Основные принципы системного анализа

Современный подход к решению технологических задач основан на принципах системного анализа. Согласно этим принципам тех­нологический процесс рассматривается как сложная система, со­стоящая из элементов различных уровней детализации, начиная от молекулярной и кончая отдельным процессом.

Сущность системы невозможно понять, рассматривая только свойства отдельных элементов; для нее еще существен как способ взаимодействия элементов между собой, так и взаимодействие эле­ментов или системы в целом с окружающей средой. Анализ элемен­тарных процессов, производимый порознь, не дает еще возможности судить о какой-либо стадии технологического процесса в целом, точ­но так же, как и анализ отдельных стадий процесса без выявления взаимосвязи между ними и с окружающей средой, не дает возмож­ности судить о всем технологическом процессе.

При анализе технологического производства (цеха, завода, ком­бината) принято выделять несколько уровней иерархии, между ко­торыми существуют отношения соподчиненности. На первом уров­не находятся элементарные процессы технологии (химические, массообменные, тепловые, механические, гидромеханические), а на более высоких — элементы, которые могут быть выделены в таковые по какому-либо признаку, например по административно-хозяйст­венному или производственному (цеха, производства, предприятия и т. д.). При анализе отдельного процесса в качестве элементов или ступеней иерархии могут выступать явления на макро- и микро­уровнях, в совокупности определяющие целевую функцию процесса, например химическое превращение, теплообмен и т. д. Основная идея системного анализа как раз и состоит в применении общих принципов разделения системы на отдельные эле­менты и установление связей между ними, в определении цели ис­следования и определения этапов для достижения этой цели.

Предметом изучения данного курса являются следующие систе­мы: элементарные процессы; основные стадии технологического процесса, как правило, представляющие собой совокупность не­скольких элементарных процессов; технологический процесс произ­водства материалов в целом, а также сам результат производ­ства — строительный материал как система.

Академик В. В. Кафаров выделяет четыре основных этапа си­стемного исследования процесса.

1. Смысловой и качественный анализы объекта производятся для выявления уровней разделения, отдельных элементов и свя­зей между ними. Установление уровней иерархии, выбор элементов осуществляются исходя из общей цели исследования и степени изу­ченности процесса.

2. Формализация имеющихся знаний об элементах и их взаимо­действии и представление этих знаний делается в виде математи­ческих моделей. Источником знаний обычно служат фундаменталь­ные законы и экспериментальные данные. Создавая математичес­кую модель исследователь формализует рассматриваемый процесс, представляя его в виде математической связи между входными и выходными параметрами. Точность воспроизведения сущности рас­сматриваемого процесса на модели будет зависеть от степени изу­ченности его.

3. Математическое моделирование как метод исследования в настоящее время получил широкое распространение. Его применение непосредственно связано с использованием компьютеров ( ЭВМ). Сочетая достоинства теоретических и экспериментальных методов исследования, мате­матическое моделирование позволяет не только исследовать явле­ния, недоступные этим методам (в силу сложности математическо­го описания или невозможности технической реализации), но и обобщать результаты на основе многократного использования модели и делать прогнозы о возможном поведении процесса при изменении определяющих параметров. Математическое моделирование — это воспроизведение реально протекающих явлений на моде­ли. Адекватность, т. е. соответствие результатов моделирования экс­периментальным данным, полученным на реальном объекте, опре­деляется уровнем знаний о процессе и обоснованностью принятых допущений. Математическая модель представляет собой совокупность математического описания и алгоритма решения (рис. 2.1). Алгоритм должен быть доведен до конкретной реализации, т. е. до получения количественной связи между параметрами в результате выполнения программы на ЭВМ.

4. Идентификация математических моделей элементов состоит в определении неизвестных параметров и оценке параметров со­стояния объекта.

Получить более реальные характеристики процесса можно лишь после проведения коррекции параметров модели исходя из задан­ного критерия, по экспериментальным данным. Идентификация ма­тематической модели является одной из основных задач моделиро­вания технологических процессов, и ее решение, особенно для не­линейных систем, практически невозможно в настоящее времябез применения компьютеров ( ЭВМ).

Рис. 2.1. Структура математической модели