24

АИУС

Одной из характерных черт современной научной и техни­ческой деятельности является представление исс­ле­дуемых и проек­тируемых объектов как систем.

Существует множество определений понятия “система”.

Это обусловлено тем, что авторы рассматривают различные классы систем и различные уровни обобще­ния.

1. БСЭ: Система - объективное единство законо­мерно связан­ных друг с другом предметов, явлений, а также знаний о природе и обществе.

2. Система - это не сумма элементов, а целостное об­разование с новыми свойствами, которыми не обладают ее элементы.

Основой понятия “система” является, таким образом, наличие связей между объединяемыми в систему элемен­тами. ( Элемент без связи - не система.)

Таким образом, при определении объекта как систе­мы пред­полагается, что объект есть совокупность элеме­н­тов и их свойств, которые могут рассматриваться как единое целое благодаря связям между ними. Система - не сумма элементов, а образование с новы­ми свойствами, которыми не обладают ее элементы.

Системы могут быть экономические, биологические, техничес­кие и т. д.

Системы управления обладают общим свойством - стремлени­ем достичь некоторой цели.

Системы управления представляют собой особый класс сис­тем, которые характеризуются наличием само­стоятельных функций и заданных целей управления.

Любая СУ является взаимосвязанной совокупностью объекта управления (управляемой подсистемы) и регуля­тора (управляющей подсистемы). Объект управления как открытая система взаимодей­ствует с внешней средой, ко­торая оказывает на него возмущающее воздействие. Ре­гулятор, имея информацию о цели управления или о же­лаемом состоянии объекта, формирует управляющее воздействие (управление), которое обеспечивает соответ­ствие реального состо­яния объекта желаемому .

Качество управления оценивается критерием

.

СУ по степени определенности, как и модели, бывают детер­минированными и стохастическими.

В детерминированных системах каждое последующее состоя­ние системы может быть определено по предыдущему и некоторой дополнительной информации.

В стохастических системах на основе предыдущего состояния можно предсказать лишь множество возмож­ных последующих со­стояний и определить вероятность каждого из них.

Классификация аиус

В зависимости от степени автоматизации функций управления различают автоматизированные и автомати­ческие системы управ­ления. В автоматических системах процесс управления реализуется без непосредственного участия человека. В автоматизированных - процесс управления осуществляется частично человеком, а час­тично автоматическими устройствами.

В автоматизированных информационно-управляющих системах (АИУС) с помо­щью вычислительной техники и других технических средств выполняются функции сбора, регист­рации, анализа информации, а также ее преобразования для выпо­лнения операций принятия ре­шений. Для этого используют систем­ные и экономико-математические методы и модели, позволяющие полу­чить близкие к оптимальным решения.

АИУС - это человеко-машинные системы, проектируемые с использованием тео­рии систем, экономико-математических методов, средств вычис­лительной техники и передачи информа­ции для реализации наибо­лее эффективного управления объектом.

Объектом управления АСУ могут быть материаль­ные, техни­ческие, организационные, экономические, социальные и другие системы.

АИУС

СУ с Ч-0 в

контуре управления

АСУП

АСУТП

САПР

АИУС

различного назначения

Автоматизированные обучающие

системы

АСОЭД

Автоматизированные системы научных

исследований

Гибкие

производственные системы

Автоматизированные системы планирования эксперимента

...

Приведенная классификация не является строгой и приведена с целью показать разнообразие задач, решаемых с помощью АИУС.

Рассмотрим коротко назначение АИУС.

Системы управления с человеком-оператором в контуре управления это сложная техническая система, в контуре управления которой наравне с техническими устройствами используется и человек-оператор. Примером таких устройств могут быть системы управления сближением космических кораблей, системы с роботами-манипуляторами при работе с радиоактивными веществами, где не всегда можно довериться техническим средствам и т.д.

При проектировании АИУС этого класса необходимо учитывать характеристики человека-оператора (Ч-О) как элемента системы.

Ч-О в таких системах может выполнять ряд функций:

-датчик информации (визуальной, звуковой, тактильной и т.д.),

-устройство обработки информации и принятия решения,

-исполнительное устройство и т.д.

Каждая функция Ч-О при проектировании АИУС этого класса должна быть описана с учетом его реальных характеристик.

Обычно математическую модель Ч-О представляют инерционным звеном или звеном с чистым (транспортным) запаздыванием или сочетанием этих звеньев.

Автоматизированные системы управления предприятием.

В АСУП объект управления - предприятие с упором на управ­ление человеческими коллективами.

В АСУП основной канал передачи информации - до­кумент.

Производство, предприятие являются сложными объ­ектами с большим количеством подсистем и сложными связями между ними. Управление такими объектами - сложная задача и решается она с помощью АСУП, которая управляет всем циклом производства, на­чиная от НИР и кончая сбытом готовой продукции.

АСУП - многоуровневая иерархическая система.

В нее входит множество подсистем, назначение которых определяется задачами, решаемыми предприятиями.

Это могут быть, например, для ВУЗов, диспетчерская подсистема, составляющая и координирующая расписание занятий, система бухгалтерского учета, подсистема, координирующая научную деятельность ВУЗа и т. д.

Рассмотрим структурную схему иерархической си­стемы управления производством (функционально-целе­вая декомпозиция АСУ).

Планирование и распределение

ресурсов предприятия

Оперативное (календарное) пла-

нирование и текущее управле-

ние (диспетчеризация)

Управление технологическими

процессами в реальном времени

Технологичес-

кий процесс

Технологичес-

кий процесс

. . .

На верхнем уровне управления решаются задачи планирова­ния ресурсов предприятия (к ним относятся: сырьевые ресурсы, технические, кадровые, готовая про­дукция, информация и т. д.), а также задачи распределе­ния этих ресурсов. Здесь составляются планы предприя­тия по выпуску продукции на весь плановый пе­риод (месяц) и конкретизируются планы каждого подразделе­ния или подсистемы.

Оперативное планирование устанавливает задания по объе­мам выпуска каждого вида продукции каждым подразделением на ближайшую декаду (неделю, сутки). Календарное планирование и текущее управление (диспетчеризация) включает определение плана выпуска каждого производственного звена (участка, агрега­та) на ближайшую смену.

В состав АСУП входит:

1. производственная система;

2. информационно-управляющая система (ИУС), назначение которой состоит:

а) в сборе, хранении, обработке и передаче информа­ционных потоков, поступающих как от производствен­ной системы (от внут­ренних подсистем), так и из внеш­ней среды (вышестоящие органи­зации, другие предприя­тия и т. д.);

б) в выработке на основе полученной информации законов управления (решений), обеспечивающих норма­льное функциони­рование предприятия и оптимизацию некоторых показателей ка­чества.

Для создания АСУП необходимо взаимодействие трех факто­ров:

1. нужно четко представлять, какие показатели каче­ства рабо­ты АСУП нужно оптимизировать;

2. нужно создать математическую модель производ­ственной системы;

3. нужно определить, какие математические методы, по­зволяющие оптимизировать процесс управления произ­водством, целесообразно использовать для решения поставленных задач.

В ИУС в качестве подсистемы входит обеспечиваю­щая подси­стема, состоящая из:

- математического обеспечения, куда входят модели, методы, алгоритмы;

- программного обеспечения - комплекс программ (специальное ПО и общее ПО);

- технического обеспечения - технические средства ав­томати­зации;

- информационного обеспечения.

Автоматизированные системы управления

технологическими процессами. Подсистемы АСУТП.

При управлении технологическими процессами осу­ществляется непосредственное взаимодействие матери­ально-энер­гетических и информационных процессов.

Это взаимодействие осуществляется в реальном масштабе времени и реализуется путем обмена информа­цией между техноло­гическим объектом управления (ТОУ) и системой управления.

Основным признаком АСУТП является технологиче­ский ха­рактер объекта управления. Задачами верхнего (предыдущего) уровня для систем управления ТП явля­ются задачи оперативного планирования производства. ТОУ характеризуется высокой раз­мерностью входных и выходных переменных, сложной неявной связью между переменными на входе и выходе, большой неопреде­лен­ностью по отношению к внешней среде, нестационарно­стью, нелинейностью, стохастичностью процессов, большим количеством помех.

В качестве ТОУ можно рассматривать технологиче­ские агре­гаты, группы станков, производственные участки, цехи, производ­ственные процессы всего пред­приятия.

АСУТП предназначены для выработки и реализации управ­ляющих воздействий, обеспечивающих желаемый вид процессов в ТОУ.

Совместно функционирующие ТОУ и АСУТП обра­зуют ав­томатизированные технологические комплексы (АТК).

АСУТП являются частным видом СУ с обратными связями. Они характеризуются наличием самостоятель­ных функций и целей управления и строгой системной организацией.

Это человеко-машинные системы управления, обес­печиваю­щие автоматизированный сбор и обработку ин­формации о функ­ционировании ТОУ. На основе этой информации АСУТП осущес­твляют оптимизацию про­цессов в ТОУ в соответствии с принятыми критериями.

Характерные особенности АСУТП:

1. Наличие в их составе современных вычислитель­ных средств сбора и обработки информации.

2. Человек выступает в роли субъекта труда, основ­ные функ­ции которого в принятии управляющих реше­ний на основе предо­ставляемой ему информации о ТОУ и данных о возможных альте­рнативных вариантах реше­ний.

3. Выработка управляющих воздействий производит­ся в ре­альном масштабе времени.

4. Имеет многоуровневую иерархическую структуру и обеспе­чивает управление совокупностями АТК, ТОУ, вспомогательными процессами (транспортировки, скла­дирования и т. д.), входящими в состав производства.

Цели функционирования АСУТП в каждом конкрет­ном слу­чае могут быть разными. В качестве примеров можно указать эко­номию топлива, сырья, энергии и дру­гих видов производственных ресурсов; повышение ка­чества конечного продукта, достижение оптимальных за­грузок оборудования, оптимизацию режимов ра­боты ТОУ и т. д.

Поскольку задачи управления производством очень сложные, то при их технической реализации осуществ­ляют разбиение (декомпозицию) этих задач на частные задачи. Поэтому техниче­ская реализация АСУТП приво­дит к централизованным и децент­рализованным иерар­хическим структурам управления. В целом иерархичес­кие структуры представляют собой комбинацию двух структурных систем управления - горизонтальной и вер­тикальной.

Горизонтальная иерархия определяется связями между отдель­ными подсистемами АТК. Так как эти связи могут быть сильными или слабыми, то по разному может реализовываться и горизонта­льная иерархия. Горизонта­льная иерархия определяется горизон­тальной декомпо­зицией задач управления. Например

Горизонтальная иерархия в управлении ТП

1

координирующая

ЭВМ

МикроЭВМ

. Управление План

участком АСУТП

МикроЭВМ

МикроЭВМ

С

Здесь горизон-тальные связи слабые

ырье Сырье Сырье

Агрегат 1

Агрегат n

Агрегат 2

Изделие1 ТОУ Изделие2 Изделие n

2

координирующая

ЭВМ

МикроЭВМ

. Управление План

цехом АСУТП

МикроЭВМ

МикроЭВМ

С

Здесь горизон-тальные связи сильнее

Изделие

ырье

Операция 1 1

Операция n

Операция 2

ТОУ

3

координирующая

ЭВМ

. Управление План

ТП АСУТП

МикроЭВМ

МикроЭВМ

Здесь горизон-тальные связи очень сильные

Технологический агрегат (ТОУ)

Вертикальная декомпозиция задач ТП приводит к вертикаль­ной иерархии СУ. Эта иерархия видна и на предыдущих трех ри­сунках (управление ТП  цехом  участком), но лучше ее пред­ставить в другом виде.

Вертикальная иерархия в управлении ТП

3 уровень

Глобальная

координация

Критерии

2 уровень

Оптимальное

управление

процессом

1 уровень

Стабилизация

параметров

процесса

Измеряемые

переменные

Технологический

объект управления

На первом, нижнем, уровне обеспечивается задача стабилиза­ции пара

метров после каждой операции. На втором уровне реша­ется задача согласования значений управляющих воздействий для каждой операции с целью обеспечения требуемого значения пара­метра конечного продукта.

Эта задача может решаться как задача оптимального управле­ния, на-

пример, расхода ресурса.

На третьем уровне управления определяются необ­ходимые значения

параметров конечного продукта и пе­рераспределения ма­териальных потоков с целью выпуска соответствующего его коли­чества с различными требуе­мыми параметрами (глобальная коор­динация). Решение задач на каждом уровне осуществляется с по­мощью мо­делей, которые соответствуют различным уровням опи­сания технологического процесса.

В зависимости от вида задач автоматизации ТП, СУ может со­держать

разное число уровней. Следует отмети­ть, что на каждом уровне управления задачи решаются со своим ритмом, им присуща разная частота принятия решений. На низком уровне частота при­нятия решений более высокая, на верхнем - ниже.

Гибкие производственные системы – смотри отдельный раздел.

Из приве­денного выше материала видно, что в АСУТП, АСУ, ГПС, а так-

же АИУС других назначений имеется много общих за­дач. Решение некоторых из них мы рассмотрим в данном курсе.

САПР- системы автоматизированного проектирования- в них автоматизированы процессы разработки как отдельных элементов систем, так и различных более сложных комплексов. Этим системам посвящен специальный курс, который читается на 5 курсе.

АИУС различного назначения. Это могут быть системы технической диагностики, различные экспертные системы, системы медицинской диагностики и т. п.

Автоматизированные системы научных исследований. Это очень широкий класс АИУС с разнообразными задачами, такими как, например, Автоматизированные системы обработки экспериментальных данных, системы планирования эксперимента, системы прогнозирования в развитии разнообразных процессов и т.п.

Основным научным методом изучения систем стал системный анализ.

Под системным анализом понимают всестороннее, систематизирован-

ное, т. е. построенное на основе опре­деленного набора правил, изучение сложного объекта в целом со всеми внутренними и внешними связями, про­водимое для выяснения возможностей улучшения функ­ционирования этого объекта.

В зависимости от характера используемого набора правил си­стемный

анализ можно выполнять на уровне логики или здравого смысла. Научным методом систем­ный анализ является лишь тогда, когда используется ко­личественный анализ .

На современном уровне развития системный анализ систем управления

еще не является научным методом в строгом смысле, поскольку для ряда его этапов формаль­ный аппарат пока не суще­ствует. Некоторые этапы ана­лизируются на содержательном уровне, на основе ло­гики, здравого смысла, инженерного опыта, интуиции.

Однако в последнее время число таких этапов сокра­щается, активно ис-

пользуются при разработке систем методы математичес­кого программирования, новое на­правление научных исследова­ний - исследование опера­ций, традиционные математические мето­ды - теория ве­роятностей, статистика, марковские процессы, теория графов и т. д.

Укрупнено системный анализ состоит из следую­щих этапов:

- постановка задачи;

- структуризация системы;

- построение и исследование модели.

Постановка задачи на начальном этапе системного анализа рассматривается в широком смысле слова.

Применительно к системам управления выясняется назначение системы и исследования, так как от этого су­щественно зависит со­держание последующих этапов. Отмечается важность этого этапа, но нет никаких фор­мальных конкретных рекомендаций.

Рекомендуется ответить на все вопросительные слова: что, где, как, кто, почему и т. д.

Рекомендуется много и серьезно обдумывать поста­новку зада­чи и критически относится к опыту специалис­тов, работающих с аналогичными системами, так как да­леко не все принятые ранее решения являются оптималь­ными.

Структуризация системы - подразумевает необходи­мость определения границ системы и внешней среды.

Для этого нужно определить набор элементов, свя­занных с по­ставленной на предыдущем этапе задачей и разделить их на два класса - исследуемую систему и внешнюю среду.

Такое деление существенно зависит от поставленной задачи - меняется постановка задачи - изменяются гра­ницы системы, внеш­няя среда.

Определение структуры самой системы и внешней среды про­изводят раздельно, при этом выделяются под­системы и определя­ются существенные связи. Таким об­разом, определяются входы (связи, направленные внутрь системы) и выходы (связи, направле­нные из системы во внешнюю среду) системы.

Построение модели. Модель - приближенное, упро­щенное представление процесса или объекта.

Модели существенно облегчают понимание системы, позво­ляют проводить исследования в абстрактном плане, прогнозиро­вать поведение системы в определенных условиях, проводить ана­лиз и синтез различных систем одними методами.

Преимущество модели - возможность сравнительно простыми средствами изменять параметры системы и от­слеживать их влияние на состояние системы.

Модели могут быть статическими (характеристики не меняют­ся во времени) и динамическими.

Модели бывают:

1. Описательные - словесное описание исследуемого процесса или объекта. Такая модель называется нефор­мализованной. Это наиболее грубые и неточные модели.

2. Графические модели, когда исследуемый объект или процесс представляется в виде фотографии, записи на кино- или магнитную пленку, чертежом, схемой и т. д.

3. Масштабные модели - представляют собой выполне­нную в некотором масштабе копию исследуемой системы или объекта.

4. Аналоговые модели - основаны на аналогии между процес­сами в различных по физической природе средах или системах.

Масштабные и аналоговые модели часто использу­ются при исследовании технических систем.

5. Математические модели - отражают зависимости между входами и выходами реальной системы или объ­екта в виде некото­рых математических соотношений (дифференциальных уравнений, уравнений регрессии и т. д.). Математические модели бывают де­терминированные (характеристики объекта известны) и вероятнос­тными (когда характеристики объекта изменяются случайным об­разом).

В реальных условиях значения параметров объектов под влиянием большого числа воздействующих на них факторов изме­няются случайным образом. Отражая такие изменения, вероятнос­тные модели яв­ляются более мощным средством анализа, чем дете­рми­нированные.

Некоторые специальные виды математических

моде­лей.

Сетевые модели представляют собой отображение реальных процессов и объектов в терминах теории гра­фов. Граф представля­ет собой схему, состоящую из вер­шин, соединенных ребрами гра­фов.

Такие модели удобны для отображения сети комму­никаций, структуры сложной системы, логических, вре­менных и других свя­зей между элементами.

Графическое представление сетевой модели, отобра­жающей логическую взаимосвязь и временную последо­вательность некото­рых событий, называют сетевым гра­фиком. Сетевые модели позво­ляют оптимизировать та­кие параметры, как время, стоимость, ре­сурсы различных типов.

В ряде случаев модель строится с учетом сочетания этих пара­метров, например, время - стоимость или время - ресурсы. В таких моделях обычно оптимизируется один из этих параметров, а вто­рой рассматривается как огра­ничение, или оптимизируется реше­ние по некоторому смешанному критерию.

Игровые модели используют для описания и исследо­вания конфликтных ситуаций, которые возникают при наличии у двух или более участников ситуации различ­ных, часто противополож­ных целей. Исследование и по­иск оптимальных решений в таких условиях является предметом научного направления - теория игр.

Конфликтные ситуации, весьма характерные для си­стем управления, ранее не относились к области задач точных наук, что объяснялось отсутствием математиче­ского аппарата для их описа­ния и решения. Развитие теории игр позволяет уже сейчас находить оптимальные решения в некоторых сравнительно простых ситуа­циях.

Теоретико-множественные модели используют для описания объекта язык теории множеств - математичес­кой теории, лежащей в основе многих разделов совреме­нной математики.

Программные или алгоритмические модели предста­вляют со­бой программу или комплекс программ, реали­зуемых на ЦВМ.

Функции объекта или закономерности исследуемого процесса в программных моделях отражены в алгоритме самой программы и выражены на алгоритмическом языке.

Программные модели могут включать в себя любые математи­ческие модели, реализованные в виде програм­мы.

В литературе такие модели часто называют имита­ционными (латинское imitatio - подражание, воспроизве­дение). Это название нельзя признать удачным, так как термин “имитация” в интересу­ющем нас смысле является синонимом термина “модель” и в таком понимании лю­бые модели являются имитационными, поскольку они имитируют, отображают тот или иной объект.

Эвристические модели (греческое - нахожу). В этих моделях связи между входами и выходами системы пред­ставлены на основе некоторых не имеющих строгого до­казательства предположений о работе системы, инженер­ного опыта, интуиции.

Иногда эвристическую модель строят по результатам наблю­дений за неформальным поведением сотрудников изучаемой систе­мы. В эвристической модели не имеет значения совпадение внут­ренних закономерностей моде­ли и реального объекта. Важно лишь, что при одинако­вых значениях входов модели и объекта значения выхо­дов оказываются доста­точно близкими. Несмотря на то, что эвристическая мо­дель имеет субъективный характер, сте­пень адекватности модели оригиналу в ряде случаев вполне удо­влетворите­льна.

Эвристические модели разрабатывают в тех случаях, когда сложность системы настолько велика, что она не поддается форма­лизации другими методами. Эвристиче­ские модели используют, в частности, для описания сложных не формализованных процессов принятия реше­ния в системах управления людьми.

Исследование модели - завершающий этап системно­го анали­за.

Основное назначение этого этапа - выяснение пове­дения моде­лируемого объекта или процесса в различных условиях, при раз­ных состояниях внешней среды и само­го объекта.

Полученные результаты позволяют прогнозировать поведение исследуемого объекта при различных услови­ях. В результате ана­лиза результатов изменяют либо па­раметры модели, либо управ­ляющее воздействие, либо и то и другое, пока не будут получены удовлетворительные результаты.

Такой метод “проб и ошибок” применяют тогда, когда не найден способ оптимизации состояния системы или управляющих воздействий.

В данном курсе мы будем учиться решать задачи, по­зволяю­щие оптимизировать состояние объекта или про­цесса.