Тема 1. Виды моделей систем и методы моделирования

1.1. Производственная система и моделирование

Всякий производственный процесс состоит из технологических процессов (ТП), которые в свою очередь подразделяют на непрерывные, дискретные и дискретно-непрерывные [7].

К непрерывным относят такие ТП, при выполнении которых поступление сырья, обработка и выход продукта происходят практически постоянно в течение работы производственных установок. Параметры, которым необходимо управлять в таких производственных процессах, - температура, давление, концентрация компонентов и пр., - как правило, непрерывные величины. К непрерывным производствам относят химические и нефтеперерабатывающие предприятия, процессы проката стального листа, производство электроэнергии и др.

Дискретные процессы характеризуются тем, что обрабатываемые продукты подаются на вход и выдаются на выходе отдельными порциями. Технологические процессы представляют собой циклическую последовательность операций. Дискретные ТП обладают следующими особенностями: наличием отдельных операций с четко выраженными началом и концом и регламентированных перерывов в работе с остановом и выключением различных групп технологического оборудования; возможностью выполнения на одном рабочем месте нескольких видов операций. Изделия дискретного процесса состоят, как правило, из большого числа деталей, поэтому характерная его черта – наличие процесса сборки. Выходным продуктом дискретного процесса являются отдельные машины, автомобили, тракторы, станки и пр. Таким образом, технологические процессы дискретного типа характеризуются в основном дискретными параметрами – количеством деталей, сборочных единиц, изделий на различных стадиях процесса, количеством оборудования, переналадок технологического оборудования с выпуска одних типов деталей на другие. К предприятиям, выполняющим дискретные процессы, относятся машиностроительные, приборостроительные и другие заводы.

Дискретно-непрерывный процесс сочетает свойства двух указанных типов процессов. Такие процессы протекают на металлургических и цементных заводах, на ряде предприятий пищевой промышленности.

Любой целенаправленный процесс, происходящий на производстве, в цехе, в машине, в живом организме или выполняемый человеком, представляет собой организованную совокупность действий – операций, которые условно принято делить на две группы: рабочие операции и операции управления.

Рабочие операции – это действия, необходимые непосредственно для выполнения процесса в соответствии с природой и законами, определяющими ход процесса. Например, снятие стружки при обработке детали на станке, закрепление заготовок, подача резца, вращение вала двигателя и т. п.

Замена труда человека машиной в рабочих операциях называется механизацией. Цель механизации – освободить человека от тяжелых рабочих операций, требующих больших затрат физической энергии (подъем грузов), вредных операций (термические, радиоактивные, химические процессы), однообразных, утомительных для нервной системы операций (завинчивание болтов при сборке, выполнение стандартных вычислений, заполнение большого количества типовых документов и пр.).

Для достижения цели процесса рабочие операции должны организовываться и направляться действиями другого рода – операциями управления. Например, при токарной обработке детали совершаются такие операции управления, как своевременное включение и выключение станка, изменение направления движения резца, поддержание заданной частоты вращения заготовок и др. Совокупность операций управления образует процесс управления.

Управление в широком смысле слова представляет собой такую организацию того или иного процесса, которая обеспечивает достижение определенных целей.

Для любого процесса управления характерны следующие этапы:

появление цели, которая ставится только человеком;

сбор и обработка информации;

анализ и оценка сложившейся ситуации;

принятие решения о целесообразных действиях;

исполнение принятого решения;

контроль исполнения решения (при необходимости).

Различные виды задач управления отличаются способом и последовательностью выполнения этих этапов.

Таким образом, процесс управления состоит в принятии решений в той или иной ситуации на основе собранной информации. В большинстве случаев информации оказывается недостаточно или, наоборот, слишком много для однозначной оценки обстановки. Тогда человек, используя свой опыт, знания, память, интуицию, принимает решение. Однако в условиях современных промышленных предприятий знаний и интуиции даже у опытного руководителя часто оказывается недостаточно, чтобы эффективно осуществлять управление. Эту задачу человеку облегчает кибернетика, которая позволяет переложить на автоматические устройства сбор и обработку информации, анализ сложившихся ситуаций и выработку целесообразных действий.

Слово "кибернетика" греческого происхождения. Древние греки обо­значали им искусство управления кораблем. Французский физик и матема­тик А.М. Ампер этим термином определил науку об управлении государ­ством.

В современном понимании кибернетика - наука об управлении. Как наука она оформилась благодаря трудам американского математики Н. Ви­нера, выпустившего в 1948 г. книгу "Кибернетика, или управление и связь в животном и машине". После этого кибернетика развивалась так стремительно, что к настоящему времени завоевала прочные позиции во многих областях науки и техники. В кибернетических устройствах основными являются процессы переработки и передачи информации, поэтому ки­бернетика представляет собой общую теорию связи и управления, применимую к любой системе независимо от ее физической природы.

Система, в которой осуществляется процесс управления, называется управления.

Введем некоторые понятия, связанные с управляемыми системами.

Любое сведение с каком-либо событии, происходящем внутри или вне сис­темы, называют сообщением; информационные связи, служащие для переда­чи сообщений,- каналами связи, а физические носители информация в ка­налах связи - сигналами. Слово- 'сигнал" означает условные знаки, слу­жащие для передачи сообщений. Вид сигналов не имеет непосредственного отношения к содержанию передаваемой информации. Поэтому сигналы могу легко преобразовываться из одного вида в другой, не изменяя содержа­ния информации, а также могут храниться для использования в будущем. Преобразование сигнала из одной формы в другую называют кодированием.

Любую систему управления можно представить взаимосвязанной сово­купностью объекта управления (ОУ) и управляющего органа (УО). Если рассматривать, например, предприятие с дискретным производством, то ОУ можно представить себе как преобразователь ресурсов, на вход которого поступают сырье, материалы, заготовки, полуфабрикаты, рабочая сила и т.п., а выход - как поток готовых изделий (рис. 1.1). На один из внешних входных информационных каналов поступают государственный план, директивы вышестоящих организаций и т.п. Совокупность этих све­дений определяет цель управления. Влияние внешней среды на ОУ, как правило, носит неконтролируемый характер и выражается в случайном из­менения его состояния.

Планы, дирек- Отчетная

тивы информация

Цель Производственное

у правления предприятие

Управляющий

орган

Информа- Управ-

ция о ляющие

состоя- воздей-

Сырье, нии ОУ ствия

материалы,

рабочая сила Объект управления Продукт

заготовки, (ОУ)

энергия

Возмущающие

воздействия

Рис. 1.1. Обобщенная структура предприятия как системы управления

Воздействие окружающей среды на ОУ называют возмущающим воздействием.

Примерами возмущающего воздействия внешней среды могут быть такие факторы, как нарушение сроков поставок или сни­жение качества сырья, материалов, заготовок, из­менение условий сбыта продукции, нарушение до­говорных обязательств смежников и др. Возмущаю­щие воздействия могут возникать и внутри произ­водственной системы. На­пример, поломки обору­дования, случайные нару­шения технологических режимов или снижение каче­ства продукции.

Информационный выход производственной системы представляет собой канал для передачи отчетов о выполнении планов и других видов отчетной информации во внешние управляющие организации более высокого ранга, например объединение или ми­нистерство, в состав которого входит данное предприятие. Управляющая (УС) и управляемая (ОУ) подсистемы связаны информационными каналами, по которым передаются управляющие воздействия и сведения о состоянии объекта управления.

Описанная схема производственной системы и формальная постановка задачи управления весьма обобщены и условны. Они не раскрывают внутрен­него строения системы, а только иллюстрируют ее внешние и некоторые укрупненные внутренние связи. В действительности предприятие представ­ляет собой сложную систему управления. Ее сложность обусловлена нали­чием многих единиц разнообразного оборудования, связанных между собой материальными, энергетическими и информационными потоками, а также тем, что элементами производственной системы являются люди - производ­ственный и управленческий персонал. Попытки полностью описать произ­водственное предприятие и его систему управления единой схемой часто не удаются, так как схема оказывается настолько сложной, что практи­ческое использование ее невозможно.

Один из методов преодоления сложности решения такой задачи -декомпозиция. Применительно к сложной системе управления декомпозиция заключается в разбиении сложного объекта управления на подсистемы и в организации в каждой из них подсистемы управления. Совокупность подсистем управления и способ их взаимосвязи образуют структуру сис­темы управления, которая, как правило, строится с использованием иерархического и функционального принципов выделения подсистем. Та­ким образом, каждый простейший элемент рассматривается как элементар­ный объект управления, а его совокупность с управляющим органом - как элементарная система управления.

С этих позиций ОУ может быть отдельный механизм, машина, станок, агрегат, бригада рабочих или отдельный рабочий, цех или все предприя­тие, производственное объединение или отрасль народного хозяйства.

В качестве ОУ можно рассматривать техническое устройство и чело­века, управляющих станком, агрегатом, механизмом; бригадира, руководя­щего бригадой; управленческий персонал цеха, завода или министерства. УО должна быть известна цель управления. Он воздействует на ОУ так, чтобы достигнуть поставленной цели. Система управления и любой ее УО преобразуют входной сигнал в выходной сигнал (см. рис.1.1).

С математической точки зрения УО отображает , согласно которому каждому элементу из множества входных сигналов ставится в соответствие единственный, вполне определенный элемент из множества выходных сигналов . В этом соотношении называется оператором. Задать оператор системы - значит задать правило определения выходного сигнала этой системы по ее входному сигналу.

Операции управления, как и рабочие операции, частично или полно­стью могут выполнять технические устройства. Замена труда человека в операциях управления называется автоматизацией, а технические устрой­ства, выполняющие операции управления, - автоматическими устройствами.

Систему, в которой все рабочие и управляющие операции выполняют автоматические устройства, называют автоматической.

Управляемые процессы происходят в живых организмах, экономиче­ских и организационных человеко-машинных: системах. В таких сложных системах функции управления не могут быть полностью переложены на автоматические устройства, Принятие наиболее ответственных решений остается за человеком.

Систему, в которой автоматизирована только часть операций управ­ления, а другая часть (обычно наиболее ответственная) сохраняется за человеком, называют автоматизированной системой управления (АСУ). АСУ создаются на нескольких уровнях: технологических процессов (АСУТП), предприятия (АСУП), отрасли и т.д. В них широко используется вычисли­тельная техника.