Концептуальные понятия при изучении и постановке научных исследований по моделированию процессов управления в системах

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 
К.А. Пупков, Т.Г. Крыжановская 
 
 
КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ПОНЯТИЯ  
ПРИ ИЗУЧЕНИИ И ПОСТАНОВКЕ  
НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ  
ПО МОДЕЛИРОВАНИЮ  
ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ  
В СИСТЕМАХ 
 
 
Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
М о с к в а  
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2 0 1 1  
 

УДК 674.047.45(075.8) 
ББК з32-5я73-5  
 П88 
Рецензенты: В.К. Соковников, Ю.Н. Павлов 
 П88 
 
Пупков К.А. 
  
 
        Концептуальные понятия при изучении и постановке научных исследований по моделированию процессов управления в 
системах : учеб. пособие / К.А. Пупков, Т.Г, Крыжановская. — 
М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. — 87, [1] с. : ил.  
 
В пособии рассмотрены такие общие понятия, как система, информационный процесс, модель, перечислены типы систем и моделей, дано представление о системном моделировании, формировании 
процессов управления в системах, построении моделей и их использовании при исследовании процессов управления, концепции интеллектуальных систем. 
Для студентов старших курсов МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих дисциплины «Моделирование систем» и «Интеллектуальные 
системы управления». Также будет полезным в качестве научного 
инструмента для широкого круга студентов старших курсов, магистров, аспирантов и преподавателей технических университетов. 
 
УДК 674.047.45(075.8) 
ББК з32-5я73-5  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011 
 

 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
Сочетание классической теории и современных методов 
управления при использовании достижений в области нейрофизиологии, микроэлектроники, информационной технологии, теории и техники обработки информации привели к возможности 
создания новых поколений систем управления — интеллектуальных систем. 
В основу концепции таких систем положена теория функциональной системы, описывающая системную приспособительную 
реакцию живого организма. Одной из фундаментальных проблем 
теории интеллектуальных систем является разработка адекватных 
живой природе математических моделей. При этом увеличивается 
многообразие используемых моделей. Самостоятельное значение 
приобретают модели предметных областей, математические схемы 
решения вычислительных задач, модели представления знаний  
и т. д. Совершенствуется процесс машинного моделирования не 
только с использованием больших ЭВМ, но и персональной техники, объединенной сетью связи в информационно-вычислительные системы. 
Все это определяет важность дисциплины «Моделирование 
систем» (и близких к ней дисциплин «Теория моделирования и 
эксплуатация САУ», «Моделирование в технических системах», 
«Интеллектуальные системы»), которая является одной из базовых 
при подготовке инженеров-системотехников по специальности 
220200 «Автоматизированные системы обработки информации и 
управления». В условиях многоступенчатого образования дисциплина «Моделирование систем» применяется также при подготовке 
бакалавров и магистров по направлению 552800 «Информатика и 
вычислительная техника». 
 
3 

 
ПОНЯТИЕ СИСТЕМЫ 
В обиход понятие «система» вошло в начале XX в. Оно является одним из самых общих понятий, поэтому долгое время использовалось лишь в самом общем смысле. Приведем несколько «рабочих» определений системы. 
По-гречески система (systema) — это целое, составленное из 
частей. Британский кибернетик Ст. Бир отмечает, что «любая система состоит из связанных друг с другом частей, а системой можно назвать взаимосвязь различных элементов» [1]. Элементы системы могут быть физическими (механическими, электрическими, 
термодинамическими и т. д.), химическими, биологическими или 
смешанными. В словаре Вебстера «система» определяется как 
«совокупность объектов, объединенных некоторым регулярным 
взаимодействием или некоторой взаимной зависимостью». По определению английского профессора кибернетики и психиатрии 
У.Р. Эшби, «…система может быть определена как некоторый порядок, обусловленный планомерным, правильным расположением 
частей, находящихся в смысловой взаимосвязи» [2]. 
Развитие представлений о взаимосвязи различных отраслей науки, формирование идей кибернетики [2] (науки о системах, формах, 
методах и средствах управления), открытие новых явлений сделали 
необходимым формально строгое определение системы. 
«Система — это целостное множество объектов (элементов), 
связанных взаимными отношениями. Целостность означает, что 
система воспринимается окружающей средой как нечто единое. 
Таким образом, система — это сложное единство, в котором могут 
быть выделены составные части: элементы, связи или отношения 
между элементами и средой» [3]. Связи могут быть информационными и механическими. 
 
4 

Отличительной чертой любой системы является наличие у нее 
входа и выхода. Вход системы может иметь и другие названия: 
причина, воздействие, возмущение, вынуждающая сила и т. д. Выход системы также может иметь другие названия: следствие, эффект, ответ, реакция и т. д. 
Определенное изменение входной величины системы влечет за 
собой некоторое определенное изменение выходной величины. Зависимость выходной величины от входной определяется законом 
поведения системы [4]. В идеальном случае этот закон может быть 
выражен в виде математического уравнения, допускающего общее 
аналитическое решение. В состав уравнения входит некоторое число постоянных (или параметров), характеризующих определенные 
свойства системы. Общая схема системы показана на рис. 1. 
 
 
Выход 
Вход 
(причина) 
(следствие) 
Система 
 
Закон поведения; 
свойства
 
Рис. 1. Общая схема системы 
 
Существуют различные типы систем. К ним могут относиться, 
например, система, представляющая собой совокупность принципов, служащих основанием для какого-либо учения; нервная система как совокупность частей, связанных общей функцией; государственная система как форма общественного устройства и др. 
Как видно из примеров, системы разнообразны, однако они обладают рядом общих свойств [3, 5—7]. 
1. Любая система состоит из элементов. Элемент — это часть 
системы, представляющая собой некоторый объект (материальный, энергетический, информационный), обладающий рядом важных свойств и выполняющий определенную функцию. Каждый 
элемент системы может быть сложным, состоящим из взаимосвязанных частей, а значит, тоже представляет собой систему. Такой 
сложный элемент часто называют подсистемой. (Приведем пример медико-биологической системы и ее элементов [6]. Систему 
восприятия различных звуков можно рассматривать как четыре 
большие подсистемы: речи, музыки, звуковых образов и локализа 
5 

ции звуков. Первая подсистема выделяет смысл слов, вторая подсистема анализирует музыкальные характеристики поступающего 
сигнала, третья ответственна за узнавание знакомых звуков, элементами которой могут быть шум автомобиля, журчание воды, 
тиканье часов, плач ребенка, мяуканье кошки и т. п., четвертая 
подсистема определяет местоположение источника звука.) 
2. Организация системы — это внутренняя упорядоченность и 
согласованность взаимодействия элементов системы. Организация 
системы проявляется, например, в ограничении разнообразия состояний элементов в рамках системы (например, во время лекции 
не играют в волейбол). 
3. Структура системы — это совокупность внутренних устойчивых связей между элементами системы, определяющая ее 
основные свойства. Приведем два примера: 1) в системе с иерархической структурой отдельные элементы образуют соподчиненные уровни, а внутренние связи образованы между этими уровнями; 2) кибернетическая система (определение дадим позже) 
состоит из объектов (физических и абстрактных), объединенных 
сетью причинно-следственных связей. Эту сеть причинноследственных связей будем также называть структурой системы. 
Таким образом, поведение системы будет определяться как свойствами объектов, так и ее структурой. 
4. Система обладает свойством функциональной целостности 
[7]. Целостность (эмерджентность) — это такое свойство системы S, которое принципиально не сводится к сумме свойств элементов, составляющих систему, и не выводится из них: 
m
 
i
i
S
y
1
,
=
≠∑
 
где yi — i-я характеристика системы S; m — общее количество характеристик. 
В то же время свойства каждого элемента зависят от его места 
и функции в системе. 
Главной особенностью каждой системы является ее состояние. 
Под состоянием системы z(t) понимается множество ее существенных свойств, которыми эта система обладает в данный момент времени. Существенные свойства зависят от того, на какой 
 
6 

стадии рассматривается система и от назначения проводимого исследования. 
Среда. Любая система входит в состав большей системы. Эта 
большая система как бы окружает ее и является для данной системы внешней средой (рис. 2). При этом вводится предположение, 
что среда воздействует на систему, вызывая в ней некоторые состояния (свойства) строго определенного рода (например, температура T, °C; скорость υ, м/c, и т. д.). 
 
 
Система
Входные 
переменные 
Выходные 
переменные
X(t) 
Y(t)
Среда 
 
 
Рис. 2. Система и внешняя среда 
 
Отдельные виды таких состояний назовем входами системы 
(входные переменные X(t)). Через входы система воспринимает 
среду, через выходы (выходные переменные Y(t)) посылает действия в среду. Между состояниями входов и выходов системы существует соотношение в виде некоторой абстрактной модели. 
Для эффективной работы системы необходимо учитывать все 
внешние переменные окружающей среды. При этом окружающая 
среда может быть физико-технической, экономической и социальной. 
В работе любых систем различают переходные и установившиеся режимы. Если на входе системы происходит какое-либо 
резкое изменение управляющего воздействия, то выход системы 
перестраивается не сразу, а в течение некоторого конечного промежутка времени (так называемый переходный период); лишь по 
окончании этого периода система переходит в новое установившееся состояние. Наиболее распространенные методы анализа 
системы — исследование переходных процессов и частотный анализ — посвящены соответственно изучению переходных процессов в реакции системы на скачкообразное (или ступенчатое) входное воздействие или изучению установившейся реакции системы 
на синусоидальное входное воздействие. 
 
7 

Перечислим четыре типа задач, связанных с понятием системы [4]. 
1. Известны входная величина, закон поведения и свойства 
системы. Требуется предсказать выходную величину или закон ее 
изменения (прямая задача). Такая задача составляет обычную 
форму дидактического изложения научных фактов, задачи этого 
типа называют анализом систем, их часто приходится решать в 
технике. 
2. Даны закон поведения системы, ее свойства и выходная величина. Нужно определить ее вход (обратная задача). Эта задача 
представляет собой одну из задач диагностики, которая, например, 
может встретиться в медицине. 
3. Известны вход и выход системы, а также общий вид закона 
ее поведения. Требуется определить значения числовых постоянных, определяющих ее свойства. Эта задача представляет собой 
другую разновидность задач диагностики, встречающуюся врачу 
(например, в тех случаях, когда он должен интерпретировать результаты функционального исследования легких). В технике такую задачу называют синтезом, когда нужно выбрать значения 
некоторых параметров системы так, чтобы удовлетворить определенным техническим требованиям. 
4. Известны лишь входная и выходная величины системы. Требуется определить закон поведения и значения определенных параметров этой системы. Такая задача индукции (или «черного 
ящика») является наиболее трудной из всех остальных. 
Таким образом, рассмотрев понятие системы и общие ее свойства, далее опишем типы систем и их особенности. 
ТИПЫ СИСТЕМ 
Системы могут быть разными: живые организмы относятся к 
биологическим системам; цифровые или аналоговые вычислительные машины, программируемые контроллеры — это технические 
системы; системы, в состав которых входят люди, относятся к организационно-управленческим или человеко-машинным системам. 
В наиболее общем плане системы можно разделить на абстрактные и материальные (физические). 
 
8 

Абстрактные системы представляют собой продукт человеческого мышления: знания, теории, гипотезы и т. п. Это системы, 
являющиеся определенными отображениями (моделями) реальных 
объектов. Американский ученый Д. Хорафас пишет: «Первую математическую систему создали древние греки. В то время мир 
впервые стал свидетелем рождения построенной человеком логической системы, которая была развита столь последовательно, что 
каждое из ее суждений было абсолютно бесспорным. С этого времени евклидова геометрия была образом для любой другой системы законов, установленных человеком» [7]. 
Материальные системы представляют собой совокупность реальных систем, к которым относятся объекты природы, процессы 
и явления. Каждый объект природы есть также система, которая 
может изучаться исследователем с применением органов чувств 
или приборов, расширяющих возможности этих органов. Согласно 
работам [8, 9], классификация объектов природы может быть представлена согласно рис. 1. 
Объекты природы, как видно на рис. 3, включают в себя и физические системы. 
 
Объект природы 
Неравновесные 
Равновесные 
Системы, эволюционирующие 
от состояния равновесия 
Системы, эволюционирующие  
от состояния равновесия 
Физические 
Биологические 
Социальные 
 
 
Рис. 3. Классификация объектов природы 
 
9