней среды или характер их изменения для конкретного опыта или конкретного момента времени непредсказуемы. Однако в условиях многократного повторения таких опытов или на продолжительном интервале времени проявляется некоторая закономерность. Эта закономерность может быть определена (аналитическими преобразованиями, обработкой статистических данных или на основе экспертных оценок) и формализована в виде закона распределения или набора средних статистических характеристик.

Стохастические модели позволяют получать усредненные значения показателей качества системы. При дальнейшем использовании таких показателей необходимо иметь в виду, что их значения и достоверность зависят не только от корректности модели системы, но и от учтенных в процессе моделирования сведений о статистических характеристиках случайных параметров. Кроме того, даже достоверные средние значения показателей качества могут существенно отличаться от истинных значений этих показателей в конкретной ситуации применения системы.

Наиболее серьезные проблемы при построении модели и планировании программы исследований возникают в случае необходимости учета неопределенности условий применения системы. Это наиболее общий случай отсутствия сведений о их характеристиках, когда неизвестны не только конкретные значения, но и какие-либо закономерности, средние значения или законы распределения. В частных случаях могут быть установлены лишь диапазоны возможных значений параметров внешней среды.

Проблема учета неопределенности решается различными способами, в том числе путем перехода к детерминированной или стохастической модели, в зависимости от особенностей задачи, для решения которой создается модель.

В заключение следует отметить, что для любой системы реальные условия применения характеризуются всей совокупностью перечисленных свойств. Вопрос о необходимости учета той или иной особенности внешней среды должен решаться индивидуально с учетом цели моделирования, требований к точности и достоверности результатов, располагаемых средств.

Дата добавления: 2015-11-04