1. Система, системный подход. Основные определения классификация систем. Системы цифровой cвязи

1.1. Система, системный подход. Основные определения. Классификация систем (Лекция 1)

Система [от греческого слова ] – буквально означает  целое, составленное из частей;  порядок, обусловленный планомерным, правильным расположением частей и их взаимосвязями.

Системный подход к исследованию некоторого объекта заключается в том, что объект рассматривается не изолировано, а как сложное целое, выявляются не только свойства объекта, но и связи его частей, подсистем, их функции, его взаимодействие с окружающей средой, т.е. объект рассматривается как часть более общей системы.

Термин «система» предусматривает, что объект рассматривается иерархично в виде подсистем, связанных между собой определенным образом. Естественные науки наиболее эффективны при изучении явлений, которые поддаются анализу, то есть могут быть разложены на составляющие, расчленены или представлены только через взаимодействие компонентов. Процесс обратный анализу ‑ синтез сложной структуры через соответствующие связи элементов для реализации поставленной цели. Особенность физических систем состоит в том, что процедуры анализа и синтеза наиболее эффективны, если они выполняются не сразу для всей системы, а по частям, этапам.

Простой пример.

Телевизионный приемник (мобильный телефон и т. д.) лучше всего представить как высший уровень объединения усилителей, смесителей, генераторов, фильтров, вентилей, детекторов и т.д.. Каждый из них состоит из интегральных схем, транзисторов, резисторов, конденсаторов и т.д., которые, в свою очередь, изготовлены из разных материалов, которые определяют размеры, форму и взаимное расположение.

Попытка анализа подобного устройства за один приём путем решения уравнений Максвелла для определения электродинамического состояния компонентов, не имеет смысла. Фактические вычислительные затраты, необходимые для решения большой проблемы, обычно выше, если проблема решается сразу целиком, чем если сначала она расчленяется на небольшое число подпроблем, которые решаются при произвольных граничных условиях, а потом уже объединяются в одно целое.

Мы рассмотрели достаточно простую систему. В учебном пособии [1] рассмотрен системный подход к исследованию/проектированию действительно сложных радиотехнических систем и систем связи.

На каждом уровне иерархического процесса анализа/синтеза стараются объединить функциональные описания подсистем и структурную информацию об их взаимосвязи с тем, чтобы получить функциональное описание самой большой системы. Это описание в свою очередь может объединяться с функциональными описаниями других систем и структурной информацией об их взаимосвязях для получения функционального описания еще большей системы и т.д. Таким образом, при изучении и построении технических систем приходится постоянно обращаться как к их функциональным описаниям (например, передаточным функциям), так и структурным (принципиальные или блочные схемы) и т.д.

Уточним некоторые определения. Система:

• система является совокупностью элементов (подсистем). При выполнении определенных условий элементы сами могут рассматриваться как системы, а исследуемая система – как элемент более сложной системы;

• систему нельзя сводить к простой совокупности элементов.

Структура системы: совокупность элементов и связей между ними. Структуру можно представить с помощью графиков, в виде теоретико-множественных описаний, матриц, графов и других языков моделирования структур.

Иерархия – упорядоченность компонентов по мере их важности. Между уровнями иерархичной структуры могут существовать взаимосвязи строгой подчиненности компонентов (узлов) уровня, который ниже, одному из компонентов более высокого уровня.

Понятие «взаимосвязь» входит в любое определение системы наряду с понятием «элемент» и обеспечивает возникновение и сохранение структуры и целостных свойств системы. Это понятие характеризует одновременно и структуру (статику), и функционирование (динамику) системы. Взаимосвязь характеризуется направлением, силой и характером. Первые две особенности взаимосвязи можно разделить на направленные и ненаправленные, сильные и слабые, а по характеру – на связи по подчиненности, генетические, равноправные, связи управления. Важную роль в системах играет понятие «обратная связь». Обратная связь является основой саморегулирования, адаптации (приспособлении систем к условиям функционирования при изменении этих условий).

Состояние системы – это совокупность значений ее показателей.

Движение (поведение) системы – это процесс перехода системы из одного состояния в другое, из него в следующее и так далее. Если переход системы из одного состояния в другое происходит без прохождения каких-либо промежуточных состояний, то система называется дискретной. Если при переходе между какими-нибудь двумя состояниями система обязательно проходит через промежуточное состояние, то она называется динамической (непрерывной).

Различают следующие режимы движения системы:

• равновесный, когда система находится все время в одном и том же состоянии;

• периодический, когда система через равные промежутки времени проходит одни и те же состояния;

• переходный режим – движение системы между двумя интервалами времени, в каждом из которых система находилась в стационарном режиме;

 апериодический режим – система проходит некоторое множество состояний, однако закономерность прохождения этих состояний сложнее, чем периодическое, например, изменяющийся период;

Если система находится в равновесном или периодическом режиме, то говорят, что она находится в стационарном режиме.

Методология системного подхода

Системный подход – это направление комплексного исследования объекта, в отличие от традиционного подхода. Системный подход как новая методология науки и практики является синтетическим объединением методов, сложившихся на основе принципа дополнения, присоединения. В то же время он является качественно новым подходом в изучении, проектировании и синтезе систем.

Методология системного подхода при решении задач анализа систем сводится к тому, что исследование объекта направлено на раскрытие его интеграционных качеств, на выявление разнообразных связей и механизмов, которые обеспечивают эти качества.

Методология системного подхода при решении задач проектирования и синтеза систем заключается в следующем. Задача (проблема) проектирования системы расчленяется на подзадачи проектирования ее элементов. Причем, каждый из элементов должен рассматриваться не сам по себе, а во взаимодействии с другими элементами. Решение подзадач должно проводиться при условии обеспечения интегральных качеств функционирования всей системы. Для выполнения этого требования необходим единый идеологический и организационный планы проектирования, связывающие все этапы в целом, начиная от исследовательской проработки до изготовления и эксплуатации. Основные требования, предъявляемые к методике проектирования – системность и оптимальность, использование моделирования (как правило, имитационного) и вычислительной техники. Обычно решение задачи проектирования на современном уровне развития науки и вычислительной техники чаще всего осуществляется как многократное решение задачи анализа множества вариантов проекта системы.

Суть системного подхода можно более четко описать с помощью формализированной структуры, которая может быть применена на практике при решении задачи анализа, синтеза и проектирования:

.

Здесь: – совокупность методологических требований системного подхода;

– формулировка цели проектирования, синтеза системы или ее выявления при решении задачи анализа;

– определение интеграционных качеств системы как целое и (или) методов их установления;

– расчленение системы на множество ее составных подсистем;

– установление цели функционирования, свойств каждой подсистемы и изучение образования механизма обеспечения цели системы как целого и ее интеграционных свойств;

– анализ структуры (организации) системы, изучения ее влияния на интеграционные качества системы в целом;

- определение уровня иерархии данной системы и ее подсистем в иерархической структуре систем, куда входит данная система;

– влияние свойств ( ) системы на другие системы, а также выявление отношений ( ) связей (a) данной системы и ее подсистем с другими системами (внешней средой);

– изучение влияния внешней среды на систему;

– анализ процесса функционирования системы, в том числе, ее развитию;

– анализ информационных потоков, которые циркулируют в системе и поступают извне с целью управления ею;