2598

1) критерий f «мягкий» по своей природе, задается отношением упорядочения на множестве

{<d1,r11,m11,>,< d1,r12,m12,>,…,< d1,r1i,m1i,>},

однако реально такое задание предпочтений сводится к длительному диалогу лица принимающего решения с системой, реализующей модель;

2) если лицо, принимающее решение, не в состоянии задать отношение упорядочения, то формируется лишь допустимое, но не оптимальное решение, критериальная оценка которого весьма сомнительна.

Рассмотрим возможность, необходимость и методологию применения нейромоделирования при формировании решения U.

Необходимость отойти от «классической» оптимизационной задачи возникает в том случае, когда локальный критерий плохо формализуем, а эта ситуация возникает не редко и возникновение ее обусловлено влиянием персональных, неповторяющихся, нечетко определяемых или определяемых лишь вербально факторов. Нередко возникает ситуация, когда человек интуитивно правильно принимает решение и в состоянии указать, какое решение хуже, а какое лучше, однако это не позволяет выявить ни локальные критерии, ни алгоритмы принятия решений в формально-математическое виде. Табличное задание отношения упорядочения не только трудоемко, но и может в дальнейшем оказаться бесполезным. Причина «устаревания» заключается в высокой динамичности внешней по отношению к предприятию и подразделению экономической среды и, как следствие, в изменении системы предпочтений.

Таким образом, возникает ниша для создания обучающейся модели, которая не требовала бы от лица, принимающего решения, принудительного участия в утомительном интерактивном переборе вариантов.

Структурных подразделений, как правило, много. В технологическом, организационном и экономическом отношении они серьезно отличаются друг от друга. Создание сложной «индивидуальной» интеллектуальной модели для каждого структурного подразделения способно обернуться такими затратами, которые превысят эффект от достигнутой оптимизации управления. В такой ситуации создание компактной, единой по методологии, легко программируемой и настраиваемой нейросетевой модели является весьма актуальным.

Итак, сеть локального управления обязана:

•быть нетребовательной к вычислительному ресурсу;

•не усугублять, а значительно облегчать проблему размерности;

1100

• допускать легкую модификацию для разных структур и разных оперативных ситуаций.

В целом можно утверждать, что, решая задачу распределения ресурсов, такая сеть имитирует логику обучившего ее человека, хотя не содержит ни логических, ни алгоритмических описаний принятия решений, а представляет собою лишь матрицу собственных коэффициентов и стандартную для сети процедуру отображения «вход-выход».

Пусть максимально возможная размерность кортежа деталеопераций составляет п элементов, кортеж персонала R имеет к элементов, а кортеж оборудования М содержит l элементов. Эти три кортежа описывают исходные данные задачи, следовательно, непосредственно влияют на ее реализуемость в практических условиях. Определим входной сигнал управляющей нейросети таким образом, чтобы не допустить обострения «проблемы размерности».

Количество всевозможных вариантов троек <d, r, т> можно оценить по формуле

т.е. если мощность каждого кортежа равна 10, возникает 1000 потенциально возможных ответов, хотя реально из них будут исключены технологически и организационно нереализуемые.

Представим входной сигнал нейросети в двоичной форме и в следующем виде:

Элементы X принимают значения из множества {0,1} следующим образом:

1, если i-й сотрудник свободен; ri = 0 в противном случае.

1, если i-я единица оборудования свободна; mi = 0 в противном случае.

1, если i-ю деталеоперацию требуется выполнить di = 0 в противном случае.

1101

Выходной сигнал нейросети X = < X1, X2,...> представляет собой решение задачи, причем размерность сигнала должна обеспечивать представление n k l возможных решений.

Рассчитаем количество двоичных разрядов, необходимое для кодирования результата как

т. е. для размерностей кортежей R, D, М порядка десяти получим десять разрядов, необходимых для кодирования тысячи возможных решений. Общая (внешняя) структура управляющей нейросети показана на рис. 5.8.

Рис. 5.8. Общая структура управляющей нейросети

Результатом работы сети является вектор выходных сигналов последнего слоя Y, который представляет собою бинарный код ответа. Система декодирования результата зависит от метода кодирования выходного кортежа в обучающей выборке. Простым и эффективным является следующий способ кодирования:

•каждому исполнителю присваивается уникальный номер от 1 до к;

•каждой деталеоперации присваивается уникальный номер от 1 до п;

•каждой единице оборудования присваивается уникальный номер от

1до l;

•для каждой выходной тройки номеров <d, r, т> из обучающей выборки вычисляется вспомогательная переменная z по формуле

z=m+10d+100r; (5.25)

•z переводится в двоичную систему счисления;

•выходной вектор Y =<Y1,Y2,...Yj> формируется следующим образом:

1102

Раздел 6

ОСНОВЫ АВТОМАТИКИ И АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА

6.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОМАТИЗАЦИИ

6.1.Основные понятия об объектах и системах автоматического управления

Для упорядоченного и качественного выполнения рабочих операций на производстве необходимы операции управления, с помощью которых обеспечиваются необходимый порядок следования рабочих операций, требуемые параметры процесса, например, температура, давление, влажность и т.д. Совокупность управляющих операций представляет собой процесс

управления.

Замена ручною труда человека в операциях управления на управление с помощью технических средств называется автоматизацией. Технические средства, с помощью которых выполняются операции управления, называются средствами автоматизации или автоматическими устройствами.

Аппарат, оборудование, в которых протекает управляемый технологический процесс, называется объектом управления. Совокупность объекта управления и средств автоматического управления называется авто-

матической системой управления (АСУ).

Технологические процессы находятся под воздействием внутренних и внешних возмущений, нарушающих равновесный режим. Поэтому к технологическому процессу извне или изнутри прикладываются управляющие воздействия так, чтобы скомпенсировать указанные возмущения.

Системы, вырабатывающие на основе информации о состоянии управляемого процесса определенный алгоритм (закон) управления, нейтрализующий действие возмущающих воздействий и приводящий управляемую величину к заданному значению, называются автоматическими системами регулировании (АСР).

В этом случае термин «управление» заменяется на термин «регулирование»: объект регулирования, автоматическая система регулирования, автоматическое регулирование, регулируемая величина, автоматический регулятор и т.д.

Технологический параметр, который необходимо поддерживать в заданных пределах в соответствии с технологическими требованиями, назы-

вается регулируемым параметром или регулируемой величиной.

1104

Значение регулируемой величины, которое необходимо поддерживать в данный момент, называется заданным значением, а измеренное в данный момент - текущим.

Объектом регулирования (ОР) называется аппарат, оборудование или технологический процесс, в котором происходит изменение регулируемой величины в результате управляющих воздействий. Управляющее воздействие на объект регулирования осуществляется путем регулирования подачи материалов или энергии.

Вобщем случае задачи системы управления значительно шире: в системе регулирования заданное значение регулируемой величины или закон

ееизменения заранее известны и АСР должна всегда приводить управляемую величину к этому значению, а в системе управления должен вырабатываться такой закон изменения управляемой величины, который наилучшим образом обеспечит функционирование системы, выполнение технологического процесса в соответствии с изменившимися параметрами ОР и внутренними и внешними возмущениями.

Втеплоэнергетических аппаратах (установках), например, управляющее воздействие на ОР осуществляется изменением положения заслонок, задвижек, шиберов, различных клапанов, перекрывающих трубопроводы, а сами управляющие воздействия формируются регулятором, который вместо человека-оператора обеспечивает изменение регулируемой величины по заданному закону.

Рассмотрим обобщенную функциональную схему АСР (рис. 6.1), в которой с определенной степенью детализации представлены основные устройства для выполнения определенных функций (датчики, усилители, управляющие устройства, исполнительные механизмы, регулирующие органы и т.д.).

Рис. 6.1. Обобщенная функциональная схема АСР

Непременным элементом АСР является объект регулирования ОР, на который воздействуют как возмущающие воздействия f (t) (например,

1105

изменение нагрузки объекта), так и управляющее воздействие y(t), а на выходе он характеризуется регулируемой величиной хвых(t).

Датчик Д дает информацию о величине какого-либо параметра технологического процесса, протекающего в ОР. Нормирующий преобразователь НП служит для преобразования естественного сигнала с выхода датчика в унифицированный сигнал ГСП. Задающее устройство ЗУ вводит в

систему сигнал задания XЗД. Элемент сравнения ЭС сравнивает сигнал XЗД с величиной ХИ от измерительного устройства (Д, НП). При наличии рассогласования xЗД xИ создается регулирующее воздействие на объект,

стремящееся свести к минимуму рассогласование. Система будет находиться в состоянии покоя (равновесия) при отсутствии рассогласования.

Регулятор Р (совокупность усилителя У, устройства управления УУ и корректирующего устройства КУ) предназначен для коммутации и алгебраического суммирования сигналов измерительного и задающего устройств, выработки требуемого закона регулирования и управляющих (регулирующих) воздействий у(t) на исполнительный механизм ИМ, перемещающий РО, который изменяет количество поступающего вещества или энергии в объект в целях приведения регулируемой величины ОР к заданному значению.

Для работы АСР необходимы источники питания ИП элементов и устройств автоматики (для пневматических систем это компрессорная станция, а для электрических систем это сетевые или автономные источники питания в виде трансформаторов, преобразователей тока, аккумуляторов, мотор-генераторов). Стабилизаторы СТ служат для снижения помех питания средств автоматики.

В зависимости от характера информации об объекте управления (ОУ) автоматические системы управления подразделяются на разомкнутые и замкнутые (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Структуры разомкнутой (а) и замкнутой (б) систем управления: XВХ (t) и XВЫХ (t) - соответственно входная и выходная величины;у(t) - управляющее воздействие, вырабатываемое управляющим устройством (У У); f(t) - возмущающее

воздействие; t - сигнал рассогласования (или ошибка)

Разомкнутые системы работают по жесткой программе независимо от состояния объекта в процессе управления и изменяющихся внешних условий фактического протекания процесса. Внешние возмущения f(t) приво-

1106

дят к соответствующим неуправляемым отклонениям выполняемого процесса в объекте. Эти возмущения - непредсказуемые факторы, вызывающие нарушение нормального протекания процесса.

Замкнутые системы управления работают на основе информации о протекаемом процессе и при любых нарушениях его, связанных например, с изменившимися внешними условиями, вырабатывают соответствующее управляющее воздействие, ликвидирующее отклонение выполняемого процесса. В этих системах существует обратная связь - информация о состоянии управляемого процесса (объекта) передается с выхода системы на вход управляющего устройства (регулятора).

6.2. Общие сведения о Государственной системе промышленных приборов и средств автоматизации

(ГСП)

В науке и технике известно более 2000 различных физических величин. Для измерения их требуются различные по принципу действия и конструкциям автоматические средства измерения, регулирования и управления. Для уменьшения количества средств измерения и автоматизации путем унификации их принципов измерения и конструкций создана Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации

(ГСП).

Все средства ГСП по функциональному назначению подразделены на четыре* группы:

1.Средства получения нормированной информации о состоянии объекта автоматизации. Сюда относятся датчики и нормирующие преобразователи.

2.Устройства для приема, преобразования и передачи информации по каналам связи. В эту группу входят устройства телемеханики, телеизмерения, телесигнализации, телеуправления, шифраторы, дешифраторы и устройства согласования, используемые для приема, преобразования и передачи сигналов на большие расстояния.

3.Средства преобразования, обработки, хранения информации и выработки команд управления включают в себя анализаторы сигналов, функциональные и операционные преобразователи, устройства памяти, регуляторы, задатчики, а также управляющие вычислительные машины.

4.Устройства использования командной информации для воздействия на объект включают в себя исполнительные устройства, состоящие из усилителей мощности входных сигналов и исполнительных механизмов, воздействующих на регулирующие органы, которые регулируют поступающий в объект регулирования поток энергии или материалов.

1107

Все средства ГСП подразделены на три ветви: электрическую, пнев-

матическую и гидравлическую. Выпускаются также комбинированные

*Иногда классификацию представляют по шести функциональным группам.

средства автоматизации: электропневматические, электрогидравлические.

6.3. Автоматический контроль и измерения технологических параметров

6.3.1. Основы метрологии и техники измерений

Базовой основой современных АСУ ТП являются системы автоматического контроля (САК), позволяющие быстро получить достоверную измерительную информацию о режимных параметрах технологических процессов, а также о параметрах качества сырья, промежуточных и готовых продуктов.

Научной основой САК являются метрология и физические принципы измерения параметров технологических процессов.

Технической базой САК являются средства измерений (СИ) и преобразований соответствующих параметров.

Метрология-это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Под единством измерений понимают такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешности измерений известны с заданной вероятностью.

В 1893 г. была образована Главная палата мер и весов, ныне НПО «Российский НИИ метрологии им. Д.И. Менделеева» (г. Санкт-Петербург). Дата создания Главной палаты мер и весов считается началом развития отечественной метрологии.

Организационной основой метрологического обеспечения является метрологическая служба России, состоящая из сети учреждений и организаций, возглавляемых Государственным комитетом стандартизации, метрологии и сертификации Российской Федерации.

Соблюдение метрологических требований при технологических измерениях обеспечивает не только качество выпускаемой продукции, но и производительность, экономичность, надежность и долговечность оборудования.

Важнейшими характеристиками измерения являются: 1. Принцип измерения. 2. Метод измерения 3. Погрешность измерения.

Принцип измерения - совокупность физических явлений, на которых основано измерение (например, на термоэлектрическом эффекте основан принцип измерения температуры с помощью термоэлектрического термометра).

1108

Метод измерения - совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Виды измерений: прямые, косвенные и совокупные.

Если результат измерения У находят непосредственно из опытных данных X, то измерения называются прямыми, здесь У = X. Примером прямого измерения является измерение длины линейкой, массы - с помощью весов, температуры - стеклянным термометром и т.д.

Косвенные измерения - здесь искомое значение измеряемой величины находят на основе известной зависимости её от величин, значения которых находят прямыми измерениями y=f(X1 ,X2,,…,Xn ), где X1 , X2,…, Xn - величины, определяемые прямыми измерениями (например, определение температуры по прямому измерению термоЭДС, плотности однородного тела по его массе и объему и т.д.).

На XI Генеральной конференции по мерам и весам в 1960 г. была принята международная система единиц СИ, которая в 1961 г. регламентирована в СССР для предпочтительного применения, а с 1980 г. является обязательной.

Методы измерений:

1.Метод непосредственной оценки - искомое значение физиче-

ской величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора (ИП) прямого действия (без обратной связи). Например, измерение давления пружинным манометром, силы тока - амперметром, массы - с помощью циферблатных весов.

2.Метод сравнения с мерой - метод измерения, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (измерение длины метром, напряжения постоянного тока сравнивают с ЭДС нормального элемента и т.д.). Метод подразделяется на нулевой метод (компенсационный), дифференциальный (разностный), совпадения, противопоставления, замещения.

Всовременных СИ преимущественно применяются компенсационный

идифференциальный методы.

Классификация средств измерений

СИ подразделяются на меры, калибры, измерительные преобразователи (ИПр), измерительные приборы (ИП), измерительные установки, измерительные системы.

Мера - СИ для воспроизведения физической величины заданного размера (например, линейка, нормальный элемент, конденсатор).

Измерительный прибор - СИ для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателя.

1109