Свойства динамических систем реферат

Обновлено: 07.07.2024

Обычно различаются четыре динамических свойства системы.

Функциональность.Процессы Y(t), происходящие на выходах системы, рассматриваются как её функции. Функции системы – это её поведение во внешней среде, результаты её деятельности, продукция, производимая системой.

Из множественности выходов вытекает множественность функций, каждая из которых может быть кем-то и для чего-то использована. Поэтому одна и та же система может служить для разных целей. Субъект, использующий систему в своих целях, будет, естественно, оценивать её функции и упорядочивать их по отношению к своим потребностям. Так появляются понятия главной, второстепенной, нейтральной, нежелательной, лишней функции и т.д.

Стимулируемость.На входах системы также происходят определённые процессы X(t), воздействующие на систему и превращающиеся после ряда преобразований в системе в Y(t). Воздействия X(t) называются стимулами, а сама подверженность любой системы воздействием извне и изменение её поведения под этими воздействиями – стимулируемостью.

Изменчивость системы со временем.В любой системе происходят изменения, которые необходимо учитывать. В терминах модели системы можно сказать, что изменяться могут значения внутренних переменных (параметров) Z(t), состав и структура системы и любые их комбинации. Характер этих изменений тоже может быть различным. Поэтому могут рассматриваться дальнейшие классификации изменений.

Самая очевидная классификация – по скорости изменений (медленные, быстрые. Скорость изменений измеряется относительно какой-либо скорости, взятой за стандарт. Возможно введение большого количества градаций скоростей. Возможна также классификация тенденций перемен в системе, касающихся её структуры и состава.

Можно говорить о таких изменениях, которые не затрагивают структуры системы: одни элементы заменяются другим, эквивалентными; параметры Z(t) могут меняться без изменения структуры. Такой тип динамики системы называют её функционированием. Изменения могут носить количественный характер: происходит наращивание состава системы, и хотя при этом автоматически меняется и её структура, это до некоторого момента не сказывается на свойствах системы (например, расширение мусорной свалки). Такие изменения называются ростом системы. При качественных изменениях системы происходит изменение её существенных свойств. Если такие изменения идут в позитивном направлении, они называются развитием. С теми же ресурсами развитая система добивается более высоких результатов, могут появиться новые позитивные качества (функции). Это связано с повышением уровня системности, организованности системы.

Кроме процессов роста и развития в системе могут происходить и обратные процессы. Обратные росту изменения называют спадом, сокращением, уменьшением. Обратное развитию изменение называют деградацией, утратой или ослаблением полезных свойств.

Можно использовать и другие классификации процессов, происходящих в системе: по предсказуемости процессы делятся на случайные и детерминированные; по типу зависимости от времени процессы делятся на монотонные, периодические, гармонические, импульсные и т.д.

Существование в изменяющейся среде. Изменяется не только данная система, но и все остальные. Для рассматриваемой системы это выглядит как непрерывное изменение окружающей среды. Это обстоятельство имеет множество последствий для самой системы, которая должна приспосабливаться к новым условиям для того, чтобы не погибнуть. При рассмотрении конкретной системы обычно уделяют внимание особенностям той или иной реакции системы, например, скорости реакции. Если рассматривать системы, хранящие информацию (книги, магнитные носители), то скорость реакции на изменения внешней среды должна быть минимальной для обеспечения сохранения информации. С другой стороны, скорость реакции системы управления должна во много раз превосходить скорость изменения окружающей среды, так как система должна выбрать управляющее воздействие ещё до того, как состояние окружающей среды необратимо изменится.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

В силу того, что системный анализ направлен на решение любых проблем понятие системы должно быть очень общим, применимым к любым ситуациям. Выход видится в том, чтобы обозначить, перечислить, описать такие черты, свойства, особенности систем, которые, во-первых, присущи всем системам без исключения, независимо от их искусственного или естественного происхождения, материального или идеального воплощения; а во-вторых, из множества свойств были бы отобраны и включены в список по признаку их необходимости для построения и использования технологии системного анализа. Полученный список свойств можно назвать дескриптивным (описательным) определением системы.

Необходимы нам свойства системы естественно распадаются на три группы, по четыре свойства в каждой.

Статические свойства системы

Динамические свойства системы

Синтетические свойства системы

Из бесконечного числа свойств систем выделено двенадцать присущих всем системам. Они выделены по признаку их необходимости и достаточности для обоснования, построения и доступного изложения технологии прикладного системного анализа.

Но очень важно помнить, что каждая система отличается от всех других. Это проявляется, прежде всего, в том, что каждое из двенадцати общесистемных свойств в данной системе воплощается в индивидуальной форме, специфической для этой системы. Кроме того, помимо указанных общесистемных закономерностей, каждая система обладает и другими, присущими только ей свойствами.

Прикладной системный анализ нацелен на решение конкретной проблемы. Это выражается в том, что с помощью общесистемной методологии он технологически направлен на обнаружение и использование индивидуальных, часто уникальных особенностей данной проблемной ситуации.

Для облегчения такой работы можно употребить некоторые классификации систем, фиксирующие тот факт, что для разных систем следует использовать разные модели, разную технику, разные теории. Например, Р. Акофф и Д. Гарайедаги предложили различать системы по соотношению объективных и субъективных целей у частей целого: системы технические, человеко-машинные, социальные, экологические. Другая полезная классификация, по степени познанности систем и формализованности моделей, предложена У. Чеклендом: "жесткие" и "мягкие" системы и, соответственно, "жесткая" и "мягкая" методологии, обсужденные в гл. 1.

Итак, можно сказать, что системное видение мира состоит в том, чтобы, понимая его всеобщую системность, приступить к рассмотрению конкретной системы, уделяя основное внимание ее индивидуальным особенностям. Классики системного анализа сформулировали этот принцип афористически: "Думай глобально, действуй локально".

Динамические системы довольно популярны в экономическом моделировании. Типы процессов, происходящих в экономических системах:

Детерминированные;
Стохастические;
Хаотические.

Для макроуровня, благодаря действиям объективных экономических законов и регуляторных воздействий государства, более характерные детерминированные процессы.

При хаотичном характере исследуемой системы применения методов экономической динамики позволяет несколько облегчить изучение объекта за счет определения детерминированного механизма его поведения. Это, в свою очередь, позволяет уменьшить неопределенность познания системы.

Динамическая система - это такая система, параметры которой явно или неявно зависят от времени. Итак, если для поведения системы заданные функциональные уравнения, то в них включены в явном виде переменные, относящиеся к разным моментам времени.

Важнейшие свойства сложных динамических систем

Рассмотрим самые важные свойства динамических систем.

1. Целостность (эмерджентность) динамических систем

В системе отдельные части функционируют совместно, составляя в совокупности процесс функционирования системы как целого.

Совокупное функционирование разнородных взаимосвязанных элементов порождает качественно новые функциональные свойства целого, не имеющие аналогов в свойствах его элементов. Это означает принципиальную невозможность сведения свойств системы к сумме свойств ее элементов.

2. Взаимодействие динамической системы с внешней средой

Система реагирует на воздействие окружающей среды, эволюционирует под этим влиянием, но при этом сохраняет качественную определенность и свойства, отличающие ее от других систем.

3. Структура динамической системы

При исследовании системы структура выступает как способ описания ее организации. В зависимости от поставленной задачи исследования осуществляется декомпозиция системы на элементы и вводятся существенные для решаемой проблемы отношения и связи между ними.

Декомпозиция системы на элементы и связи определяется внутренними свойствами данной системы. Структура динамична по природе, ее эволюция во времени и пространстве отражает процесс развития систем.

4. Бесконечность познания динамической системы

Под этим свойством понимается невозможность полного познания системы и всестороннего представления ее конечной множеством описаний, т.е. конечной количеством качественных и количественных характеристик.

Поэтому система может быть представлена множеством структурных и функциональных вариантов, отражающих различные аспекты системы.

5. Иерархичность динамической системы

Каждый элемент в декомпозиции системы может рассматриваться как целостная система, элементы которой, в свою очередь, могут быть также представлены как системы. Но, с другой стороны, любая система - лишь компонент более широкой системы.

6. Элемент динамической системы

Под элементом понимается наименьшее звено в структуре системы, внутреннее строение которой не рассматривается на выбранном уровне анализа. Согласно свойства 5 любой элемент является системой, но на заданном уровне анализа эта система характеризуется только целостными характеристиками.

Целостность, структура, элемент, бесконечность и иерархичность составляют ядро системообразующих понятий общей теории систем и является основой системного представления объектов и формирования концепций системных исследований.

Для более подробного изучения свойств динамических экономических систем (ЭС) необходимо рассмотреть еще ряд дополнительных ее свойств характеристик.

В природных системах связи имеют характер потоков вещества, энергии и информации. Все такие системы называют динамическими. Перечислим ряд их характерных свойств.

Функционирование. Внутри динамических систем (к ним относятся и геосистемы) идут интегральные, взаимосвязанные и взаимовлияющие непрерывные процессы обмена вещества, энергии и информации и их преобразование. Природообустройство ставит перед собой задачу управления потоками вещества и энергии в природе и гармонизации круговоротов, т.е. нахождения такого оптимального уровня воздействия, который не приводит к неблагоприятным изменениям в управляемой системе. Единство, интегральность природных процессов представляет сложность для их моделирования.

Устойчивость– способность восстанавливать или сохранять структуру и другие свойства при резком изменении внешних воздействий. Устойчивость возможна как раз в силу некоторой изолированности от окружающей среды, неполной открытости системы, которая обсуждена ранее. Устойчивость геосистем и компонентов природы растет с увеличением их внутренней неоднородности и разнообразия.

Природную устойчивость геосистем следует отличать от устойчивости техно-природных систем, которая заключается в способности выполнять заданные социально-экономические функции.

Динамичность– способность обратимо изменяться под действием периодически меняющихся внешних факторов без перестройки структуры или с незначительной перестройкой.

Способность развиваться -геосистемы эволюционно изменяются, т.е. происходит направленное необратимое изменение, приводящее к коренной перестройке структуры, т.е. к появлению новых геосистем.

Скорость изменения зависит от ранга геосистемы: быстрей изменяются фации, затем – урочища, местности, время изменения ландшафтов и их групп измеряется геологическими масштабами. Эволюционные изменения можно, в лучшем случае, замедлить. Приостановить или повернуть вспять невозможно без серьёзного нарушения устойчивости геосистемы. Это свойство нужно для адаптации системы к окружающей среде, оптимизации внутренних и внешних связей.

Свойства геосистем как земных природных систем

Продуцирование биомассы– важнейшее свойство геосистем, заключающееся в синтезе органического вещества первичными продуцентами, важнейшие из которых на суше - зеленые растения, которые при использовании солнечной энергии извлекают двуокись углерода из атмосферы, а из почвы с водными растворами - зольные элементы и азот.

Способность почвообразования – отличительное свойство земных ландшафтов, заключающееся в образовании почвы, которая, являясь продуктом функционирования, стала и важным компонентом природы.

Почва - особое природное тело, которое образуется в результате взаимодействия живых организмов и их остатков с наружными слоями литосферы, предварительно подвергшимися измельчению под действием воды, солнца, ветра (В.В. Докучаев).

Почвы обладают неоценимым свойством – плодородием, т.е. способностью удовлетворять потребности сельскохозяйственных растений в факторах и условиях их роста и развития.

Устойчивость геосистем

Отдельного рассмотрения заслуживает свойство устойчивости геосистем. Часто изменение природных систем в первую очередь отражается на их устойчивости.

Приведем общие критерии природной устойчивости геосистем. Прежде всего, это высокая организованность, интенсивное функционирование и сбалансированность функций геосистем, включая биологическую продуктивность и возобновляемость растительного покрова. Эти качества определяются оптимальным соотношением тепла и влаги, а находят свое выражение, например, в степени развитости почвенного покрова, и, в конечном итоге, в плодородии почв.

Устойчивость геосистем зависит от внутренней неоднородности компонентов и растет с повышением ее ранга. В этом смысле наименее устойчивой является фация – наименьшая геосистема, характеризуемая однородными условиями местоположения и местообитания и одним биоценозом. Фации сильней всего откликаются как на изменение внешних природных условий, так и на деятельность человека. Они наиболее радикально изменяются при природопользовании. Более крупные геосистемы в меньшей степени подвержены изменениям.

Особенности геосистемного подхода

Геосистемный подход к природообустройству наиболее полный из ныне существующих. При природообустройстве очень важно четко обозначить объект этой деятельности. Это имеет не только методологическое, но и большое практическое значение. Воздействие на отдельные компоненты природы – это, в сущности, абстракция, ибо эти компоненты не автономны.

Геосистемный подход по сравнению с экосистемным отличается большей полнотой, т.к. рассматривает систему, в которой есть связи каждого компонента со всеми остальными. При экосистемном подходе детально изучаются взаимосвязи живого и неживого, но выпадают из рассмотрения связи между косными компонентами природы. Экосистема – единство отдельного организма или популяции (сообщества организмов) и среды обитания.

При природообустройстве, равно как и при природопользовании, надо рассматривать целостные геосистемы. Конечно, в каждом конкретном случае можно выделить главный объект природообустройства – определенный компонент геосистемы, не забывая, что он тесно связан с другими. Например, при мелиорации сельскохозяйственных земель главным объектом деятельности является почва, как среда и средство для жизни растений. В других случаях это могут быть поверхностные или подземные воды, грунты, как основания для сооружений.

Общие положения и принципы

Анализ истории развития мелиораций выполнен по отдельным крупным регионам и почвенно-климатическим зонам. Начать этот анализ было целесообразно с пустынной зоны, включающей Среднюю (Центральную) Азию и Закавказье, где к началу XIX века уже имелся многовековой опыт орошения.

К этому времени в государствах рассматриваемых регионов существовала сложная и эффективная система орошаемого земледелия. Орошение играло исключительно важную роль в жизни общества, от него зависело состояние сельского хозяйства - решающей отрасли экономики. Созданные в глубокой древности оросительные системы, непрерывно расширялись и совершенствовались. Анализ истории развития орошения в Средней (Центральной) Азии представляет большой научный и практический интерес по следующим соображениям:

1. Обобщение имеющегося многовекового опыта позволяет оценить, насколько обоснованным было вмешательство России после присоединения Туркестана в развитие туземного орошения, и в какой мере в последующем был учтен этот опыт орошаемого земледелия, обеспечивающий высокую продуктивность орошаемых земель и рациональное использование водных ресурсов.

2. История развития орошения в Средней (Центральной) Азии и Закавказье в период с 1895 по 1990 годы по существу отражает историю развития мелиорации как науки и отрасли хозяйства со всеми ее просчетами и ошибками. Это были своего рода полигоны, на которых методом проб и ошибок отрабатывалась теория и практика орошения земель, и решались важные социально-экономические и политические проблемы (хлопковая независимость, гидроэнергетика и др.).

3. Наконец, насколько обосновано этот опыт был использован при широком развитии орошения в Российской Федерации, в Украине и Молдове, и какие последствия имело это использование.

Основные методы и модели

Для анализа истории развития орошения требуется рассмотрения следующих вопросов:

1. Оценки особенностей региональных природных систем и потребности в орошении и других мелиоративных мероприятиях.

2. Обобщения имеющегося опыта орошения земель.

3. Оценки наиболее эффективных с точки зрения природообустройства путей решения проблемы использования водных и земельных ресурсов.

4. Анализа принимаемых в различное время решений и соответствия их требованиям природообустройства.

Только в этом случае возможен объективный анализ истории развития орошения в различных регионах страны, включающий оценку обоснованности принимаемых решений и последствий их реализации.

Использование системного подхода при оценке особенностей региональных природных объектов позволяет ограничиться анализом основных системных свойств, состава и взаимодействия отдельных компонент и зависимости их от средообразующих факторов. Такой анализ предусматривает использование обобщающих показателей, характеризующих основные свойства, как отдельных компонент, так и объекта в целом. К числу основных свойств природных систем относятся: структура (строение), открытость, целостность и функционирование.

Структура (строение) и целостность природных систем определяется горизонтальной и вертикальной организацией, то есть геоморфологическими, орографическими и геоботаническими условиями, отражающими географическую зональность и представляющими объект как совокупность потоков вещества и энергии. Для анализа этих свойств природных систем могут быть использованы уравнения теплового, водного и геохимического балансов и баланса органического вещества. Анализ структуры и целостности природных систем позволяет оценить общую направленность и интенсивность процессов поступления и расходования вещества и энергии в системе и отвод за ее пределы.

Для определения среднемноголетних элементов регионального водного и солевого балансов должны быть использованы уравнения связи водного и энергетического балансов и результаты геохимических исследований.

Он отражает совокупность основных средообразующих факторов, как для автоморфных

так и для гидроморфных условий

где I_c - радиационный индекс сухости;

R - радиационный баланс, кДж/см 2 в год;

Ос - годовая сумма атмосферных осадков, см;

L - скрытая теплота парообразования, кДж/см 3 год на 1 см слоя воды;

Ег - испарение с поверхности грунтовых вод, см.

Величина I_c характеризует связь энергетического и водного балансов (энергию Солнца, испарение и влагообмен с грунтовыми водами), т.е. основные факторы, определяющие гидрогеологические и геохимические условия.

Преимуществом этого показателя, являющегося одновременно и обобщающей характеристикой приземного слоя атмосферы, состоит в том, что I_c дает представление о балансе тепла и влаги, позволяет оценить тип водного и солевого режимов почв, интенсивность биологических процессов и, самое главное, зависимость почвенно-мелиоративных геоботанических и геохимических условий от этого параметра.

При использовании I_c учитывается идея показателя увлажненности Докучаева. Последнее обстоятельство является очень важным, поскольку дает возможность выявить основные факторы, лимитирующие плодородие почв. Не менее важным является также возможность учета хозяйственной деятельности (орошения) на формирование гидротермических условий

где I_c – индекс сухости в условиях антропогенного воздействия;

W – дополнительное поступление влаги в результате орошения земель или осуществления агролесотехнических мероприятий, см;

R₁ – радиационный баланс в измененных условиях, кДж/см 2 в год.

где R₀ и R₁ – величины радиационного баланса до и после распашки и освоения земель, кДж/см 2 в год;

А₀ и А₁ – альбедо в естественных и измененных условиях, в долях от единицы.

Величины испарения, поверхностного и подземного стока определяются из выражений (в относительных величинах):

Для автоморфных условий:

Для гидроморфных условий

где Еа, Ег - испарение в автоморфных и гидроморфных условиях, мм;

Ос -сумма атмосферных осадков, мм;

g_a, g_r - влагообмен между почвенными и нижележащими горизонтами, мм;

th, ch и sh - гиперболический тангенс, косинус и синус;

Δ и Δ_кр –глубина залегания и критическая глубина грунтовых вод.

При изучении динамических свойств рассматриваемой природной системы решающую роль играет функционирование, отражающее механизм формирования и развития системы. Это свойство вытекает из представления о том, что связь между компонентами внутри системы значительно устойчивее, чем связь между сопредельными системами. Специфику системы определяют в основном свойства и взаимодействие отдельных компонент природы. Таким образом, для оценки функционирования, как свойства природной системы, необходимо знать обобщенные характеристики основных компонент и связи их между собой и средообразующими факторами.

Обобщенные (интегральные) показатели отдельных компонент природных систем должны отвечать следующим основным требованиям:

универсальности, то есть возможности характеризовать основные свойства каждой компоненты;

интерпретируемости с точки зрения экологии, экономики и управления;

связи с основными средообразующими факторами.

К основным средообразующим факторам, определяющим формирование почвенно-мелиоративных и экологических условий природных систем, следует отнести, в первую очередь, ресурсы солнечной радиации и естественного увлажнения.

Рис. 2.1. Факторы почвообразования (А), водно-физические (Б) и физико-химические (В) свойства почв [17]:

I - гумидная зона; II - степная зона; III - сухостепная зона; IV - пустынная зона;

1 – отношение R/LOc

2 - отношение ежегодного опада к биомассе;

3 - энергия почвообразования;

4 – содержание частиц 3 мДж/т;

a₁ – коэффициент, характеризующий состояние растительности;

A = 3 –коэффициент пропорциональности.

где S - индекс плодородия, характеризующий относительное плодородие почв, баллы; G_Г и G_Ф - запасы гуматного и фульватного гумуса, т/га; N, Р, К- относительное содержание элементов минерального питания, в долях от максимального их содержания в почве; Н_г - гидролитическая кислотность, мг-экв/100 г; а₂, b, γ, а₃- коэффициенты пропорциональности: а₂ =0,011 га/т; b = 8,5; γ= 5,1; a₃=4 мг-экв/100 г.

Читайте также: