Stanje sistema je označeno z njegovo sestavo in lastnostmi. Koncept stanja sistema. Biomedicinski pomen teme

Molekularno kinetični pristop. Molekularna fizika temelji na dveh glavnih načelih:

vsako telo - trdno, tekoče ali plinasto - je sestavljeno iz izoliranih delcev, ki jih imenujemo molekule (atomi, ioni itd.);

delci katerekoli snovi so v naključnem kaotičnem gibanju, ki v odsotnosti zunanjih vplivov sil nima prednostne smeri. To gibanje se imenuje termični, saj njegova intenzivnost določa temperaturo snovi.

V prvem odstavku so kot delci, iz katerih je snov lahko sestavljena, poleg električno nevtralnih atomov in molekul omenjeni električno nabiti delci – ioni. Prvič, to je zelo pomemben primer plazemskega stanja snovi. Po razpoložljivih ocenah je približno 95 % vidne snovi v vesolju v stanju plazme. Poleg tega v raztopinah - na primer namizna sol v vodi - obstaja raztopljena snov v obliki ionov, poleg tega pa so kovine skupek pozitivnih ionov, ki nihajo okoli ravnotežnih položajev (vozlišča kristalna mreža) in prosti elektroni, ki tvorijo elektronski plin. V prihodnje bo glavna pozornost namenjena »navadnemu« stanju snovi, ko so njeni sestavni delci električno nevtralni, kot posebno stanje snovi pa bodo ločeno obravnavane raztopine in kovine. v naključnem kaotičnem gibanju, ki ob odsotnosti vplivov zunanjih sil nima nobene prednostne smeri." Naj v zvezi s tem opozorimo na naslednje: v anizotropnih kristalih obstajajo prednostne smeri zaradi interakcije delcev, ki sestavljajo kristal in niso povezani z zunanjimi polji sile. Obravnava tovrstnih situacij je izven obsega tega poglavja.

Molekularno kinetična teorija si zada cilj, da tiste lastnosti snovi, ki jih neposredno opazujemo eksperimentalno (viskoznost, toplotna prevodnost itd.), interpretira kot skupni rezultat delovanja molekul. Pri tem uporablja statistično metodo, pri čemer je ne zanima gibanje vsake posamezne molekule, temveč le takšne povprečne vrednosti, ki označujejo gibanje in interakcijo celotne množice molekul. Molekularno kinetična teorija deluje z osnovnimi zakoni fizike mikroskopsko ravni – zakoni klasična mehanika, elektrodinamika itd. Zato je sposoben predvideti vrednosti številnih fizikalnih parametrov sistema na podlagi, kot pravijo, prvih principov. V tem poglavju se bomo ukvarjali z izpeljavo znanih zakonov za idealne pline na podlagi molekularno kinetične teorije.

Stanje sistema. V kateri koli veji fizike se preučevanje pojavov začne z identifikacijo niza teles, ki se imenuje sistem.

Predstavljajmo si na primer plin (sistem) v zaprtem valju pod batom (medij), sl. 1.1.

riž. 1.1. Plin v zaprti jeklenki pod batom

Spreminjanje položaja bata ali temperature sten cilindra spremeni stanje sistema.

Za stanje tako preprostih sistemov, kot je plin, so značilni naslednji makroskopski parametri: prostornina, tlak, temperatura . Seveda potrebujemo tudi parametre, ki definirajo sistem - njegovo maso m,relativna molekulska masa M(oz molska masa m).

Skupaj, štiri vrednosti: glasnost , pritisk , temperaturo, teža. Oziroma kdaj znano množicam mol snovi sistema, število molov. Če je sistem mešanica različnih snovi, je treba dodati relativne koncentracije sestavin mešanice: , tukaj je masa snovi. Očitno v slednjem primeru ni štirih parametrov, ampak več.

Naj vas spomnimo, da

Druga – enakovredna – definicija madeža se glasi:

Upoštevajte, da sodobna definicija Avogadrovega števila pravi, da je Avogadrovo število enako številu atomov izotopa 12 C vsebovan v 0,012 kilograma ogljika-12. Tako lahko mol definiramo na naslednji način:

Pri reševanju nalog vrednosti relativne molekulske mase M elementi so vzeti iz periodnega sistema. Molska masa enostavno izračunati:

Na primer za zlato

Za kompleksne snovi je treba izvajati preproste aritmetične operacije, na primer za ogljikov dioksid :

Na splošno sistemski parametri, kot so tlak, temperatura, gostota snovi imajo lahko na različnih točkah različne pomene. V tem primeru sistemu kot celoti ni mogoče dodeliti določenih vrednosti teh parametrov; neravnotežno stanje. Izkušnje pa kažejo, da če so zunanji pogoji nespremenjeni, potem sistem na koncu pride k sebi ravnotežno stanje: tlak in temperatura sta izenačena posamezne dele, tako da sistemski parametri zavzamejo določene vrednosti, ki ostanejo konstantne za nedoločen čas. Pri tem morajo biti zunanji pogoji takšni, da v sistemu ne pride do prenosa snovi, energije, gibalne količine itd.

Za poenostavitev razmislimo o sistemu, katerega skupna masa je nespremenjena, njegova sestava in relativne koncentracije njegovih sestavnih snovi so nespremenjene. To se zgodi na primer v primeru, ko sistem ne deluje kemične reakcije. Z bolj splošnim pristopom: v sistemu ni procesov ustvarjanja in uničenja njegovih sestavnih delcev. Na primer, reakcija tvorbe molekul vode iz molekul kisika in vodika

lahko obravnavamo kot proces uničenja delcev in rojstva delcev. V številnih primerih, na primer v plinu fotonov (toplotno sevanje), je prisotnost procesov ustvarjanja in uničenja delcev bistveno pomembna.

Dodatne informacije

http://www.femto.com.ua/articles/part_2/4471.html - Fizična enciklopedija. Kemijski potencial: fizikalna količina, potrebna za opis lastnosti termodinamičnih sistemov s spremenljivim številom delcev;

http://www.femto.com.ua/articles/part_1/0017.html - Fizična enciklopedija. Avogadrov zakon;

http://marklv.narod.ru/mkt/mkt.htm - Šolska lekcija s slikami o molekularni kinetični hipotezi;

Kot bo razvidno kasneje, za popoln opis Za ravnovesno stanje takega sistema zadoščajo samo trije parametri: . Poleg tega, če je stanje ravnotežje, potem obstaja povezava med temi tremi parametri: podana dva parametra sistema (na primer njegova temperatura in prostornina) enolično določata tretjega (v tem primeru tlak). Matematično je to razmerje mogoče opisati enačba stanja sistema

,

kjer je posebna vrsta funkcije F odvisno od lastnosti sistema. Primer je enačbe Clapeyron - Mendelejev za popolno oz van der Waals za neidealne pline (te enačbe bodo obravnavane spodaj).

Tako pri ravnotežni sistem s konstantno maso, sestavo in relativnimi koncentracijami njegove sestavne snovi - v prihodnje tega ne bomo navedli vsakič - Obstajata samo dva neodvisna parametra in njegovo ravnotežno stanje lahko grafično prikažemo s točko na ravnini (slika 1.2), kjer sta katera koli dva od treh parametrov narisana vzdolž osi - , ali :

riž. 1.2. Ravnotežna stanja sistema na diagramih (p, V), (p, T) in (V, T)

Proces je vsak prehod sistema iz enega stanja v drugo.

Proces je vedno povezan s kršitvijo termodinamičnega ravnovesja stanja sistema. IN v tem trenutku pod termodinamično ravnotežnim stanjem je dovolj razumeti stanje, v katerem so odsotni vsi možni procesi izmenjave energije: 1) noben od podsistemov sistema ne opravlja dela na drugih podsistemih; 2) nobeden od podsistemov sistema ne izmenjuje toplote z drugimi podsistemi sistema; 3) nobeden od podsistemov sistema ne izmenjuje delcev z drugimi podsistemi sistema. Kot bo razvidno kasneje, druge vrste izmenjave energije v običajnih (v katerih ni procesov ustvarjanja in uničenja delcev) ne obstajajo. Od tod na koncu sledi, da je za opis termodinamično ravnotežnega stanja enokomponentnega sistema dovolj določiti samo tri neodvisne parametre (na primer: število delcev, prostornino in notranjo energijo).

Če se stanje sistema skozi čas spreminja, se v sistemu dogaja nek proces. Nasprotno, na splošno, ne drži: stanje sistema se morda ne spremeni, čeprav v njem poteka proces - stacionarno, a neravnovesno stanje sistema. Na primer, med stacionarnim procesom prenosa toplote je stanje sistema neravnovesno, čeprav ostane nespremenjeno v smislu, da se porazdelitve temperature, tlaka, gostote itd. po prostornini sistema ne spremenijo.

Pri neskončno počasnem procesu lahko domnevamo, da je v katerem koli trenutku stanje sistema ravnotežje. Fizikalno to pomeni, da je značilni čas za proces veliko daljši od časa, potrebnega za vzpostavitev ravnovesja v sistemu, ki ga imenujemo tudi relaksacijski čas . Ta proces se imenuje ravnotežni proces.

Očitno je, da je ravnotežni proces še ena idealizacija. Da bi lahko proces obravnavali - z neko končno natančnostjo - kot ravnovesje, je nujno, da je neenakost

in bolje ko je izveden, bližje je proces ravnotežju.

Ravnotežni proces si lahko predstavljamo kot zaporedje ravnotežnih stanj. V prihodnje se bodo proučevali samo ravnotežni procesi (če ni posebej navedeno drugače).

Ker je stanje sistema predstavljeno s točko na diagramu, proces pa je zaporedje ravnotežnih stanj, je tak proces na diagramu predstavljen s črto. Vsaka točka na premici je pogojno ravnotežno vmesno stanje sistema. Ravnotežni proces je proces reverzibilen, to pomeni, da lahko teče v nasprotni smeri, gre skozi ista vmesna stanja v obratnem vrstnem redu, ne da bi ostale spremembe v okoliških telesih.

Seveda potem v sistemu ne bi smele delovati sile, podobne silam trenja. V nadaljevanju se bomo seznanili z diagrami, ki opisujejo nekatere značilne procese v termodinamičnih sistemih.

Ob poznavanju stanja sistema lahko najdemo različne državne funkcije - fizikalne lastnosti, ki so odvisne le od stanja sistema, to pomeni, da imajo enake vrednosti, kadar koli se sistem znajde v danem stanju, ne glede na njegovo prejšnjo zgodovino.

Temperatura. Vsak sistem ima določeno rezervo notranja energija, ni povezana s položajem ali gibanjem sistema kot celote glede na zunanje okolje. O notranji energiji bomo govorili podrobneje, vendar za zdaj potrebujemo le intuitivno razumevanje, da če vržemo jajce pri določeni hitrosti, ga ne bomo skuhali, čeprav se bo kinetična energija jajca povečala. Za kuhanje mehko kuhanega jajca vam ga ni treba vreči, ampak ga segrejte.

Za kvantitativne značilnosti notranja energija uvaja koncept temperaturo. Posebno mesto v seriji zavzema temperatura fizikalne količine. Izkušnje kažejo, da označuje stanje toplotnega ravnovesja teles. Če prideta v stik dve telesi z različnimi temperaturami, bosta ti telesi zaradi interakcije med molekulami izmenjali energijo. Po določenem času se bodo temperature izenačile in prenos toplote se bo ustavil ter nastopilo bo stanje toplotnega ravnovesja. Stanje toplotnega ravnovesja je stanje, v katerega sčasoma preide vsak izoliran sistem.

Konvencionalne metode za določanje temperature temeljijo na odvisnosti številnih lastnosti teles (prostornine, tlaka itd.) Od nje. V tem primeru se izbere termometrično telo in graduacija temperaturne lestvice. Najpogostejša je Celzijeva lestvica (Celzijeva lestvica, slika 1.3).

riž. 1.3. Celzijeva lestvica

Odsek te lestvice med zmrziščnimi točkami (kristalizacija vode ali, kar je isto, taljenje ledu) in vreliščem vode pri normalni atmosferski tlak razdeljen na 100 enakih delov. Ta del se imenuje stopinj Celzija(označeno t °C). Tako kristalizacijska točka vode ustreza 0 °C, in vrelišče - 100 °C. Poudarjamo, da tako pri normalnem tlaku 760 mm Hg. Art. V ZDA uporabljajo tudi Fahrenheitovo lestvico (označ t °F). Za ničlo svoje lestvice je izbral Fahrenheit najnižja temperatura, ki ga je lahko poustvaril v svojem laboratoriju – tališče mešanice soli in ledu. Zmrzišče vode v tej lestvici ustreza temperaturi 32°F, in vrelišče - 212°F. Ta interval ni razdeljen na sto, ampak na 180 delov (podobno kotnim stopinjam). Zato je stopinja Fahrenheita manjša od stopinje Celzija (faktor 100/180 = 5/9 ). Razmerje med temperaturama v teh dveh lestvicah je podano s formulama

riž. 1.4. Ujemanje med lestvicami

V fiziki uporabljajo termodinamično (staro ime: absolutna) temperaturno lestvico (Kelvinova lestvica), ki ni odvisna od termometričnega telesa, ampak se vzpostavi na podlagi zakonov termodinamike.

Trenutno je en kelvin definiran na naslednji način: kelvin je enota termodinamične temperature, ki je enaka delu termodinamične temperature trojne točke vode. Trojna točka vode je bila izbrana namesto njenega vrelišča, ker je temperatura trojne točke neodvisna od tlaka in je bolj natančno določena. Na Celzijevi lestvici trojna točka vode ustreza temperaturi. Vrednost enega kelvina (označeno s K) je enaka vrednosti stopinje Celzija. Ob upoštevanju prikazane razlike 0,01 kelvina za povezavo temperatur na termodinamični lestvici in lestvici Celzija dobimo

Primeri značilnih temperatur v naravi so prikazani na sl. 1.5.

riž. 1.5. Temperatura različnih fizikalnih procesov

Dodatne informacije

http://kvant.mirror1.mccme.ru/1990/08/temperatura_teplota_termometr.htm - Revija Kvant, 1990 št. 8, str. 10 – 19, A. Kikoin, Temperatura, toplota, termometer;

Ali poznate fiziko? Knjižnica "Quantum", številka 82, Znanost, 1992. Stran 130, vprašanji 113, 115 o enakomernosti temperaturnih lestvic (odgovor na str. 136–138);

http://ilib.mirror1.mccme.ru/djvu/bib-kvant/kvant_82.htm - Perelman Ya.I. - Ali poznate fiziko? Knjižnica "Quantum", številka 82, Znanost, 1992. Stran 130, vprašanje 112: izvor Fahrenheitove temperaturne lestvice (odgovor glej strani 135–136);

http://www.femto.com.ua/articles/part_2/4070.html - Fizična enciklopedija. Opisani so instrumenti za merjenje temperatur od najvišje do najnižje.

riž. 1.6. Termogram skodelice vročega čaja

Rezultati organizacijski procesi zahtevajo oceno. Če želite to narediti, morate jasno razumeti stanje sistema.

Procesov, ki se pojavljajo v kompleksnih sistemih, praviloma ni mogoče takoj predstaviti v obliki matematičnih odnosov ali celo algoritmov. Zato, da bi nekako označili stabilno situacijo ali njene spremembe, se uporabljajo posebni izrazi, ki si jih je teorija organizacije izposodila iz teorije avtomatske regulacije, kibernetike, biologije in filozofije.

Država. Koncept stanja običajno označuje trenutno fotografijo, »rez« sistema, postanek v njegovem razvoju. Ugotavljamo ga preko vhodnih vplivov in izhodnih signalov, preko analize notranjih parametrov ali preko makroparametrov, makrolastnosti sistema.

Težave, povezane z "rezanjem" sistema:

1) trenutno stanje mora biti objektivno, ne sme se precenjevati ali podcenjevati;

2) določitev časa, kdaj izvesti ta "rez". V vsakem trenutku je stanje drugačno (npr. stanje podjetja 1. januarja, po četrtletjih, konec leta);

3) določitev časovnega intervala med »rezinami«.

Vsak dinamični sistem je lahko v enem od treh stanj: ravnotežju, prehodu in periodično. Ravnotežno stanje Sistem imenujemo takšno stanje, v katerem je vsota sil in momentov, ki delujejo na sistem, enaka nič. V tem primeru je treba razlikovati med dvema vrstama ravnotežnega stanja - statičnim in dinamičnim.

Kot primeri stanja statično ravnotežje Lahko podate stanje fizičnega telesa v mirovanju. Primer dinamičnega ravnovesja je vzdrževanje stalne povprečne telesne temperature pri zdravem človeku.

Prehodni proces razumemo kot proces spreminjanja parametrov sistema skozi čas, ki poteka med njegovim prehodom iz enega ravnotežnega stanja v drugega. Prehodni proces v dinamičnih sistemih nastane kot posledica vplivov, ki spremenijo stanje, strukturo ali parametre sistema. V nekaterih primerih je proces prehoda bolj zapleten – oscilatorne narave.

Vedenje. Če je sistem sposoben prehoda iz enega stanja v drugo (na primer S 1 > S 2 > S 3 > S 4 > ...), potem se reče, da se obnaša. Glede na naravo prehoda iz enega stanja v drugo se sistemi delijo na statična in dinamično.

Ravnotežje. Koncept ravnovesje definiramo kot sposobnost sistema, da v odsotnosti zunanjih motečih vplivov (ali ob stalnih vplivih) ohranja svoje stanje poljubno dolgo časa. To stanje se imenuje stanje ravnovesja.

Trajnost. Pod stabilnost razumeti sposobnost sistema, da se vrne v stanje ravnovesja, potem ko je bil iz tega stanja pod vplivom zunanji oz notranji moteči vplivi. Ravnotežno stanje, v katerega se je sistem sposoben vrniti, imenujemo stabilno ravnotežno stanje.

Razvoj. Razvoj- naravna kvalitativna sprememba materialnih in idealnih predmetov, označena kot nujna in usmerjena. Za procese delovanja so značilne reverzibilne spremembe (tj. ciklična reprodukcija stalnega sistema povezav in odnosov). Kot rezultat razvoja nastane novo kakovostno stanje predmeta. Bistvena značilnost razvoja je čas, saj se ves razvoj odvija v času in le čas razkriva njegovo smer.

naročilo je stanje elementov, v katerem dogodek, ki se pojavi v enem od njih, povzroči in (ali) omejuje dogodke (procese), ki se pojavljajo v drugih elementih. Svet brez omejitev bi bil popoln kaos. Kaos in raznolikost se zmanjšata z organizacijo ali z uvedbo omejitev. Za uvedbo omejitev na sistem se uporabljajo informacije, ki nasprotujejo težnjam sistema k dezorganizaciji.

Kaos- to je stanje določenega niza elementov, v katerem dogodek, ki se zgodi v enem od njih, na noben način ne vpliva na dogodke (procese), ki se pojavljajo v preostalih elementih. Vsak sistem je v vmesnem stanju med popolnim kaosom in absolutnim redom.

Raznolikost je število različnih stanj (izhodnih stanj) sistema. V posameznem stanju ni raznovrstnosti, zato nastane vsaj pri opazovanju dva države. Informacije o teh stanjih se imenujejo odsevna raznolikost.

Za oceno raznolikosti predmeta se uporablja količina raznolikosti ali mera negotovosti - entropija. N. Wiener izraženo dvojnost entropija-informacija na naslednji način: »Tako kot je količina informacij v sistemu merilo organiziranosti sistema, je na enak način entropija merilo neorganiziranosti sistema; ena je enaka drugi, vzeta z nasprotnim predznakom.« Če so možnosti prehoda v katero koli stanje predmeta enako verjetne, potem je entropija določena z logaritmom števila različnih možnih stanj predmeta ( x) z osnovo dve: dnevnik 2 x. Za merjenje količine raznovrstnosti se uporabljajo binarne enote - biti. Tako bo raznolikost strani kovanca 1 bit ( log=1). Šest ploskev kocke nosi različnih 2,6 bitov, 32 črk abecede - 5 bitov. Če je samo eno stanje, potem ni raznolikosti - logaritem je nič. Vsaka sprememba v smeri neenakosti verjetnosti zmanjša negotovost in s tem entropijo.

Entropijska vrednost služi kvantitativno oceno informacije, pridobljene iz opazovanj. Povečanje entropije lahko razumemo kot "uničenje informacij". Nasprotno, informacija je tista, ki omejuje raznolikost, delno ali v celoti odpravlja negotovost, zmanjšuje entropijo, tj. negentropija.

Stanje katerega koli realnega sistema v danem trenutku je mogoče opisati z uporabo določenega niza, ki označuje sistem količin - parameter.

Število parametrov, tudi za sorazmerno preprost sistem, je lahko zelo veliko, zato se v praksi za opis sistemov uporabljajo samo najpomembnejši, značilni parametri, ki ustrezajo posebnim namenom preučevanja predmetov.

Torej, da bi preučili zdravstveno stanje osebe z vidika potrebe po njegovi razbremenitvi dela, se najprej upoštevajo vrednosti parametrov, kot sta temperatura in krvni tlak.

Za stanje določenega gospodarskega sistema so značilni parametri, kot so količina in kakovost proizvodnje, produktivnost dela, sklad donosa itd. Za opis stanja in gibalni sistemi

Uporabite lahko metode, kot so verbalni opisi, tabelarični ali matrični opisi, matematični izrazi in grafične slike. Besedni opis

se spušča v zaporedno naštevanje in značilnosti sistemskih parametrov, trende njihovih sprememb in zaporedje sprememb v stanju sistema. Besedni opis je zelo približen in daje le splošne predstave o sistemu, poleg tega pa je v veliki meri subjektiven, ker ne odraža le resničnih značilnosti sistema, ampak tudi odnos osebe, ki jih opisuje do njih. Tabele in matrike

se najpogosteje uporabljajo za kvantitativne značilnosti sistema, izražene z vrednostmi njihovih parametrov v neki fiksni časovni točki. Na podlagi podatkov iz tabele ali niza tabel je mogoče sestaviti diagrame in grafe, ki ustrezajo različnim trenutkom v času, kar daje vizualno predstavitev dinamike sistema. matematične izraze, ki pa se interpretirajo z grafi, ki prikazujejo potek določenih procesov v sistemu.

Vendar pa je najbolj globok in primeren formalizirana geometrijska interpretacija stanja in gibanja sistema v tako imenovanem prostoru stanj ali faznem prostoru.

Prostor stanja sistema

Prostor stanja sistema je prostor, v katerem vsaka točka enolično ustreza določenemu stanju obravnavanega dinamičnega sistema, vsak proces spreminjanja stanja sistema pa ustreza določeni trajektoriji gibanja predstavljajoče točke v prostoru.

Za opis gibanja dinamičnih sistemov se uporablja metoda, ki temelji na t.i fazni prostor(n-dimenzionalni evklidski prostor), vzdolž osi katerega so narisane vrednosti vseh n posplošenih koordinat obravnavanega dinamičnega sistema. V tem primeru je edinstveno ujemanje med stanjem sistema in točkami faznega prostora doseženo z izbiro števila dimenzij, enako številu generalizirane koordinate obravnavanega dinamičnega sistema.

Označimo parametre določenega sistema s simboli z1, z2…zn, ki jih lahko obravnavamo kot koordinate vektorja z, n dimenzionalni prostor. Tak vektor je zbirka realna števila z=(z1,z2..zn).

Parametre z1, z2…zn bomo imenovali fazne koordinate sistema, stanja (fazo sistema) pa bomo predstavljali s točko z v faznem prostoru. Razsežnost tega prostora je določena s številom faznih koordinat, to je s številom njegovih bistvenih parametrov, ki smo jih izbrali za opis sistema. V primeru, ko lahko stanja sistema označimo samo z enim parametrom z1 (na primer razdalja od odhodne točke vlaka, ki se premika po določeni poti), bo fazni prostor enak enodimenzionalno

in prikazan kot del osi z. Če je stanje sistema označeno z dvema parametroma z1 in z2 (na primer gibanje avtomobila, izraženo s kotom glede na določeno smer in hitrostjo njegovega gibanja), bo fazni prostor enak.

dvodimenzionalni V primerih, ko je stanje sistema opisano s 3 parametri (na primer nadzor hitrosti in pospeška), bo predstavljeno s točko v tridimenzionalni prostor

V splošnem primeru, ko je število parametrov, ki označujejo sistem, poljubno in kot v najbolj zapletenih ekonomskih sistemih bistveno večje od 3, geometrijska interpretacija izgubi svojo jasnost.

Vendar geometrijska terminologija v teh primerih ostaja primerna za opisovanje stanja in gibanja sistemov v tako imenovanem n-dimenzionalnem ali večdimenzionalnem faznem prostoru (hiperprostoru). Imenuje se število neodvisnih parametrov sistemaštevilo prostostnih stopinj

ali sistemske različice.

V realnih pogojih delovanja sistema in njegovih parametrov (faznih koordinat) se praviloma lahko spreminjajo le v določenih omejenih mejah. Tako je hitrost avtomobila omejena od 0 do 200 km na uro, temperatura osebe je omejena od 35 stopinj do 42 itd. Imenuje se območje faznega prostora, preko katerega predstavna točka ne more iti

območje dovoljenih stanj sistema

. Pri raziskovanju in načrtovanju sistemov se vedno predpostavlja, da je sistem v območju svojih dopustnih stanj.Če reprezentančna točka preseže to področje, potem to grozi z uničenjem celovitosti sistema, možnostjo njegovega razpada na elemente, prekinitev obstoječih povezav, torej popolno prenehanje njegovega delovanja kot danega sistema. Območje dovoljenih stanj, ki ga lahko imenujemo polje sistema, vključuje vse vrste faznih trajektorij, to je linij obnašanja sistemov. Množica faznih trajektorij se imenuje fazni portret

obravnavani dinamični sistem.

Prostor stanj takšnih sistemov je treba obravnavati kot diskreten, zato njihova točka, ki predstavlja stanje takega sistema, ne more biti locirana nikjer v območju dovoljenih stanj, temveč le v določenih fiksnih točkah tega območja. Spremembo stanja takšnih sistemov, torej njihovo gibanje, bomo razlagali s preskoki predstavljajoče točke iz enega stanja v drugo, v tretje itd. V skladu s tem bo trajektorija gibanja predstavljajoče točke diskretna, prekinjena.

→

2. predavanje: Lastnosti sistema. Sistemska klasifikacija

Lastnosti sistemov.

Torej je stanje sistema niz bistvenih lastnosti, ki jih ima sistem v vsakem trenutku.

Lastnost se razume kot stran predmeta, ki določa njegovo razliko od drugih predmetov ali podobnost z njimi in se manifestira pri interakciji z drugimi predmeti.

Značilnost je nekaj, kar odraža neko lastnost sistema.

Katere lastnosti sistemov so znane.

Iz definicije "sistema" izhaja, da je glavna lastnost sistema celovitost, enotnost, ki se doseže z določenimi odnosi in interakcijami elementov sistema in se kaže v nastanku novih lastnosti, ki jih elementi sistema nimajo. Ta lastnost nastanek(iz angleščine emerge - vstati, pojaviti se).

1. Nastanek je stopnja nezvodljivosti lastnosti sistema na lastnosti elementov, iz katerih je sestavljen.
2. Pojavnost je lastnost sistemov, ki povzroči nastanek novih lastnosti in kvalitet, ki niso lastne elementom, ki sestavljajo sistem.

Nastajanje je nasprotno načelo redukcionizma, ki pravi, da lahko celoto preučujemo tako, da jo razdelimo na dele in nato z določitvijo njihovih lastnosti določimo lastnosti celote.

Lastnost pojavnosti je blizu lastnosti sistemske celovitosti. Vendar jih ni mogoče identificirati.

Integriteta sistem pomeni, da vsak element sistema prispeva k izvajanju ciljne funkcije sistema.

Celovitost in pojavnost sta integrativni lastnosti sistema.

Prisotnost integrativnih lastnosti je ena najpomembnejših lastnosti sistema. Celovitost se kaže v tem, da ima sistem svoj vzorec funkcionalnosti, svoj namen.

Organizacija — kompleksna lastnina sistemi, sestavljeni iz prisotnosti strukture in delovanja (vedenja). Nepogrešljiv del sistemov so njihove komponente, in sicer tiste strukturne tvorbe, ki sestavljajo celoto in brez katerih ne gre.

Funkcionalnost- to je manifestacija določene lastnosti(funkcije) pri interakciji z zunanjim okoljem. Tu je cilj (namen sistema) opredeljen kot želeni končni rezultat.

Strukturalnost- to je urejenost sistema, določen niz in razporeditev elementov s povezavami med njimi. Obstaja razmerje med funkcijo in strukturo sistema, kot med filozofske kategorije vsebino in obliko. Sprememba vsebine (funkcije) potegne za seboj spremembo oblike (strukture), pa tudi obratno.

Pomembna lastnost sistema je prisotnost vedenja - dejanj, sprememb, delovanja itd.

Menijo, da je takšno obnašanje sistema povezano z okoljem (okolico), tj. z drugimi sistemi, s katerimi prihaja v stik ali v določene odnose.

Postopek namenskega spreminjanja stanja sistema skozi čas imenujemo obnašanje. Za razliko od nadzora, ko spremembo stanja sistema dosežemo z zunanjimi vplivi, vedenje izvaja izključno sistem sam, na podlagi lastnih ciljev.

Obnašanje vsakega sistema je razloženo s strukturo sistemov nižjega reda, ki sestavljajo sistem, in prisotnostjo znakov ravnovesja (homeostaze). V skladu z znakom ravnotežja ima sistem določeno stanje (stanja), ki so zanj prednostna. Zato je vedenje sistemov opisano v smislu ponovne vzpostavitve teh stanj, ko jih motijo ​​okoljske spremembe.

Druga lastnost je lastnost rasti (razvoja). Na razvoj lahko gledamo kot na sestavni del vedenja (in najpomembnejšega).

Ena od glavnih in zato temeljnih lastnosti sistemskega pristopa je nesprejemljivost obravnavanja predmeta zunaj njega. razvoj, ki jo razumemo kot ireverzibilno, usmerjeno, naravno spremembo materije in zavesti. Posledično nastane nova kakovost ali stanje predmeta. Identifikacija (morda ne povsem stroga) pojmov »razvoj« in »gibanje« nam omogoča, da jo izrazimo v takem smislu, da je brez razvoja obstoj materije, v tem primeru sistema, nepredstavljiv. Naivno si je predstavljati, da se razvoj zgodi spontano. V najrazličnejših procesih, ki se na prvi pogled zdijo nekaj podobnega Brownovemu (naključnemu, kaotičnemu) gibanju, se ob natančni pozornosti in študiju najprej pokažejo obrisi tendenc, nato pa precej stabilni vzorci. Ti zakoni po svoji naravi delujejo objektivno, tj. niso odvisne od tega, ali želimo njihovo manifestacijo ali ne. Nepoznavanje zakonov in vzorcev razvoja tava v temi.

Kdor ne ve, v katero pristanišče pluje, nima ugodnega vetra.

Obnašanje sistema je odvisno od narave reakcije na zunanje vplive.

Temeljna lastnost sistemov je trajnost, tj. sposobnost sistema, da prenese zunanje motnje. Od tega je odvisna življenjska doba sistema.

Preprosti sistemi imajo pasivne oblike stabilnosti: moč, ravnotežje, prilagodljivost, homeostazo. Pri kompleksnih pa so odločilne aktivne oblike: zanesljivost, preživetje in prilagodljivost.

Če naštete oblike stabilnosti enostavni sistemi(poleg trdnosti) zadeva njihovo obnašanje, je odločilna oblika stabilnosti kompleksnih sistemov predvsem strukturne narave.

Zanesljivost- lastnost ohranjanja strukture sistemov kljub smrti posameznih elementov z njihovo zamenjavo ali podvajanjem in preživetja- kot aktivno zatiranje škodljivih lastnosti. Tako je zanesljivost bolj pasivna oblika kot sposobnost preživetja.

Prilagodljivost- sposobnost spreminjanja vedenja ali strukture z namenom ohranjanja, izboljšanja ali pridobivanja novih lastnosti v razmerah spreminjajočega se zunanjega okolja. Predpogoj za možnost prilagajanja je prisotnost povratnih povezav.

Vsak realni sistem obstaja v okolju. Povezava med njima je lahko tako tesna, da postane težko določiti mejo med njima. Zato je ločitev sistema od njegovega okolja povezana z eno ali drugo stopnjo idealizacije.

Ločimo lahko dva vidika interakcije:

• v mnogih primerih ima značaj izmenjave med sistemom in okoljem (snov, energija, informacija);
• okolje je običajno vir negotovosti za sisteme.

Vpliv okolja je lahko pasiven ali aktiven (antagonističen, namerno nasproten sistemu).

Zato je treba okolje v splošnem primeru obravnavati ne le kot brezbrižno, ampak tudi antagonistično do preučevanega sistema.

riž. — Sistemska klasifikacija

Osnova (merilo) razvrščanja	Sistemski razredi
Z interakcijo z zunanjim okoljem	Odpri Zaprto Kombinirano
Po zgradbi	Enostavno Kompleksno Velik
Po naravi funkcij	Specializirano Večnamensko (univerzalno)
Po naravi razvoja	Stabilen V razvoju
Po stopnji organiziranosti	Dobro organiziran Slabo organizirano (razpršeno)
Glede na kompleksnost vedenja	Samodejno Odločilno Samoorganiziranje Predviden Preoblikovanje
Po naravi povezave med elementi	Deterministični Stohastično
Po naravi strukture upravljanja	Centralizirano Decentralizirano
Po namenu	Produkcija Vodje Spremljevalci

Razvrstitev imenovana delitev na razrede glede na najbolj bistvene značilnosti. Razred razumemo kot zbirko predmetov, ki imajo določene značilnosti skupnosti. Lastnost (ali skupek lastnosti) je osnova (merilo) razvrščanja.

Sistem lahko označimo z eno ali več značilnostmi in temu primerno najdemo mesto v različnih klasifikacijah, od katerih je vsaka lahko koristna pri izbiri raziskovalne metodologije. Običajno je namen klasifikacije omejiti izbiro pristopov k prikazovanju sistemov in razviti opisni jezik, primeren za ustrezni razred.

Realne sisteme delimo na naravne ( naravni sistemi) in umetne (antropogene).

Naravni sistemi: sistemi nežive (fizikalne, kemične) in žive (biološke) narave.

Umetni sistemi: ki jih je ustvarilo človeštvo za lastne potrebe ali oblikovani kot rezultat namernih prizadevanj.

Umetne delimo na tehnične (tehnične in ekonomske) in družbene (javne).

Tehnični sistem oblikuje in izdela oseba za določen namen.

TO družbenih sistemov vključujejo različne sisteme človeške družbe.

Identifikacija sistemov, sestavljenih samo iz tehničnih naprav, je skoraj vedno pogojna, saj niso sposobne generirati lastnega stanja. Ti sistemi delujejo kot deli večjih organizacijskih in tehničnih sistemov, ki vključujejo ljudi.

Organizacijski sistem, za učinkovito delovanje katerega je pomemben dejavnik način organizacije interakcije ljudi s tehničnim podsistemom, se imenuje sistem človek-stroj.

Primeri sistemov človek-stroj: avto - voznik; letalo - pilot; Računalnik – uporabnik itd.

Tako se tehnični sistemi razumejo kot en konstruktiven niz medsebojno povezanih in medsebojno delujočih predmetov, namenjenih namenskim dejanjem z nalogo doseganja določenega rezultata v procesu delovanja.

Posebnosti tehničnih sistemov v primerjavi s poljubno množico predmetov ali v primerjavi s posameznimi elementi so konstruktivnost (praktična izvedljivost odnosov med elementi), usmerjenost in medsebojna povezanost sestavnih elementov ter namenskost.

Da je sistem odporen na zunanje vplive, mora imeti stabilno strukturo. Izbira strukture praktično določa tehnični izgled tako celotnega sistema kot njegovih podsistemov in elementov. Vprašanje primernosti uporabe določene strukture je treba odločiti na podlagi posebnega namena sistema. Od strukture je odvisna tudi sposobnost sistema za prerazporeditev funkcij v primeru popolnega ali delnega umika. posamezne elemente, in posledično zanesljivost in sposobnost preživetja sistema za dane značilnosti njegovih elementov.

Abstraktni sistemi so rezultat refleksije realnosti (realnih sistemov) v človeških možganih.

Njihovo razpoloženje je nujen korak pri zagotavljanju učinkovite človeške interakcije z zunanjim svetom. Abstraktni (idealni) sistemi so objektivni v izvoru, saj je njihov primarni izvor objektivno obstoječa realnost.

Abstraktne sisteme delimo na sisteme neposrednega preslikave (ki odražajo določene vidike realnih sistemov) in generalizirajoče (generalizirajoče) preslikavne sisteme. Prva vključuje matematične in hevristične modele, druga pa konceptualne sisteme (teorije metodološke konstrukcije) in jezike.

Glede na koncept zunanjega okolja sisteme delimo na: odprte, zaprte (zaprte, izolirane) in kombinirane. Delitev sistemov na odprte in zaprte je povezana z njihovimi značilnostmi: zmožnostjo ohranjanja lastnosti ob zunanjih vplivih. Če je sistem neobčutljiv na zunanje vplive, ga lahko štejemo za zaprtega. V nasprotnem primeru - odprto.

Odprt sistem je sistem, ki je v interakciji s svojim okoljem. Vsi realni sistemi so odprti. Odprti sistem je del več skupni sistem ali več sistemov. Če obravnavani sistem izoliramo od te formacije, potem je preostali del njegovo okolje.

Odprt sistem je z okoljem povezan z določenimi komunikacijami, to je mrežo zunanjih povezav sistema. Identifikacija zunanjih povezav in opis mehanizmov interakcije "sistem-okolje" je osrednja naloga teorije. odprti sistemi. Upoštevanje odprtih sistemov nam omogoča razširitev koncepta strukture sistema. Pri odprtih sistemih ne vključuje le notranjih povezav med elementi, temveč tudi zunanje povezave z okoljem. Pri opisu strukture poskušajo zunanje komunikacijske kanale razdeliti na vhodne (prek katerih okolje vpliva na sistem) in izhodne (obratno). Skupek elementov teh kanalov, ki pripadajo lastnemu sistemu, imenujemo vhodni in izhodni pol sistema. V odprtih sistemih ima vsaj en element povezavo z zunanjim okoljem, vsaj en vhodni pol in en izhodni pol, s katerima je povezan z zunanjim okoljem.

Za vsak sistem so povezave z vsemi njemu podrejenimi podsistemi in med slednjimi notranje, vse druge pa zunanje. Povezave med sistemi in zunanjim okoljem ter med elementi sistema so praviloma usmerjene narave.

Pomembno je poudariti, da je v vsakem realnem sistemu, zaradi zakonov dialektike o univerzalni povezanosti pojavov, število vseh medsebojnih odnosov ogromno, zato je nemogoče upoštevati in preučiti čisto vse povezave, zato je njihovo število umetno omejena. Hkrati pa je nepraktično upoštevati vse možne povezave, saj je med njimi veliko nepomembnih, ki praktično ne vplivajo na delovanje sistema in število dobljenih rešitev (z vidika problemov, ki se pojavljajo). rešeno). Če sprememba značilnosti povezave, njena izključitev (popolna prekinitev) povzroči znatno poslabšanje delovanja sistema, zmanjšanje učinkovitosti, potem je takšna povezava pomembna. Eden od najpomembnejše naloge raziskovalec - prepoznati sisteme, ki so bistveni za obravnavo v pogojih rešenega komunikacijskega problema, in jih ločiti od nebistvenih. Ker vhodnega in izhodnega pola sistema ni mogoče vedno jasno identificirati, se je treba zateči k določeni idealizaciji dejanj. Največja idealizacija se pojavi pri obravnavi zaprtega sistema.

Zaprt sistem je sistem, ki nima interakcije z okoljem oziroma deluje z okoljem na strogo določen način. V prvem primeru se predpostavlja, da sistem nima vhodnih polov, v drugem pa, da vhodni poli so, vendar je vpliv okolja stalen in popolnoma (vnaprej) znan. Očitno lahko ob zadnji predpostavki navedene vplive pripišemo samemu sistemu in ga lahko štejemo za zaprtega. Za zaprt sistem ima vsak njegov element povezave le z elementi samega sistema.

seveda zaprti sistemi predstavljajo neko abstrakcijo realnega stanja, saj strogo gledano izolirani sistemi ne obstajajo. Vendar pa je očitno, da lahko poenostavitev opisa sistema z odpravo zunanjih povezav vodi do koristnih rezultatov in poenostavi preučevanje sistema. Vsi realni sistemi so tesno ali šibko povezani z zunanjim okoljem – odprti. Če začasen prekinitev ali sprememba značilnih zunanjih povezav ne povzroči odstopanj v delovanju sistema preko vnaprej določenih meja, potem je sistem šibko povezan z zunanjim okoljem. Sicer je utesnjeno.

Kombinirani sistemi vsebujejo odprte in zaprte podsisteme. Prisotnost kombiniranih sistemov kaže na kompleksno kombinacijo odprtih in zaprtih podsistemov.

Glede na strukturo in prostorsko-časovne lastnosti sisteme delimo na enostavne, kompleksne in velike.

Enostavni - sistemi, ki nimajo razvejanih struktur, sestavljeni iz majhnega števila odnosov in majhnega števila elementov. Takšni elementi služijo opravljanju najpreprostejših funkcij, v njih ni mogoče ločiti hierarhičnih ravni. Posebnost enostavnih sistemov je determinizem (jasna opredelitev) nomenklature, števila elementov in povezav tako znotraj sistema kot z okoljem.

Kompleks - značilen po veliko število elementov in notranjih povezav, njihova heterogenost in različna kakovost, strukturna raznolikost, izved kompleksna funkcija ali več funkcij. Sestavne dele kompleksnih sistemov lahko obravnavamo kot podsisteme, od katerih je vsak lahko podrobneje opisan s še enostavnejšimi podsistemi itd. dokler element ni prejet.

Definicija N1: sistem imenujemo kompleksen (z epistemološkega vidika), če njegovo spoznanje zahteva skupno vključevanje številnih modelov teorij in v nekaterih primerih več znanstvenih disciplin, kot tudi ob upoštevanju negotovosti verjetnostne in neverjetnostne narave. Najbolj značilna manifestacija te definicije je večmodelnost.

Model- določen sistem, katerega preučevanje služi kot sredstvo za pridobivanje informacij o drugem sistemu. To je opis sistemov (matematičnih, verbalnih itd.), Ki odražajo določeno skupino njegovih lastnosti.

Definicija N2: sistem imenujemo kompleksen, če se v resnici jasno (pomembno) kažejo znaki njegove kompleksnosti. namreč:

1. strukturna kompleksnost - določena s številom elementov sistema, številom in raznolikostjo vrst povezav med njimi, številom hierarhičnih ravni in skupno število sistemski podsistemi. Naslednje vrste povezav veljajo za glavne vrste: strukturne (vključno s hierarhično), funkcionalne, vzročne (vzrok in posledica), informacijske, prostorsko-časovne;
2. kompleksnost delovanja (vedenje) - določajo značilnosti nabora stanj, pravila prehoda iz stanja v stanje, vpliv sistema na okolje in okolja na sistem, stopnja negotovosti naštetih značilnosti in pravila;
3. kompleksnost izbire vedenja - v več alternativnih situacijah, ko je izbira vedenja določena z namenom sistema, fleksibilnost reakcij na prej neznane vplive okolja;
4. kompleksnost razvoja - določena z značilnostmi evolucijskih ali diskontinuiranih procesov.

Seveda se vsa znamenja obravnavajo v medsebojni povezavi. Hierarhična struktura - značilna lastnost kompleksne sisteme, hierarhične ravni pa so lahko tako homogene kot heterogene. Za kompleksne sisteme so značilni dejavniki, kot so nezmožnost napovedovanja njihovega vedenja, to je slaba predvidljivost, njihova tajnost in različna stanja.

Kompleksne sisteme lahko razdelimo na naslednje faktorske podsisteme:

1. odločilni, ki v interakciji z zunanjim okoljem sprejema globalne odločitve in lokalne naloge razporeja med vse ostale podsisteme;
2. informacij, ki zagotavlja zbiranje, obdelavo in posredovanje informacij, potrebnih za sprejemanje globalnih odločitev in opravljanje lokalnih nalog;
3. vodja za implementacijo globalnih odločitev;
4. homeostazo, vzdrževanje dinamičnega ravnovesja znotraj sistemov in uravnavanje pretoka energije in snovi v podsistemih;
5. prilagodljivo, nabiranje izkušenj v učnem procesu za izboljšanje strukture in funkcij sistema.

Velik sistem je sistem, ki ga ni mogoče hkrati opazovati s položaja enega opazovalca v času ali prostoru, za katerega je pomemben prostorski dejavnik, katerega število podsistemov je zelo veliko, sestava pa je heterogena.

Sistem je lahko velik in kompleksen. Kompleksni sistemi združujejo večjo skupino sistemov, to so veliki sistemi - podrazred kompleksnih sistemov.

Temeljni za analizo in sintezo velikih in kompleksnih sistemov sta postopka razgradnje in združevanja.

Dekompozicija je delitev sistemov na dele, ki ji sledi samostojna obravnava posameznih delov.

Očitno je, da je dekompozicija koncept, povezan z modelom, saj samega sistema ni mogoče razkosati brez kršitve lastnosti. Na ravni modeliranja bodo različne povezave zamenjane z enakovrednimi ali pa bo sistemski model zgrajen tako, da se bo njegova razgradnja na ločene dele izkazala za naravno.

Ko se uporablja za velike in kompleksne sisteme, je razgradnja močno raziskovalno orodje.

Združevanje je nasprotni koncept razgradnje. V procesu raziskovanja se pojavi potreba po združevanju elementov sistema, da bi ga obravnavali s splošnejše perspektive.

Dekompozicija in agregacija predstavljata dva nasprotujoča si pristopa k obravnavanju velikih in kompleksnih sistemov, ki se uporabljata v dialektični enotnosti.

Sistemi, pri katerih je stanje sistema enolično določeno z začetnimi vrednostmi in ga je mogoče predvideti za kateri koli nadaljnji čas, se imenujejo deterministični.

Stohastični sistemi so sistemi, v katerih so spremembe naključne. Pri naključnih vplivih podatki o stanju sistema niso dovolj za napoved v kasnejši točki.

Po stopnji organiziranosti: dobro organizirani, slabo organizirani (difuzni).

Predstaviti analizirani predmet ali proces v obliki dobro organiziranega sistema pomeni določiti elemente sistema, njihove odnose in pravila združevanja v večje komponente. Problemsko situacijo lahko opišemo v obliki matematičnega izraza. Rešitev problema, če je predstavljena v obliki dobro organiziranega sistema, je izvedena analitične metode formalizirana predstavitev sistema.

Primeri dobro organiziranih sistemov: sončni sistem, ki opisuje najpomembnejše vzorce gibanja planetov okoli Sonca; prikaz atoma kot planetarnega sistema, sestavljenega iz jedra in elektronov; opis delovanja kompleksne elektronske naprave s sistemom enačb, ki upošteva posebnosti pogojev njenega delovanja (prisotnost šuma, nestabilnost napajalnikov itd.).

Opis objekta v obliki dobro organiziranega sistema se uporablja v primerih, ko je mogoče ponuditi determinističen opis in eksperimentalno dokazati upravičenost njegove uporabe in ustreznost modela realnemu procesu. Poskusi uporabe razreda dobro organiziranih sistemov za predstavitev kompleksnih večkomponentnih objektov ali večkriterskih problemov niso uspešni: zahtevajo nesprejemljivo veliko časa, jih je praktično nemogoče implementirati in so neustrezni uporabljenim modelom.

Slabo organizirani sistemi. Pri predstavitvi objekta v obliki slabo organiziranega ali razpršenega sistema naloga ni določiti vseh upoštevanih komponent, njihovih lastnosti in povezav med njimi in cilji sistema. Za sistem je značilen določen nabor makroparametrov in vzorcev, ki jih najdemo na podlagi študije ne celotnega predmeta ali razreda pojavov, temveč na podlagi izbora komponent, določenih z uporabo določenih pravil, ki označujejo predmet ali proces. v študiji. Na podlagi takšne vzorčne študije se pridobijo značilnosti oziroma vzorci (statistični, ekonomski) in se porazdelijo na celoten sistem kot celoto. V tem primeru se naredijo ustrezni pridržki. Na primer, ko so pridobljeni statistični vzorci, se razširijo na vedenje celotnega sistema z določeno verjetnostjo zaupanja.

Pristop k prikazovanju objektov v obliki razpršenih sistemov se pogosto uporablja pri: opisovanju čakalnih sistemov, določanju števila zaposlenih v podjetjih in ustanovah, preučevanju dokumentarnih informacijskih tokov v sistemih upravljanja itd.

Z vidika narave funkcij ločimo posebne, večnamenske in univerzalne sisteme.

Za posebne sisteme je značilen edinstven namen in ozka strokovna specializacija servisnega osebja (relativno nezapleteno).

Večnamenski sistemi vam omogočajo izvajanje več funkcij na isti strukturi. Primer: proizvodni sistem, ki zagotavlja proizvodnjo različnih izdelkov v določenem obsegu.

Za univerzalne sisteme: na isti strukturi je implementiranih veliko dejanj, vendar je sestava funkcij manj homogena (manj definirana) po vrsti in količini. Na primer kombajn.

Glede na naravo razvoja obstajata 2 razreda sistemov: stabilni in razvijajoči se.

V stabilnem sistemu se struktura in funkcije praktično ne spremenijo v celotnem obdobju njegovega obstoja in praviloma se kakovost delovanja stabilnih sistemov poslabša le, ko se njihovi elementi obrabijo. Sanacijski ukrepi lahko običajno le zmanjšajo stopnjo poslabšanja.

Odlična značilnost razvijajočih se sistemov je, da se sčasoma njihova struktura in funkcije bistveno spremenijo. Funkcije sistema so bolj konstantne, čeprav se pogosto spreminjajo. Skoraj nespremenjen ostaja le njihov namen. Razvijajoči se sistemi imajo večjo kompleksnost.

Po naraščajoči kompleksnosti vedenja: samodejno, odločno, samoorganizirajoče, predvidevajoče, transformativno.

Avtomatski: nedvoumno se odzivajo na omejen nabor zunanjih vplivov, njihova notranja organizacija je prilagojena prehodu v ravnotežno stanje, ko se iz njega umaknejo (homeostaza).

Odločilno: imajo stalna merila za razlikovanje njihovega stalnega odziva na široke razrede zunanjih vplivov. Konstantnost notranja struktura podprto z zamenjavo okvarjenih elementov.

Samoorganiziranje: imajo fleksibilna merila ločevanja in prilagodljive odzive na zunanje vplive, prilagajanje različnim vrstam vplivov. Stabilnost notranje strukture višjih oblik takšnih sistemov zagotavlja stalna samoreprodukcija.

Samoorganizirajoči se sistemi imajo značilnosti difuznih sistemov: stohastično obnašanje, nestacionarnost posameznih parametrov in procesov. Temu so dodani znaki, kot so nepredvidljivost vedenja; sposobnost prilagajanja spreminjajočim se okoljskim razmeram, spreminjanje strukture, ko sistem komunicira z okoljem, ob ohranjanju lastnosti celovitosti; sposobnost oblikovanja možnih možnosti vedenja in izbire najboljšega izmed njih, itd. Včasih je ta razred razdeljen na podrazrede, ki poudarjajo prilagodljive ali samoprilagodljive sisteme, samozdravilne, samoreprodukcijske in druge podrazrede, ki ustrezajo različnim lastnostim razvijajočih se sistemov .

Primeri: biološke organizacije, kolektivno vedenje ljudi, organizacija upravljanja na ravni podjetja, industrije, države kot celote, tj. v tistih sistemih, kjer je nujno prisoten človeški dejavnik.

Če stabilnost v svoji kompleksnosti začne presegati kompleksne vplive zunanjega sveta, so to anticipacijski sistemi: lahko predvidi nadaljnji potek interakcije.

Transformatorji so namišljeni kompleksni sistemi, ki temeljijo na najvišja raven težave, ki niso povezane s trajnostjo obstoječih medijev. Lahko spreminjajo materialne medije in hkrati ohranjajo svojo individualnost. Primeri takih sistemov znanosti še niso znani.

Sistem lahko razdelimo na vrste glede na strukturo njihove konstrukcije in pomen vloge, ki jo imajo v njem posamezne komponente v primerjavi z vlogami drugih delov.

V nekaterih sistemih lahko eden od delov igra prevladujočo vlogo (njegov pomen >> (simbol razmerja "pomembne superiornosti") pomen drugih delov). Takšna komponenta bo delovala kot osrednja, ki bo določala delovanje celotnega sistema. Takšni sistemi se imenujejo centralizirani.

V drugih sistemih so vse komponente, ki jih sestavljajo, približno enako pomembne. Strukturno se ne nahajajo okoli neke centralizirane komponente, temveč so med seboj povezane zaporedno ali vzporedno in imajo približno enak pomen za delovanje sistema. To so decentralizirani sistemi.

Sisteme lahko razvrstimo po namenu. Med tehničnimi in organizacijskimi sistemi so: proizvodni, upravljalni, servisni.

V proizvodnih sistemih se izvajajo procesi za pridobivanje določenih izdelkov ali storitev. Ti pa se delijo na materialno-energijske, v katerih poteka preoblikovanje naravno okolje ali surovin v končni izdelek materialne ali energetske narave ali prevoz takih izdelkov; in informacije - za zbiranje, posredovanje in pretvorbo informacij ter zagotavljanje informacijskih storitev.

Namen nadzornih sistemov je organizacija in upravljanje materialnih, energetskih in informacijskih procesov.

Servisni sistemi se ukvarjajo z vzdrževanjem določenih meja delovanja proizvodnih in nadzornih sistemov.

Obstaja veliko konceptov sistema. Razmislimo o konceptih, ki najbolj v celoti razkrivajo njegove bistvene lastnosti (slika 1).

riž. 1. Pojem sistema

"Sistem je kompleks medsebojno delujočih komponent."

"Sistem je niz med seboj povezanih delovnih elementov."

"Sistem ni samo zbirka enot ... ampak zbirka odnosov med temi enotami."

In čeprav je koncept sistema opredeljen na različne načine, običajno pomeni, da je sistem določen niz medsebojno povezanih elementov, ki tvorijo stabilno enotnost in celovitost, ki ima integralne lastnosti in vzorce.

Sistem lahko definiramo kot nekaj celote, abstraktnega ali realnega, sestavljenega iz soodvisnih delov.

Sistem je lahko vsak živ predmet in nežive narave, družba, proces ali niz procesov, znanstvena teorija itd., če definirajo elemente, ki tvorijo enotnost (celovitost) s svojimi povezavami in medsebojnimi odnosi, kar na koncu ustvari niz lastnosti, ki so edinstvene za dani sistem in ga razlikujejo od drugih sistemov (lastnost pojavnosti).

Sistem(iz grščine SYSTEMA, kar pomeni "celota, sestavljena iz delov") je niz elementov, povezav in interakcij med njimi in zunanjim okoljem, ki tvorijo določeno celovitost, enotnost in namen. Skoraj vsak objekt lahko obravnavamo kot sistem.

Sistem– je niz materialnih in nematerialnih predmetov (elementov, podsistemov), ki jih združujejo nekakšne povezave (informacijske, mehanske itd.), zasnovana za dosego določenega cilja in ga doseči na najboljši možni način. Sistem je opredeljena kot kategorija, tj. njegovo razkritje se izvaja z identifikacijo glavnih lastnosti, ki so del sistema. Za preučevanje sistema ga je potrebno poenostaviti in hkrati ohraniti osnovne lastnosti, tj. zgraditi model sistema.

Sistem se lahko manifestira kot celovit materialni objekt, ki predstavlja naravno določen niz funkcionalno medsebojno delujočih elementov.

Pomembno sredstvo za karakterizacijo sistema je njegovo lastnosti. Glavne lastnosti sistema se kažejo skozi celovitost, interakcijo in soodvisnost procesov transformacije snovi, energije in informacij, skozi njegovo funkcionalnost, strukturo, povezave in zunanje okolje.

Lastnina– to je kakovost parametrov objekta, tj. zunanje manifestacije metode, s katero se pridobi znanje o predmetu. Lastnosti omogočajo opis sistemskih objektov. Lahko pa se spremenijo zaradi delovanja sistema. Lastnosti so zunanje manifestacije procesa, s katerim se pridobi in opazuje znanje o predmetu. Lastnosti omogočajo kvantitativno opisovanje sistemskih objektov in jih izražajo v enotah določene dimenzije.

Lastnosti sistemskih objektov se lahko spremenijo zaradi njegovega delovanja. Razlikujejo se: :

· osnovne lastnosti sistema Sistem je zbirka elementov . pri določene pogoje

· elemente lahko obravnavamo kot sisteme.. Prisotnost pomembnih povezav med elementi Pod pomembne povezave

· razumemo kot tiste, ki naravno in nujno določajo integrativne lastnosti sistema., Prisotnost določene organizacije

· kar se kaže v zmanjšanju stopnje negotovosti sistema v primerjavi z entropijo sistemotvornih dejavnikov, ki določajo možnost ustvarjanja sistema. Ti dejavniki vključujejo število elementov sistema, število pomembnih povezav, ki jih lahko ima element. Razpoložljivost integrativnih lastnosti

· , tj. neločljivo povezan s sistemom kot celoto, vendar ni neločljivo povezan z nobenim njegovim elementom posebej. Njihova prisotnost kaže, da lastnosti sistema, čeprav so odvisne od lastnosti elementov, niso povsem določene z njimi. Sistem ni reduciran na preprost nabor elementov; Z razgradnjo sistema na ločene dele je nemogoče razumeti vse lastnosti sistema kot celote. – Nastanek

· Integriteta ireduktibilnost lastnosti posameznih elementov in lastnosti sistema kot celote.

· – to je lastnost celotnega sistema, ki je sestavljena iz dejstva, da sprememba katere koli komponente sistema vpliva na vse njegove druge komponente in vodi do spremembe sistema kot celote; obratno pa vsaka sprememba v sistemu vpliva na vse komponente sistema. Deljivost

· – možna je dekompozicija sistema na podsisteme z namenom poenostavitve analize sistema.. Komunikacijske sposobnosti Vsak sistem deluje v okolju, doživlja vplive okolja in posledično vpliva na okolje. Odnos med okoljem in sistemom

se lahko šteje za eno glavnih značilnosti delovanja sistema, zunanjo značilnost sistema, ki v veliki meri določa njegove lastnosti. · Sistem je inherenten, lastnina za razvoj prilagajajo novim razmeram z ustvarjanjem novih povezav, elementov s svojimi lokalnimi cilji in sredstvi za njihovo doseganje. Razvoj – pojasnjuje kompleksne termodinamske in informacijskih procesov

· v naravi in ​​družbi. Hierarhija se nanaša na zaporedno razgradnjo prvotnega sistema na več ravni z vzpostavitvijo razmerja podrejenosti osnovnih ravni višjim. Hierarhija sistema je, da ga je mogoče obravnavati kot element več visokega reda, vsak njegov element pa je sistem.

Pomembna lastnost sistema je vztrajnost sistema, določanje časa, potrebnega za prenos sistema iz enega stanja v drugo za dane krmilne parametre.

· Večnamenskost - sposobnost kompleksen sistem do izvajanja določenega nabora funkcij na dani strukturi, ki se kaže v lastnostih prožnosti, prilagodljivosti in preživetja.

· Prilagodljivost – to je lastnost sistema, da spreminja namen delovanja glede na pogoje delovanja ali stanje podsistemov.

· Prilagodljivost – sposobnost sistema, da spreminja svojo strukturo in izbira možnosti obnašanja v skladu z novimi cilji sistema in pod vplivom okoljskih dejavnikov. Prilagodljiv sistem je sistem, v katerem poteka stalen proces učenja ali samoorganizacije.

· Zanesljivost – To je lastnost sistema, da izvaja določene funkcije v določenem časovnem obdobju z določenimi parametri kakovosti.

· Varnost – sposobnost sistema, da ne povzroča nesprejemljivih vplivov na tehnične objekte, osebje, okolju med njegovim delovanjem.

· Ranljivost – zmožnost poškodb, ko so izpostavljeni zunanjim in (ali) notranjim dejavnikom.

· Strukturalnost – obnašanje sistema določajo obnašanje njegovih elementov in lastnosti njegove strukture.

· dinamičnost je sposobnost delovanja skozi čas.

· Razpoložljivost povratnih informacij.

Vsak sistem ima namen in omejitve. Cilj sistema lahko opišemo s ciljno funkcijo U1 = F (x, y, t, ...), kjer je U1 ekstremna vrednost enega od indikatorjev kakovosti delovanja sistema.

Vedenje sistema lahko opišemo z zakonom Y = F(x), ki odraža spremembe na vhodu in izhodu sistema. To določa stanje sistema.

Stanje sistema je trenutna fotografija ali posnetek sistema, postanek v njegovem razvoju. Določen je bodisi preko vhodnih interakcij ali izhodnih signalov (rezultatov), ​​bodisi preko makroparametrov, makrolastnosti sistema. To je niz stanj njegovih n elementov in povezav med njimi. Specifikacija določenega sistema se zmanjša na specifikacijo njegovih stanj, začenši od njegovega nastanka in konča z njegovo smrtjo ali prehodom v drug sistem. Pravi sistem ne more biti v nobenem stanju. Za njeno stanje veljajo omejitve - nekateri notranji in zunanji dejavniki (na primer, oseba ne more živeti 1000 let). Možna stanja realnega sistema tvorijo v prostoru sistemskih stanj določeno poddomeno Z SD (podprostor) - množico dopustnih stanj sistema.

Ravnotežje– sposobnost sistema, da ob odsotnosti zunanjih motečih vplivov ali ob stalnih vplivih ohranja svoje stanje neomejeno dolgo.

Trajnost je zmožnost sistema, da se vrne v stanje ravnovesja, potem ko je bil iz tega stanja odstranjen pod vplivom zunanjih ali notranjih motečih vplivov. Ta sposobnost je neločljivo povezana s sistemi, ko odstopanje ne presega določene določene meje.

3. Koncept strukture sistema.

Struktura sistema– množica sistemskih elementov in povezav med njimi v obliki množice. Struktura sistema pomeni strukturo, razporeditev, red in odraža določene odnose, medsebojno lego sestavin sistema, t.j. njegove strukture in ne upošteva številnih lastnosti (stanj) njegovih elementov.

Sistem je mogoče predstaviti s preprostim naštevanjem elementov, vendar najpogosteje pri preučevanju predmeta takšna predstavitev ni dovolj, ker ugotoviti je treba, kaj je predmet in kaj zagotavlja izpolnjevanje njegovih ciljev.

riž. 2. Struktura sistema

Koncept sistemskega elementa. Po definiciji element- To komponento kompleksna celota. V našem konceptu je kompleksna celota sistem, ki predstavlja celovit kompleks med seboj povezanih elementov.

Element- del sistema, ki je samostojen glede na celoten sistem in je s tem načinom ločevanja delov nedeljiv. Nedeljivost elementa se obravnava kot neprimernost upoštevanja njegove notranje strukture v modelu danega sistema.

Za sam element so značilne le njegove zunanje manifestacije v obliki povezav in odnosov z drugimi elementi in zunanjim okoljem.

Komunikacijski koncept. Povezava– niz odvisnosti lastnosti enega elementa od lastnosti drugih elementov sistema. Vzpostavitev povezave med dvema elementoma pomeni ugotavljanje prisotnosti odvisnosti v njunih lastnostih. Odvisnost lastnosti elementov je lahko enostranska ali dvostranska.

Odnosi– niz dvosmernih odvisnosti lastnosti enega elementa od lastnosti drugih elementov sistema.

Interakcija– niz medsebojnih odnosov in odnosov med lastnostmi elementov, ko ti pridobijo naravo interakcije med seboj.

Koncept zunanjega okolja. Sistem obstaja med drugimi materialnimi ali nematerialnimi predmeti, ki niso vključeni v sistem in jih združuje pojem "zunanje okolje" - predmeti zunanjega okolja. Vhod označuje vpliv zunanjega okolja na sistem, izhod označuje vpliv sistema na zunanje okolje.

V bistvu je razmejitev ali identifikacija sistema delitev določenega področja materialnega sveta na dva dela, od katerih se eden obravnava kot sistem - predmet analize (sinteze), drugi pa kot zunanje okolje. .

Zunanje okolje– niz predmetov (sistemov), ki obstajajo v prostoru in času, za katere se predpostavlja, da vplivajo na sistem.

Zunanje okolje je skupek naravnih in umetnih sistemov, za katere ta sistem ni funkcionalen podsistem.

Vrste struktur

Razmislimo o številnih tipičnih sistemskih strukturah, ki se uporabljajo za opis organizacijskih, ekonomskih, proizvodnih in tehničnih objektov.

Običajno je pojem "struktura" povezan z grafični prikaz elemente in njihove povezave. Vendar pa je strukturo mogoče predstaviti tudi v matrični obliki, obliki množično-teoretičnega opisa, z uporabo jezika topologije, algebre in drugih orodij za modeliranje sistemov.

Linearno (zaporedno) za strukturo (sl. 8) je značilno, da je vsako vozlišče povezano z dvema sosednjima. Ko odpove vsaj en element (povezava), se struktura uniči. Primer takšne strukture je tekoči trak.

Prstan konstrukcija (slika 9) je zaprta; katera koli dva elementa imata dve smeri povezave. To poveča hitrost komunikacije in naredi strukturo bolj vzdržljivo.

Cellular za strukturo (slika 10) je značilna prisotnost rezervnih povezav, kar povečuje zanesljivost (preživetje) delovanja strukture, vendar vodi do povečanja njenih stroškov.

Večkratno povezano struktura (slika 11) ima strukturo popolnega grafa. Zanesljivost delovanja je največja, učinkovitost delovanja visoka zaradi prisotnosti najkrajših poti, stroški so največji.

Zvezda struktura (slika 12) ima osrednje vozlišče, ki deluje kot središče, vsi drugi elementi sistema pa so podrejeni.

Graphovaya struktura (slika 13) se običajno uporablja pri opisovanju proizvodnih in tehnoloških sistemov.

Omrežje struktura (neto)- vrsta strukture grafa, ki predstavlja dekompozicijo sistema v času.

Na primer, struktura omrežja lahko odraža vrstni red delovanja tehničnega sistema (telefonskega omrežja, električno omrežje itd.), stopnje človekove dejavnosti (v proizvodnji - mrežni diagram, v načrtovanju - mrežni model, v načrtovanju - mrežni model, mrežni načrt itd.).

Hierarhično struktura se najpogosteje uporablja pri načrtovanju nadzornih sistemov; višja kot je hierarhična raven, manj povezav ima njeni elementi. Vsi elementi razen zgornjega in spodnjega nivoja imajo tako poveljniško kot podrejeno nadzorno funkcijo.

Hierarhične strukture predstavljajo razgradnjo sistema v prostoru. Vsa oglišča (vozlišča) in povezave (loki, robovi) obstajajo v teh strukturah hkrati (niso časovno ločeni).

Hierarhične strukture, v katerih je vsak element nižje ravni podrejen enemu vozlišču (eni točki) višje (in to velja za vse ravni hierarhije), imenujemo drevesasto strukture (strukture vrsta "drevo"; strukture, na katerih se izvajajo drevesni vrstni odnosi, hierarhične strukture z močan povezave) (slika 14, a).

Strukture, v katerih je lahko element nižje ravni podrejen dvema ali več vozliščem (vozliščem) višje ravni, imenujemo hierarhične strukture z šibka povezave (slika 14, b).

V obliki hierarhičnih struktur so zasnove kompleksnih tehničnih izdelkov in kompleksov, strukture klasifikatorjev in slovarjev, strukture ciljev in funkcij, proizvodne strukture, organizacijske strukture podjetja.

Na splošno izrazhierarhijaširše pomeni podrejenost, vrstni red podrejenosti oseb z nižjim položajem in činom višjim, nastalo je kot ime »karierne lestvice« v veri, pogosto se uporablja za označevanje odnosov v vladnem aparatu, vojski, itd., potem se je koncept hierarhije razširil na vsak usklajen vrstni red objektov glede na podrejenost.

Tako je v hierarhičnih strukturah pomembno le izpostaviti nivoje podrejenosti, med nivoji in komponentami znotraj nivoja pa je lahko poljubno razmerje. V skladu s tem obstajajo strukture, ki uporabljajo hierarhično načelo, vendar imajo posebne značilnosti, zato jih je priporočljivo posebej izpostaviti.