1.4. Структура систем управления

Структура системы управления имеет исключительно важное значение для эффективного функционирования системы.

Под структурой системы понимается организация системы из отдельных элементов с их взаимосвязями, которые определяются целями системы и распределением функций между ее элементами. Другими словами, это способ, которым части системы связаны между собой в одно целое и подчинены общей задаче.

Под структурой организационной системы понимается форма распределения задач и полномочий между лицами или группами лиц (структурными подразделениями), составляющими систему, направленную на достижение общесистемных целей.

Структуры систем управления можно классифицировать по следующим основным признакам:

• по числу уровней управления – одноуровневые и многоуров­невые, иерархические;

• по принципам управления и подчиненности – централизо­ванные, децентрализованные и смешанные.

В централизованной системе все существенные решения прини­маются центральным органом, осуществляющим функции управ­ления и координации деятельности всех подсистем.

Но централизованная структура управления требует сосредото­чения и переработки в центральном органе огромного объема ин­формации, относящейся к функционированию всей системы и не­обходимой для принятия решения. Может оказаться, что полно­стью централизованный сбор и обработка информации либо техни­чески невозможны, либо приводят к значительному запаздыванию в принятии решения, то есть к принятию решений по устаревшей ин­формации. В обоих случаях это приводит к увеличению неопреде­ленности при принятии решения, а следовательно, к снижению эф­фективности системы управления.

В децентрализованных системах решения принимаются отдельными подсистемами независимо и не корректируются подсистемой более высокого уровня.

В смешанных системах управление выполнением некоторых действий происходит централизованно, а некоторых – децентрализовано.

По выполняемым функциям и целевому назначению различают структуры систем планирования, оперативного управления, формационных систем и др.

По принципу разбиения систем на подсистемы различают структуры систем, в которых элементы объединяются по функциональному или объектному принципу.

Большие организационные системы обычно имеют иерархическую структуру со смешанным управлением.

В иерархических системах трудности, вызванные большим объемом информации и сложностью ее обработки, преодолеваются распараллеливанием процедур обработки информации, то есть разделением системы управления на звенья, каждое из которых работает только с небольшой частью общего объема информации. Для принятия решений в отдельных звеньях необходимо уже иметь значительно меньший объем информации, следовательно, эти решения будут приниматься в условиях значительно меньшей неопределенности. Иерархическая структура управления – это прежде всего разделение функций обработки информации и принятия решений.

Таким образом, иерархическая структура управления приводит к некоторой децентрализации управления, так как отдельные решения получают право самостоятельно принимать решения по тем или иным вопросам.

Наиболее характерными особенностями иерархической структуры являются:

• автономность отдельных подсистем;

• уплотнение (агрегирование) информации при движении вверх по иерархии;

• наличие целей для каждой подсистемы и общесистемных целей;

• взаимовлияние и взаимозависимость подсистем из-за наличия общих ограничений.

С иерархической структурой управления логически связан метод декомпозиции целей (задач).

Управление большими системами требует достижения многих конечных и промежуточных целей, учета многих разнообразных связей и ограничений. В связи с этим находит широкое применение метод декомпозиции, сущность которого заключается в том, что исходная цель разбивается на цели меньшей сложности. Из целей всей системы вытекают цели для звеньев второго уровня. Из целей второго уровня, в свою очередь, вытекают цели третьего уровня и т. д.

Метод последовательного расчленения основных целей позво­ляет построить так называемое дерево целей. Дерево целей строит­ся таким образом, что достижение цели нижестоящего уровня обе­спечивает достижение целей более высокого уровня.

Построение дерева целей обеспечивает согласованность целей для различных подсистем и элементов, входящих в систему. При­чем, если для верхних уровней цели носят общий, иногда (для очень крупных систем) качественный характер, то по мере пони­жения уровня они конкретизируются, доходя до количественно оп­ределяемых характеристик, которые должны быть достигнуты.

Для построения дерева целей необходимы следующие данные: четко определенные цели на всех уровнях; оценки относительной важности целей каждого уровня.

Построение дерева целей рассмотрим на следующем примере.¹ Пусть требуется разработать новый комплекс летательных аппара­тов (ЛА).

Система ЛА (комплекс)

Уровень

1-й

Составные части

Сооружения

ЛА

Наземное оборудование

2-й

Основные элементы

Конструкция

корпуса

Двигательная установка

Система

управления

3-й

Составляющие элементы

Турбонасосный

агрегат

Камера сгорания

Система газогенерации

4-й

Комплектующие элементы

Камера

Сопло

Форсунка

5-й

Рис. 1.1. Агрегатирование по уровням иерархии

Расчленение общей цели на подцели по иерархическим уровням и построение дерева целей видно из рис. 1.1. На рисунке расчленение показано только для одной составной части – ЛА. Аналогичным образом расчленяются цели и для остальных состав­ных частей.

Дерево целей помогает увязать перспективы проблемы с планом работы на текущий период, облегчает разбиение процесса выполнения всей программы на ряд последовательных во времени этапов.

Оценка относительной важности целей на высоких уровнях представляет сложную задачу, ибо, как правило, она трудно формализуема или вообще неформализуема. Цели могут быть определены количественно или качественно. Чтобы оценить их относительную важность или степень их достижения, нужно найти для их общую меру измерения. Если это сделать не удается, задача решается методом экспертных оценок. На нижних уровнях, где цели сводятся к решению конкретных научных или технических задач, они (цели) формализуются и сравнительную оценку можно произвести формальными же методами.

Рассмотрим обобщенную структурную схему автоматизированной системы управления (рис. 1.2). Каналы связи и передачи информации показаны стрелками. Жирными стрелками обозначена командная информация.

В ПЭВМ поступает информация о внешней среде, о состоянии управляемых объектов и с каждого уровня управления. С помощью математического обеспечения ПЭВМ поступившая информация врабатывается и направляется на хранение в информационную базу. Математическое обеспечение АСУ использует эту информа­цию для решения задач управления. С его помощью на ЭВМ осу­ществляется поиск оптимальных решений и выдаются варианты решений на каждый уровень управления. Чем выше уровень мате­матического обеспечения АСУ, тем более сложные задачи управле­ния можно решать с применением ПЭВМ.

К руководителю системы (1-й уровень управления) поступает информация о внешней среде, состоянии управляемых объектов и количественные данные и варианты решений, выработанные ПЭВМ. На основании этих данных, а также целей системы и критериев выбора руководитель принимает решение, которое поступает в ин­станции 2-го уровня управления. Здесь осуществляются функции планирования, организации и управления процессом реализации решения. Разработанные здесь решения передаются на управляе­мые объекты и ПЭВМ.

Цели

системы

Критерии

Руководитель

Математическое обеспечение АСУ

Информация

о внешней

Количественные данные варианты решений

среде

Принятые решения

1-й уровень

ПЭВМ

управления

Промежуточ-

ные

инстанции

2-й уровень

управления

Математическое обеспечение ПЭВМ

Принятые

решения

Информационная база

Управляемые

объекты

3-й уровень

управления

Рис. 1.2. Структура автоматизированной системы управления

Управляемые объекты могут, в свою очередь, состоять из двух подсистем – управляемой и управляющей, причем они могут иметь свои промежуточные уровни и собственные ПЭВМ.

На схеме с целью ее упрощения изображена одна ПЭВМ. Реаль­но же в силу иерархической структуры системы ПЭВМ и другие средства обработки информации могут быть на каждом уровне управления.