Проектирование сложных систем управления

ПРОЕКТИРОВАНИЕ 

СЛОЖНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 

 
 
 

Учебное пособие 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Йошкар-Ола 

ПГТУ 
2015 

УДК 681.51 
ББК  32.965 

П 79 

 
Авторы: Д. О. Глухов, Н. В. Белова, Б. Ф. Лаврентьев, И. В. Рябов 
 

Рецензенты: 

доктор технических наук, профессор Поволжского государственного 

технологического университета Н. М. Скулкин; 

исполняющий обязанности заведующего кафедрой МИиИБ  

АНО ВО «Межрегиональный открытый социальный институт»  

кандидат педагогических наук, доцент П. В. Никитин 

 
 
 

Печатается по решению 

редакционно-издательского совета ПГТУ 

 
 
 
 

Проектирование сложных систем управления: учебное по
собие / Д. О. Глухов, Н. В. Белова, Б. Ф. Лаврентьев, И. В. Рябов. – 
Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2015. – 100 с. 
ISBN 978-5-8158-1607-7 

 

В пособии рассмотрены вопросы исследования и проектирования систем 

управления, имеющих сложную структуру. Функционирование таких систем проанализировано с точки зрения передачи, приема и преобразования информации 
между подсистемами. Предложены методы и инструментальные средства проектирования сложных систем. 

Для студентов, обучающихся по направлениям бакалавриата 27.03.04, 11.03.03, 

11.03.04 и магистратуры 11.04.03, 27.04.04, 11.04.04, а также смежных профилей 
подготовки РТФ. 

 

УДК 681.51 
ББК 32.965 

 
ISBN 978-5-8158-1607-7  
© Глухов Д. О., Белова Н. В.,  

 
Лаврентьев Б. Ф., Рябов И. В., 2015  
© Поволжский государственный 
технологический университет, 2015 

П 79

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 

Предисловие ............................................................................................ 5 
 
Введение .................................................................................................. 6 
 
Перечень сокращений ............................................................................ 7 
 
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СЛОЖНЫХ СИСТЕМАХ ........................ 8 

1.1. Определение сложной системы ................................................ 8 
1.2. Особенности сложных систем ................................................. 13 
Контрольные вопросы .................................................................... 21 

 
2. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ ............. 22 

2.1. Технология проектирования сложных систем ....................... 22 
2.2. Принципы проектирования сложных объектов ..................... 25 
2.3. Обобщенная процедура проектирования сложных систем .. 31 
2.4. Жизненный цикл сложных систем ......................................... 34 
Контрольные вопросы .................................................................... 38 

 
3. ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО 
МОДЕЛИРОВАНИЯ  СЛОЖНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ....... 39 

3.1. Требования к математическим моделям                                             
и их классификация ......................................................................... 39 
3.2. Функциональные и структурные модели ............................... 42 
3.3. Методика получения математических моделей элементов .. 46 
3.6. Общие сведения о математических моделях РЭС ................. 48 
3.7. Общая характеристика задач автоматизации 
конструкторского проектирования РЭС ....................................... 54 
3.8. Математические модели монтажно-коммутационного 
пространства .................................................................................... 61 
3.9. Математические модели аналоговой РЭА ............................. 67 
3.10. Математические модели логических схем                      
цифровой РЭА ................................................................................. 68 
Контрольные вопросы .................................................................... 70 

4. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ                                                   
В ПРОЕКТИРОВАНИИ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ... 71 

4.1. Задачи, решаемые с использованием ЭВМ ............................ 71 
4.2. Оптимизация проектных решений средствами САПР .......... 74 
4.3. Средства автоматизации при разработке программного 
обеспечения сложных систем управления .................................... 81 

4.3.1. Классификация CASE-средств ..................................... 81 
4.3.2. Характеристики CASE-средств .................................... 84 

Контрольные вопросы .................................................................... 97 

 
Список литературы ............................................................................... 97 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 

В учебном пособии «Проектирование сложных систем управле
ния» изложены основные концепции разработки сложных систем 
управления. 

Основной задачей учебного пособия является систематизация и 

структурирование знаний в форме, удобной для изучения студентами бакалавриата, а также магистратуры разных направлений. 

Учебное пособие предназначено для обучающихся по направ
лениям: 27.03.04 – «Управление в технических системах», 11.03.03 –
«Конструирование и технология электронных средств», 11.03.04 – 
«Электроника и наноэлектроника»; по направлениям магистратуры: 
11.04.03 – «Конструирование и технология электронных средств», 
27.04.04 – «Управление 
в 
технических 
системах», 
11.04.04 – 

«Электроника и наноэлектроника», а также для студентов смежных 
профилей подготовки, изучающих сложные системы управления. 

Учебное пособие представлено четырьмя разделами. Общие 

сведения о сложных системах, основные термины и понятия, изучаемые в рамках дисциплины, приведены в первом разделе. 

Во втором разделе читатель знакомится с основами проектиро
вания сложных систем: с концепцией проектирования сложных систем, процедурой проектирования, а также с описанием типового 
жизненного цикла сложных систем. 

Концепции математического моделирования сложных систем 

управления, методика получения математических моделей, описывающих анализируемые сложные системы радиоэлектронных средств, 
представлены в третьем разделе. 

В заключительном разделе приводится описание современных 

информационных технологий, используемых при проектировании 
сложных систем управления.  

Каждый раздел имеет контрольные вопросы для самопроверки 

студентами полученных знаний. 

 

ВВЕДЕНИЕ 

 
Единого, общепринятого определения понятия «система» не 

существует. Системой обычно называют множество элементов, 
находящихся в отношениях и связях друг с другом, которые образуют определѐнную целостность, единство [1]. Дополним данное 
определение уточнением, что такое единство позволяет решать 
определенные задачи. Существует также философский аспект образования системы как результат перехода количества входящих в неѐ 
элементов в новое качество. 

Сложная система – система, состоящая из множества взаимо
действующих составляющих (подсистем), вследствие чего сложная 
система приобретает новые свойства. Таким образом, если в системе 
можно выделить ряд входящих в неѐ составляющих (подсистем), еѐ 
можно назвать сложной. Заметим, что в соответствии с этим подходом практически любая техническая система может считаться сложной. 

С понятием системы тесно связано понятие информации. Ха
рактерно, что единого определения понятия «информация» как 
научного термина в настоящее время также не существует. Сложность данных понятий раскрывается через известные уже студентам 
определения энтропии, сигнала, иерархии, декомпозиции. Приведены примеры из области функционирования сложных технических, 
информационных и экономических систем, способствующие лучшему пониманию изложенного в пособии материала. 

В учебном пособии детально рассматриваются вопросы, по
свящѐнные проектированию сложных систем, методологии их разработки, включая использование современных программно-технологических средств. 

 

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ 

 
АСУТП – автоматизированная система управления техническим 

процессом 

АУ – алгебраические уравнения 
БД – база данных 
БИС – большая интегральная схема 
ДРП – дискреты рабочего поля  
ДУЧП – дифференциальные уравнения с частными производ
ными 

ЕСКД – единая система конструкторской документации 
ЕСПД – единая система программной документации 
ЕСПТ – единая система проектной документации 
ЕСТД – единая система технологической документации 
ЖЦ – жизненный цикл 
ИС – информационная система 
ЛАУ – линейные алгебраические уравнения 
ЛПР – лицо, принимающее решение 
МКП – монтажно-коммутационное пространство 
ММ – математическая модель 
ММС – математические модели систем 
ММЭ – математическая модель элементов 
ОА – область адекватности 
ОДУ – обыкновенные дифференциальные уравнения 
ОУ – объект управления 
РЭА – радиоэлектронная аппаратура 
САПР – система автоматизированного проектирования 
СС – система связи 
СУ – система управления 
СУБД – система управления базами данных 
ТЗ – техническое задание 
УС – управляющая система 
ЧПУ – числовое программное управление 
ЭВМ – электронно-вычислительная машина 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СЛОЖНЫХ СИСТЕМАХ

 
 

1.1. Определение сложной системы 

 

В начале рассмотрения темы необходимо дать определение по
нятию «система».  

Система – это совокупность взаимосвязанных элементов, 

обособленная от среды и взаимодействующая с ней как единое целое. 

Можно также дать и обобщенное определение: система – это 

конечное множество функциональных элементов и отношений между ними, выделяемое из среды в соответствии с определенной целью 
в рамках определенного временного интервала. 

Элемент системы – некоторый объект, обладающий рядом 

важных свойств и реализующий в системе определенный закон 
функционирования, причем внутренняя структура данного объекта 
не рассматривается. 

Подсистема – это относительно независимая часть системы, ко
торая обладает всеми свойствами системы и, в частности, имеет 
свою подцель, на достижение которой эта подсистема и ориентирована. 

Если же части системы не обладают свойствами системы, а 

представляют собой просто совокупности однородных элементов, то 
такие части принято называть компонентами. 

Под свойством понимают сторону объекта, обуславливающую 

его отличие от других объектов или сходство с ними и управляющуюся при взаимодействии с другими объектами. 

Под управлением в самом общем виде будем понимать процесс 

формирования целенаправленного поведения системы посредством 
информационных воздействий, вырабатываемых человеком или 
устройством [2]. 

Система с управлением включает три подсистемы: управляю
щую систему (УС), объект управления (ОУ) и систему связи (СС). 

Управляющая система и система связи образуют систему управления (СУ). Основным элементом организационно-технической системы управления является лицо, принимающее решение (ЛПР). 

Основными группами функций СУ являются [2]: 
1. Функции принятия решений. Эти функции выражаются в со
здании новой информации в ходе анализа, планирования и оперативного управления. Это связано с преобразованием информации о 
состоянии ОУ и внешней среды в управляющую информацию при 
решении задач и выполнении аналитических расчетов, проводимых 
ЛПР при порождении и выборе альтернатив. Эта группа функций 
является главной, поскольку обеспечивает выработку информационных воздействий по удержанию в существующем положении или 
при переводе системы в новое состояние. 

2. Функции обработки информации. Они охватывают учет, кон
троль, хранение, поиск, отображение, копирование информации. Эта 
группа функций по обработке информации не изменяет смысл самой 
информации (рутинные функции). 

3. Функции обмена информацией. Эта группа функций связана с 

доведением выработанных воздействий ЛПР до ОУ. 

Различают малые и большие (сложные) системы. Многообразие 

определений большой системы представляется формулировкой о том, 
что система, описание которой не сводится к описанию одного ее 
элемента с указанием общего числа таких элементов, называется 
большой (или сложной) системой [3]. Большинство народнохозяйственных объектов являются носителями особенностей одновременно 
и малых, и больших систем. В зависимости от степени детализации 
состава объекта, вплоть до представлений об элементах, и глубины 
исследования закономерностей их функционирования особенности 
изменяются в сторону характерных черт либо больших, либо малых 
систем. Поэтому при организации управляющих процессов должны 
быть согласованы структура объекта управления и функции управляющей системы, а при организации процессов моделирования должны 
существовать различные возможности представления управляющего 
устройства адекватно структурам объекта управления [4]. 

Существуют различные взгляды на определение характеристик 

больших (сложных) систем [5]. Задачи управления большими 
системами отличаются по своему описанию от задач управления 
малыми системами:  

1. Их описание, как правило, проводится на естественном языке. 

На этом языке выражают исходные данные и формулируют цели 
и критерии. Вследствие этого задача управления приобретает нечеткость и расплывчатость.  

2. Модели объекта управления имеют открытый характер. Они 

формулируются в процессе решения задачи. В процессе решения 
могут изменяться структура, цели и критерии.  

В последнее время получило развитие инфографическое 

направление по исследованию функциональных систем [6], которое 
предлагает, с одной стороны, несколько более системно ориентированную, а с другой – более прикладную трактовку сложности системы и еѐ особенностей.  

Сложная система. Обычно объектом называют все то, что про
тивостоит субъекту (человеку) в его предметно-практической 
и познавательной деятельности. Несмотря на это в настоящее время 
различают инженерные и интеллектуальные объекты.  

К инженерным объектам относят объекты, процессам функци
онирования которых присущи количественные и качественные 
оценки, включая наблюдение, фиксацию и измерение различных 
вещественно-энергетических характеристик (так называемых физических параметров).  

К интеллектуальным объектам относят людей и разнообразные 

отношения, характерные процессу их деятельности (в том числе и 
реализации отношений соподчинения), в единстве с участниками 
этой деятельности.  

Сложная система – это материальное ВЭО-образование (объек
тивная реальность), в состав которого могут входить инженерные 
или интеллектуальные объекты, взаимодействующие со средой, и 
жизнедеятельность которого в этой локально организованной среде