Исследование систем управления

Содержание:

1. Сущность и принципы  моделирования…………….…………………………3

2. Понятие модели и  их классификация…………………………………………6

3. Этапы построения  моделей…………………………………………………..10

Список используемой литературы………………………………………….….15

 

1. Сущность  и принципы  моделирования

Моделирование — многофункциональное  исследование, применяющееся для  определения или уточнения характеристик  существующих или вновь конструируемых объектов. Его основной научной задачей  является воспроизводство модели на основании ее сходства с существующим объектом. Модель должна иметь сходство с оригиналом, но не быть его полным аналогом (это основное условие), так как в этом случае моделирование теряет смысл. Основное отличие модели от оригинала — способность к гибкому прогнозному изменению, не влияющему на исходные данные модели. Социальная модель может представлять собой математическое уравнение, графическое отображение различных факторов, таблицы взаимозависимых признаков (событий, явлений) и т.д. В отличие от физической социальная модель не копирует изучаемый объект или явление, а преобразует значения одних признаков социального, явления или процесса, выбранных в качестве независимых, в значения других признаков, выбранных в качестве зависимых. Информационное значение социальной модели можно оценивать по степени точности отображения (прогнозирования) изменений изучаемых социальных процессов и явлений (зависимые признаки) при новых значениях независимых признаков (объективных условий).

Необходимо учитывать, что моделирование всегда применяется  вместе с другими общенаучными и специальными методами, на основе междисциплинарного подхода, особенно когда оно используется для исследования глобальных проблем, отличающихся многоплановостью, т.е. охватывающих, по существу, всю жизнедеятельность человека. Моделирование в таких случаях является многомодельным построением. Оно сохраняет свои сущностные характеристики при моделировании и более «узких» проблем социальной сферы: демографической ситуации в условиях рыночных отношений (в отдельных конкретных регионах); динамики занятости; состояния образования, здравоохранения, сферы услуг, рынка жилья и т.д. — так как эти проблемы, в сущности, представляют собой сложные социальные компоненты.

Особая сложность моделирования  социальных процессов в том, что  значительная их часть не укладывается в рамки ранее разработанных схем и требует теоретического осмысления в соответствии с существующей социальной действительностью.

Цель моделирования  — воспроизвести данные, оценивающие  натуральные нагрузки, ход работы объекта, а также исследовать его внутренние процессы. Потребность в моделировании возникает в том случае, когда исследование непосредственно самого объекта невозможно, затруднительно, слишком дорого или требует слишком длительного времени —   это как раз и относится к социальным объектам, представленным отдельными людьми, социальными группами, обществом в целом.

Моделирование имеет  богатую историю во всех инженерных дисциплинах. Длительный опыт его использования  позволил сформулировать четыре основных принципа.

Во-первых, выбор модели оказывает определяющее влияние на подход к решению проблемы и на то, как будет выглядеть это решение. Иначе говоря, подходите к выбору модели вдумчиво. Правильно выбранная модель высветит самые коварные проблемы разработки и позволит проникнуть в самую суть задачи, что при ином подходе было бы попросту невозможно. Неправильная модель заведет вас в тупик, поскольку внимание будет заостряться на несущественных вопросах.

Второй принцип формулируется  так: каждая модель может быть воплощена с разной степенью абстракции.

При строительстве небоскреба может возникнуть необходимость  показать его с высоты птичьего полета, например, чтобы с проектом могли  ознакомиться инвесторы. В других случаях, наоборот, требуется самое детальное  описание - допустим, чтобы показать какой-нибудь сложный изгиб трубы или необычный элемент конструкции.

Третий принцип: лучшие модели - те, что ближе к реальности.

Физическая модель здания, которая ведет себя не так, как  изготовленная из реальных материалов, имеет лишь ограниченную ценность. Математическая модель самолета, для которой предполагаются идеальные условия работы и безупречная сборка, может и не обладать некоторыми характеристиками, присущими настоящему изделию, что в ряде случаев приводит к фатальным последствиям. Лучше всего, если ваши модели будут во всем соотноситься с реальностью, а там, где связь ослабевает, должно быть понятно, в чем заключается различие и что из этого следует. Поскольку модель всегда упрощает реальность, задача в том, чтобы это упрощение не повлекло за собой какие-либо существенные потери.

Четвертый принцип заключается  в том, что нельзя ограничиваться созданием только одной модели.Наилучший подход при разработке любой нетривиальной системы - использовать совокупность нескольких моделей, почти независимых друг от друга.

Если вы конструируете  здание, то никакой отдельный комплект чертежей не поможет вам прояснить  до конца все детали. Понадобятся, как минимум, поэтажные планы, виды в разрезе, схемы электропроводки, центрального отопления и водопровода.

Ключевым определением здесь является "почти независимые". В данном контексте оно означает, что модели могут создаваться  и изучаться по отдельности, но вместе с тем остаются взаимосвязанными. Например, можно изучать только схемы  электропроводки проектируемого здания, но при этом наложить их на поэтажный план пола и даже рассмотреть совместно с прокладкой труб на схеме водоснабжения.

 

2. Понятие модели и  их классификация

Модель – это материальная или идеальная система, которая  в определенных условиях может заменить объект-оригинал и служит для получения информации об объекте-оригинале и (или) других объектах, с ним связанных.

Уточняя определение, сформулируем следующие  важные положения:

- модель – идеальный или материальный  объект;

- модель – отображение или воспроизводство объекта-оригинала;

- модель - источник получения информации.

Можно перечислить характерные  случаи, в которых требуется модель (как в научно-исследовательской, так и в производственной деятельности):

- когда объект-оригинал есть  сложная система, непосредственное изучение которой затруднено, невозможно или экономически невыгодно;

- когда непосредственное экспериментирование с объектом-оригиналом может оказать разрушительное воздействие на него или другие объекты, с ним связанные;

- когда необходимо спрогнозировать возможное состояние или поведение объекта в будущем;

- когда необходимо разработать  варианты и выбрать оптимальное  решения, связанное с функционированием  объекта-оригинала;

- когда объект-оригинал еще не  существует в материальном виде, однако уже на этапе проектирования требуется представить информацию об этом объекте, оценить эффективность выбранных методов и средств его разработки;

- когда в практической деятельности  необходимо упрощенное представление  информации об объекте оригинале с целью информационного обеспечения людей, работающих с ним;

- при обучении работе с моделируемой  системой, в играх и т.п.

Термин моделирование означает исследование объектов с помощью  их моделей. В более широком смысле слова моделирование понимается как процесс, включающий в себя не только исследование, но и разработку модели.

Экспериментальное исследование реальных объектов на их моделях называется модельным экспериментом. В модельном  эксперименте модель выступает одновременно и средством, и объектом исследования. При этом модель может применяться как для замещения самого объекта, так и быть замещением некоторых внешних условий и (или) систем, связанных с исследуемым объектом в реальном мире.

Чтобы выполнять свои функции, модель должна удовлетворять двум основным требованиям: быть достаточно простой, чтобы в отличие от оригинала ее можно было исследовать, экспериментировать с ней; быть подобной объекту-оригиналу, с необходимой полнотой воспроизводить его свойства.

По средствам построения моделей  они делятся на следующие обобщенные классы. Материальные (предметные) модели являются моделями, которые воплощены в каких-то материальных объектах, имеющих искусственное или естественное происхождение. Среди них выделяют физические модели, которые представляют собой объекты той же природы, что и объекты-оригиналы. Этот вид моделей широко используется в технике при испытании и эксплуатации каких либо образцов.

В предметно-математических моделях не ставится задача воспроизвести физическое подобие с объектом-оригиналом. Главным здесь является воспроизведение закономерностей протекания процессов. Таким образом, предметно-математические модели обладают такими характерными чертами:

- они воплощаются в предмете (материальны);

- процессы, протекающие в таких  моделях, отличны по природе  от процессов в объекте-оригинале;

- процессы в модели  и объекте-оригинале подчиняются  одним и тем же закономерностям.   
Рис. 1.2. Обобщенная классификация моделей по средствам построения.

Среди предметно-математических можно выделить такие виды моделей  как:

- компьютерная (машинная) модель, в которой основой для  моделирования процессов являются  математические выражения, описывающие  зависимости между их параметрами.  Эти модели есть, по существу, компьютерными реализациями знаковых  математических моделей (см. ниже);

- полунатурная модель, в которой наряду с ЭВМ используются  отдельные блоки реальных систем, функционирующие под управлением  людей или самой ЭВМ;

- модель–аналог, когда  одна реальная система используется  для моделирования другой системы,  отличной по своей природе от первой.

В классе идеальных моделей  выделяют мысленные (существующие в  виде мысленных образов) и знаковые модели. Последние объединяет в себе довольно разнообразные модели, отличающиеся прежде всего по степени формализации действительности. Можно выделить следующие основные виды знаковых моделей:

• описательные модели (алгоритмы, программы, тексто-графические,
• описания и т.п.);
• схематические модели (различные блок-схемы, диаграммы и т.п.);
• графоаналитические модели (построенные с помощью инструментариев различных сетей, графов);
• математические (говорят еще - логико-математические) модели.
 

• 3. Этапы построения моделей

Моделирование — творческий процесс и поэтому заключить его в формальные рамки очень трудно. В наиболее общем виде его можно представить этапами, как изображено на рисунке:

Этап 1. Постановка задачи.

Под задачей понимается некая проблема, которую надо решить. На этапе постановки задачи необходимо:

1. описать задачу,
2. определить цели моделирования,
3. проанализировать объект или процесс.

Описание задачи. Задача формулируется на обычном языке, и описание должно быть понятным. Главное здесь — определить объект моделирования и понять, что должен представлять собой результат.

Цели моделирования.

1. Познание окружающего мира. Зачем человек создает модели? Чтобы ответить на этот вопрос, надо заглянуть в далекое прошлое. Несколько миллионов лет назад, на заре человечества, первобытные люди изучали окружающую природу, чтобы научиться противостоять природным стихиям, пользоваться природными благами, просто выживать. Накопленные знания передавались из поколения в поколение устно, позже письменно, наконец с помощью предметных моделей.
2. Создание объектов с заданными свойствами (задача типа «Как сделать, чтобы...»). Накопив достаточно знаний, человек задал себе вопрос: «Нельзя ли создать объект с заданными свойствами и возможностями, чтобы противодействовать стихиям или ставить себе на службу природные явления?» Человек стал строить модели еще не существующих объектов. Так родились идеи создания ветряных мельниц, различных механизмов, даже обыкновенного зонтика. Многие из этих моделей стали в настоящее время реальностью. Это объекты, созданные руками человека.
3. Определение последствий воздействия на объект и принятие правильного решения (задача типа «Что будет, если...»: что будет, если увеличить плату за проезд в транспорте, или что произойдет, если закопать ядерные отходы в такой-то местности?) Например, для спасения Петербурга от постоянных наводнений, приносящих огромный ущерб, решено было возвести дамбу. При ее проектировании было построено множество моделей, в том числе и натурных, именно для того, чтобы предсказать последствия вмешательства в природу.
4. Эффективность управления объектом (или процессом). Поскольку критерии управления бывают весьма противоречивыми, то эффективным оно окажется только при условии, если будут «и волки сыты, и овцы целы». Например, нужно наладить питание в школьной столовой. С одной стороны, оно должно отвечать возрастным требованиям (калорийное, содержащее витамины и минеральные соли), с другой — нравиться большинству ребят и к тому же быть «по карману» родителям, а с третьей — технология приготовления должна соответствовать возможностям школьных столовых. Как совместить несовместимое? Построение модели поможет найти приемлемое решение.