Методические указания к разработке индивидуального задания

Объект управления (ОУ) в каждом варианте задания представлен тремя агрегатами А₁ , А₂ , А₃ , которые совместно участвуют в выполнении некоторого производственного процесса. Варианты ОУ в основном отличаются условиями взаимодействия агрегатов в составе объекта. На рис.16 приведены 10 вариантов моделей взаимодействия агрегатов. Агрегаты первых шести моделей соответствуют оборудованию по переработке сырья, обработке (сборке) заготовок и получению некоторого продукта. Последние 4 модели соответствуют техническим системам, агрегаты которых отражают оборудование отдельных функциональных подсистем. Организация совместной работы таких подсистем (агрегатов) направлена на достижение эффективных значений характеристик (максимальный КПД, мощность, производительность, экономичность и т. п.).

1) 2) 3)

4) 5) 6)

7) 8)

9) 10)

Рис.16. Варианты моделей ОУ

В модели объекта каждый агрегат представлен одним модулем – имитатором, а позиции в зависимости от характера выполняемого производственного процесса отражают заготовки, сырье, готовую продукцию, отходы, внешние воздействия, значения выходных характеристик функционирования агрегатов, сигналы структурного управления.

В первых шести моделях позиции отражают физические объемы некоторой продукции (сырья), поступающей на вход агрегата или получаемой на его выходе. Работа последних 4 моделей управляется и оценивается информационными данными (числовыми характеристиками). В соответствии с этим позиции на рис.16 помечены признаком управляющего воздействия.

Ниже для каждого варианта модели предлагается исходная версия функционирования объекта управления, которая должна быть положена в основу разработки индивидуального задания.

1. На вход агрегата А₁ поступает один вид сырья (поз. 1), а на вход А₂ – другой (поз. 2). После переработки оба компонента (поз. 3 и 4) поступают в агрегат А₃, где получается конечный продукт (поз. 5). Данная схема взаимодействия агрегатов в зависимости от вида сырья (заготовок) предполагает разные алгоритмы функционирования ОУ и соответственно разные методы управления. Позиции 1 и 2 могут имитировать поступления сырья непрерывным потоком или отдельными порциями, отдельными заготовками или партиями определенного размера. Целью управления во всех этих случаях является организация эффективного производства.

2. Агрегаты А₁ , А₂ , А₃ последовательно преобразуют сырье (заготовки) в конечный продукт. В этой схеме взаимодействия важно согласовать производительность каждого агрегата. С этой целью предусматривается возможность изменения производительности каждого из агрегатов, например, за счет включения или отключения резервных мощностей. Здесь также важен жесткий контроль параметров полуфабрикатов в позициях 2 и 3 и соответствующая подстройка работы агрегатов А₂ и А₃ так, чтобы компенсировать возможные отклонения параметров в позиции 2, а затем и в позиции 3.

3. В результате работы агрегата А₁ входной поток сырья (заготовок) разделяется на две фракции (два типа заготовок), которые поступают на агрегат А₂ (поз. 2) и А₃ (поз. 3). Условия работы каждой цепочки А₁, А₂ и А₁, А₃ можно рассматривать аналогичными работе агрегатов в варианте 2. Помимо этого здесь важно подстраивать параметры, определяющие разделение входного потока, так, чтобы объемы в позициях 2 и 3 были по возможности согласованы с производительностью агрегатов А₂ и А₃.

4. В данной модели каждый агрегат выделяет из сырья определенный продукт (позиции 2, 4 и 6), а оставшееся сырье (позиции 3, 5) поступает на вход следующего агрегата. Позиция 7 соответствует отходам производства. Условия функционирования данного ОУ аналогичны модели 2.

5. Модель 5-го варианта отражает сборочное производство. На вход агрегата А₁ поступают заготовки (позиции 1, 2). На выходе получаются узлы (позиция 4), к которым для сборки поступают заготовки (позиция 3). Аналогично на вход А₃ поступают узлы (позиция 6) и заготовки (позиция 5). На выходе А₃ получаются готовые изделия. Агрегаты А₁, А₂, А₃ могут осуществлять не только сборку, но и выполнять некоторые подготовительные операции. Основная задача управления данным объектом заключается в синхронизации поступления заготовок и перемещении узлов между агрегатами. При этом предполагается, что позиции 4 и 6 выступают в роли накопителей узлов. Это позволяет минимизировать простои агрегатов и повысить эффективность работы сборочного производства в целом.

6. Агрегат А₁ производит продукт разного качества (вида) (позиции 2 и 3). Продукт более высокого качества (позиция 3) поступает непосредственно на агрегат А₃, а продукт, требующий выполнения дополнительных технологических операций (позиция 2) поступает на А₂. После агрегата А₂ одна часть продукта, которая удовлетворяет требуемым характеристикам качества (позиция 5) поступает на А₃, а другая часть (позиция 4) исключается из производственного процесса. Продукты позиций 3 и 5 поступают на вход агрегата А₃ независимо друг от друга и являются равноценными. Эффективность работы объекта в данном случае определяется согласованностью значений пропускных способностей агрегатов, которая достигается подстройкой их производительности. Доля качественного продукта (позиции 3 и 5), выделяемого агрегатами А₁ и А₂ не является постоянной. Заметим также, что позиции 2, 3, 5 рассматриваются как бункеры (накопители) ограниченной емкости.

7. Управление функционированием объекта в данной модели осуществляется внешними воздействиями (позиции 1 и 2) и воздействиями (позиции 3, 4), которые определяются по состояниям агрегатов А₁ и А₂ соответственно. Внешние управляющие воздействия (позиции 1, 2) могут задаваться в виде фиксированных уставок или вычисляться алгоритмами прикладных функций. Из модели следует, что позиция 3 вычисляется на основе состояния агрегата А₁ и непосредственно влияет на работу А₂ и А₃, а позиция 4 отражает влияние состояния А₂ на А₃. Позиции 1, 2, 3, 4 рассматриваются как управляющие воздействия, поступающие на исполнительные механизмы соответствующих агрегатов. Оценка эффективности работы объекта (позиция 5) в данной модели определяется по состоянию агрегата А₃.

8. Особенности данной модели, в отличие от модели 7, заключается в том, что каждый агрегат управляется внешним воздействием (позиции 1, 2, 5), а оценка эффективности работы объекта (позиции 6, 7) определяется по состояниям агрегатов А₂ и А₃. В данной схеме взаимодействия результат работы агрегата А₁ (позиции 3, 4) непосредственно влияет на работу агрегатов А₂ и А₃.

9. В данной модели агрегаты А₁ и А₂ управляются внешними воздействиями (позиции 1, 2), а для оценки эффективности работы объекта используются состояния всех агрегатов (позиции 3, 6, 7). Результаты работы агрегатов А₁ и А₂ через позиции 4 и 5 воздействуют на работу агрегата А₃.

10. Отличие данной модели от модели 9 состоит в том, что агрегат А₃ также управляется внешним воздействием (позиция 4), а эффективность работы объекта оценивается только по состоянию агрегата А₃ (позиция 6).

Агрегаты А₁ и А₂ в этой модели выполняют вспомогательные (подготовительные) функции.

Следует отметить, что разбиение модели ОУ на две группы (модели 1 – 6 и модели 7 – 10) является в значительной мере условным. Очевидно, что на входы агрегатов в моделях 1-й группы будут поступать управляющие воздействия, вычисленные алгоритмами прикладных функций (ПФ). В то же время в моделях 2-й группы алгоритмы ПФ с помощью позиций могут отражать физические потоки сырья и продукции. Другое дело, что в управлении объектов в моделях 1-й группы существенным является участие таких потоков, а в моделях 2-й группы преобладают информационные взаимодействия между агрегатами.

В целом, индивидуальные задания по разработке моделей СРВ базируются на приведенных моделях ОУ, но основное содержание заданий определяется составом ПФ, с помощью которых достигается эффективное функционирование ОУ в реальном времени. Ниже для каждой модели ОУ предлагается несколько вариантов (как правило, два варианта) совокупностей ПФ, реализуемых конкретной СРВ для управления данным объектом.

Задание, как правило, включает 4 ПФ, каждая из которых состоит из одной или нескольких локальных операций (локальных ПФ). Перечень таких ПФ в составе семи групп представлен ранее в обобщенном виде. При формулировке ПФ содержание входящих в нее локальных операций уточняется и дополняется с учетом конкретных условий функционирования ОУ. Программная нагрузка реальной СРВ содержит большое число ПФ. Состав из четырех ПФ, включаемых в задание, как правило, охватывает лишь малую часть аспектов управления объектом. Поэтому задание следует рассматривать как чисто учебный пример и в то же время достаточным для освоения методов разработки моделей автоматизированных систем управления.

Описание варианта задания помимо его обозначения включает перечень ПФ с указанием для каждой их них локальных операций, входов и выходов. Обозначение задания состоит из номера модели ОУ и обозначения - а, б, … совокупности ПФ. Например, запись 3б соответствует совокупности б для 3-го варианта ОУ. Для каждой ПФ указывается последовательность локальных операций, выполняемых данной ПФ. Операции записываются с использованием принятых ранее обозначений, например (1б, 2в, 3б). Входы d и выходы u сопровождаются указанием порядкового номера соответствующего выхода (входа) агрегата (индекс внизу) и номера агрегата (индекс вверху). Например запись ( , ), ( ) означает, что на вход ПФ поступает 1-й и 2-й выходы с агрегата А₂, а результатом работы ПФ является выход, поступающий на 2-й вход агрегата А₂. Заметим, что выходы (часть или все), полученные в результате работы ПФ не всегда поступают на входы агрегатов. В этом случае они обозначаются r_i , где i – порядковый номер такого результата в составе всех ПФ рассматриваемого варианта задания. Таким образом, запись в виде r_i может встречаться как среди входов в ПФ, так и среди ее выходов. Чаще всего позиции r_i соответствуют промежуточным результатам работы одной ПФ для использования в качестве входа для другой ПФ.

Ниже приводятся описания двадцати вариантов заданий с учетом приведенных выше обозначений и пояснений.

Вариант 1

1А: ПФ₁ (1б, 2в, 3Б), ( , ), ( ) – контроль качества продукции, выпускаемой агрегатом А₁.

ПФ₂ (1б, 2д, 3в). ( ), ( ) – контроль качества продукции, выпускаемой агрегатом А₂.

ПФ₃ (1в, 3е), ( , ), ( , , ) – управление работой агрегата А₃ с возможностью корректировки функционирования агрегатов А₁ и А₂.

ПФ₄ (1а, 7в), ( , , ), (r₁) – обнаружение состояний ОУ по выявленной совокупности управляемых и неуправляемых параметров.

Вариант 2

1Б: ПФ₁ (1г, 3г), ( , ), ( , r₁) – анализ данных о параметрах поступившей очередной порции сырья и соответствующая настройка работы агрегата А₁.

ПФ₂ (1б, 2а), ( , , ), ( , ) – анализ данных о параметрах очередной порции сырья и состояния позиции r₁ и настройки работы агрегата А₂.

(3д), ( , ), ( ) – контроль соблюдения технологических условий при переработке в агрегате А₃ порций продуктов, поступивших с агрегатов А₁ и А₂.

ПФ₄ (2б, 4а), ( , , ), ( , , ) – анализ состояния работы агрегатов ОУ и управление режимами их работы (загрузка сырья переработка, выгрузка, готовность к приему очередной порции).

Вариант 3

2А: (4г, 3а), ( , ), ( , , ) – оптимизация объемов выпуска продукции агрегатом А₁ с соблюдением требований к качеству.

ПФ₂ (2в, 4д), ( , ),( ) – оптимизация объемов выпуска продукции требуемого качества агрегатом А₂ с учетом качества достигнутого в агрегате А₁.

ПФ₃ (6г), ( ), ( ) – оптимизация объемов выпуска продукции требуемого качества агрегатом А₃ с учетом качества достигнутого агрегатом А₂.

ПФ₄ (4д, 5а), ( ), ( ) – управление производительностью агрегатов ОУ за счет подключения или отключения дополнительных мощностей.

Вариант 4

2Б: ПФ₁ (1д, 3г, 6в), ( ), ( ) – вычисление комплексного показателя выполнения технологического процесса на агрегате А₁

ПФ₂ (1д, 3г, 6в), ( ), ( ) – управление агрегатом А₂ и вычисление комплексного показателя выполнения технологического процесса.

(1е, 2г), ( ), ( ) – управление функционированием агрегата А₃ с учетом некоторых показателей работы агрегатов А₁ и А₂.

ПФ₄ (5д), ( ), ( ) – оперативное планирование и управление работой агрегатов ОУ.

Вариант 5

3А: ПФ₁ (1е, 3д), ( ), ( ) – контроль производства продукции на агрегате А₁.

ПФ₂ (6г,2б), ( ),( ) – разделение продукции, получаемой агрегатом А₁ на 2 фракции.

ПФ₃ (4г, 6д), ( ), ( ) – управление технологическим процессом работы агрегата А₂ с учетом экологических показателей.

(4г, 6д), ( ), ( ) – управление технологическим процессом работы агрегата А₃ с учетом экологических показателей.

Вариант 6

3Б: (3а), ( ). ( ) – стабилизация значений переменных, характеризующих получаемый на А₁ продукт, и сортировка его для обработки на агрегатах А₂ или А₃.

ПФ₂ (1е, 3б), ( ), ( ) – поддержка штатного технологического процесса на агрегате А₂.

ПФ₃ ( 1е, 3б), ( ), ( ) – поддержка штатного процесса на агрегате А₃.

ПФ₄ (4е, 7г). ( ), ( ) – диагностика состояния агрегатов ОУ.

Вариант 7

4А: ПФ₁ (1б, 2г, 3в), ( ), ( ) – управление производственным процессом в агрегатах А₁ и А₂.

(1в, 2б, 5а), ( ), ( ) – управление производственным процессом в агрегате А₃ с учетом подстройки его производительности.

ПФ₃ (4б, 5е). ( ), ( ) – обнаружение аварийных ситуаций и защита системы.

ПФ₄ (7б, 6б), ( ), ( ) – сбор информации и составление отчета о работе системы.

Вариант 8

4Б: ПФ₁ (1г, 3е), ( ), ( ) – управление процессом выделения максимальной доли продукции на агрегате А₁.

ПФ₂ (3г, 3е), ( ), ( ) – управление процессом выделения максимальной доли продукции на агрегате А₂.

(3г, 3е), ( ), ( ) – управление процессом выделения максимальной доли продукции на агрегате А₃.

ПФ₄ (1д, 6а), ( ), ( ) – оперативное вычисление технико-экономических показателей работы системы.

Вариант 9

5А: (4г, 3в), ( ), ( ) – выполнение подготовительных операций и управление сборкой узлов в агрегате А₁.

ПФ₂ (2б, 4е), ( ), ( ) – контроль содержания буферов – накопителей узлов, собираемых в агрегатах А₁, А₂ и управление поступлением узлов на агрегаты А₂, А₃.

ПФ₃ (4а, 3д), ( ), ( ) – синхронизация поступления заготовок на агрегаты А₁, А₂, А₃ с поступлением узлов.

ПФ₄ (4е, 7а), ( ), ( ) – анализ и визуализация состояния агрегатов и загрузки буферов – накопителей.

Вариант 10

5Б: ПФ₁ (1г, 4д), ( ), ( ) – анализ состояний накопителей заготовок (позиции 1, 2), формирование заявок на пополнение накопителей и управление сборкой узлов в агрегате А₁.

ПФ₂ (1ж, 3ж), ( ), ( ), ( ) – анализ состояния накопителя заготовок (позиция 3) и накопителя узлов (позиция 4) и управление сборкой узлов в агрегате А₂.

ПФ₃ (1ж, 3ж), ( ), ( ) – анализ состояния накопителя заготовок (позиция 5) и накопителя узлов (позиция 6) и управление сборкой узлов в агрегате А₃.

(4а, 3з), ( ), ( ) – подстройка производительности работы агрегатов А₂ и А₃ в зависимости от состояний накопителей узлов (позиции 4 и 6).

Вариант 11

6А: ПФ₁ (1б, 4б), ( ), ( ) – управление производством на агрегате А₁ и контроль состояния накопителей (позиции 2 и 3).

(6г, 3в), ( ), ( ) – оперативное управление работой агрегата А₂ и контроль состояния накопителя (позиция 5).

ПФ₃ (4г, 5д), ( ), ( ) – оперативное управление работой агрегата А₃.

ПФ₄ (1ж, 3з), ( ), ( ) – подстройка производительности агрегатов А₂ и А₃ с учетом состояния накопителей (позиции 3 и 5).

Вариант 12

6Б: ПФ₁ (1е, 3в), ( ), ( ) – анализ качества продукции и поддержание требуемого изменения параметров технологического процесса в агрегате А₁.

(6г, 3а), ( ), ( ) – управление процессом выделения продукции в агрегате А₂, соответствующей требуемым параметрам качества.

ПФ₃ ((3г, 6а), ( ), ( ) – управление процессом выпуска готовой продукции на агрегате А₃ с учетом качества, достигнутого в агрегатах А₁ и А₂ (позиции 3 и 5).

ПФ₄ (1а, 5г), ( ), ( ) – обнаружение нештатных ситуаций в работе агрегатов и защита от аварийных ситуаций.

Вариант 13

7А: ПФ₁ (4а, 3б), ( ), ( ) – управление технологическим процессом в агрегатах А₁ и А₂.

ПФ₂ (4д), ( ), ( ) – оптимизация показателей работы агрегата А₂.

(1ж, 3е), ( ), ( ) – управление технологическим процессом в А₃ с учетом состояний агрегатов А₁ и А₂.

ПФ₄ (1е, 4б), ( ), ( ) – анализ и устранение возможности возникновения аварийных ситуаций в агрегатах А₁ и А₃.

Назначение и условия поступления внешних управляющих воздействий на агрегаты А₁ и А₂ (позиции 1, 2) задаются в ходе разработки модели.

Вариант 14

7Б: ПФ₁ (1б, 4д), ( ), ( ) – сбор информации о потреблении источников энергии и координация совместной работы агрегатов ОУ.

ПФ₂ (1ж, 2а, 6д), ( ), ( ) – оперативный контроль и стабилизация экологических показателей работы технической системы.

(3ж), ( ), ( ) – управление функционированием агрегата А₃ и подключение при необходимости работы агрегата А₂.

ПФ₄ (3д), ( ), ( ) – обработка агрегатом А₂ технологического регламента, установленного в соответствии с требованием на подключение, поступившим из агрегатаА₃.

Вариант 15

8А: (1в, 3з), ( ), ( ) – оперативное регулирование работой агрегатов А₁ и вычисление воздействий на агрегаты А₂ и А₃.

ПФ₂ (1е, 3ж), ( ), ( ) – подстройка работы агрегатов А₂, А₃ на основе состояния агрегата А₁.

ПФ₃ (6в, 7в), ( ), ( ) – вычисление и визуализация комплексных показателей по агрегату А₂ (позиция 5).

ПФ₄ (6в, 7в), ( ), ( ) – вычисление и визуализация комплексных показателей по агрегату А₃ (позиция 7).

Назначение и условия поступления внешних управляющих воздействий на агрегаты А₁, А₂, А₃ (позиции 1, 2, 5) задаются в ходе разработки модели.

Вариант 16

8Б: ПФ₁ (4д), ( ), ( ) – оптимизация характеристик работы агрегата А₁ в условиях изменяющегося во времени внешнего воздействия (позиция 1).

ПФ₂ (5д), ( ), ( ) – вычисление управляющих воздействий для агрегатов А₂ и А₃.

(1б, 2а, 3б), ( ), ( ) – оптимизация показателей работы агрегата А₂.

ПФ₄ (1б, 2а, 3б), ( ), ( ) – оптимизация показателей работы агрегата А₃.

Вариант 17

9А: ПФ₁ (1ж, 2в, 6г), ( ), ( ), ( ) – управление агрегатом А₁ по оптимизации характеристики (позиция 3) и формирование воздействия на А₃.

ПФ₂ (1ж, 2в, 6г), ( ), ( ) – управление агрегатом А₂ по оптимизации характеристики (позиция 6) и формирование воздействия на А₃.

(1в, 3з), ( ), ( ) – оптимизация производительности агрегата А₃ и характеристики (позиция 7).

ПФ₄ ((6в), ( ), ( ) – определение комплексного показателя эффективности работы технической системы.

Назначение и условия поступления внешних управляющих воздействий на агрегаты А₁ и А₂ (позиции 1, 2) задаются в ходе разработки модели.

Вариант18

9Б: ПФ₁ (3а,), ( ), ( ) - оптимизация оценки качества работы агрегата А₁ (позиция 3).

ПФ₂ (3а), ( ), ( ) – оптимизация оценки качества работы агрегата А₂ (позиция 6).

(1ж, 2а, 4д), ( ), ( ) вычисление управляющих воздействий на агрегат А₃ (позиции 4, 5) на основе показателей работы агрегатов А₁ и А₂.

ПФ₄ (6а, 4д), ( ), ( ) – оптимизация технико–экономических показателей работы агрегата А₃ (позиция 7).

Вариант 19

10А: ПФ₁ (3в), ( ), ( ) – поддержание необходимых изменений значений выходных переменных агрегата А₁.

ПФ₂ (3в), ( ), ( ) – поддержание необходимых изменений значений выходных переменных агрегата А₂.

(2в, 3ж), ( ), ( ) – организация работы агрегата А₃ с максимальной эффективностью.

ПФ₄ (6д, 7в), ( ), ( ) – экологический контроль работы технической системы.

Назначение и условие поступления внешнего воздействия на агрегат А₃ (позиция 4) задается в ходе разработки модели.

Вариант 20

10Б: (2б, 3б), ( ), ( ) – управление работой агрегата А₁ и формирование управляющего воздействия для агрегата А₃.

ПФ₂ (2б, 3б), ( ), ( ) – управление работой агрегата А₂ и формирование управляющего воздействия для агрегата А₃.

ПФ₃ (4а, 3з), ( ), ( ) – анализ ситуации в работе технической системы и оптимизация производительности работы агрегата А₃.

ПФ₄ (4е, 7г), ( ), ( ) – выполнение функций диагностики состояния агрегатов технической системы.

В каждом варианте одна из ПФ помечена символом *. Это означает, что управляющее воздействие в данной ПФ формируется по алгоритму ПИД-регулирования. Описание алгоритма ПИД-регулирования на содержательном уровне приведено в приложении к данному пособию.

Пояснения по использованию внешних управляющих воздействий, приведенные при описании вариантов 7А, 8А, 9А, 10А относятся к соответствующим вариантам 7Б, 8Б, 9Б, 10Б. Назначение и условия применения этих воздействий необходимо согласовывать с преподавателем. Изменения по составу и содержанию входов и выходов ПФ и агрегатов модели ОУ допускается вносить также по согласованию с преподавателем.

Состав модулей, подлежащих программированию, в ходе выполнения проекта назначается преподавателем. При этом программирование ПИД-регулятора и одного из алгоритмов генерации моментов наступления событий (поступления данных) является обязательным.