1520

УДК 621.9.06-529

Смоленцев В.П., Болдырев А.И., Жачкин С.Ю. Основы управления процессами и объектами в машиностроении: Учеб. пособие / Под ред. В.П. Смоленцева. Воронеж: Изд-во ВГТУ, 1999. 64 с.

В пособии представлены теоретические основы как уже существующих, так и вновь создаваемых методик управления процессами и объектами в машиностроении. Материалы, изложенные в пособии, будут полезны студентам соответствующих специальностей при изучении курса "Управление процессами и объектами в машиностроении. Рукопись набрана в текстовом редакторе Word 97 и размещена в виде файла Uch.Pos. в электронном виде на магнитном носителе объемом 1,26 Мб, включая текст и внедренную графику.

Ил. 30 Библиог. 6

Рецензенты: кафедра "Автоматизация производственных процессов" Воронежской государственной лесотехнической академии, канд. техн. наук Н.В.Сухоруков.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета.

Смоленцев В.П., Болдырев А.И., Жачкин С.Ю. 1999 Оформление. Издательство Воронежского государст

венного технического университета, 1999

ВВЕДЕНИЕ

Непрерывная интенсификация производственных процессов ведет, как правило, к ус-

ложнению функций управления предприятием. С другой стороны, достижения в облас-

ти математики, кибернетики, экономики, а также быстрое развитие средств вычисли-

тельной техники существенно расширяют возможности создания новых высокоэффек-

тивных производственных процессов и методов управления ими. Встречное развитие технологии производства и технологии управления привело к созданию таких произ-

водственных процессов и типов оборудования, которые невозможно рассматривать и тем более проектировать в отрыве от систем управления. Характерным примером яв-

ляются станки с программным управлением, промышленные роботы, автоматические и автоматизированные технологические участки.

Создание и эксплуатация систем автоматизации на промышленном предприятии пере-

стали быть функцией только специалистов по автоматизированному и автоматическому управлению. Они требуют различных форм участия практически всех групп админист-

ративно-управленческого и инженерно-технического персонала предприятия. Следова-

тельно, современный инженер, даже непосредственно не связанный по роду своей дея-

тельности с автоматизацией управления, должен обладать достаточно широкими зна-

ниями в этой области.

В настоящее время в области автоматизации управления производством сложились два относительно самостоятельных направления — автоматизация управления техно-

логическими процессами и автоматизация управления организационно-экономической деятельностью. Существующая учебная литература специализирована в соответствии с указанными направлениями, что затрудняет комплексное изучение всех вопросов по-

строения таких систем.

В данном учебном пособии с единых позиций изложены вопросы, изучение кото-

рых позволяет приобрести знания, необходимые для глубокого понимания теоретиче-

ских и практических задач технического, экономического и организационного харак-

тера, возникающих при создании систем автоматизации на производстве.

ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ И ОБЪЕКТАМИ В МАШИНОСТРОЕНИИ

1.ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ

1.1.Система. Определение и исходные понятия

Определение и общие характеристики системы. Одной из главных особенно-

стей современной научной и технической деятельности является подход к объектам ис-

следования и проектирования как к системам. В зависимости от характера деятельно-

сти в термин “система” вкладываются различные понятия, но во всех случаях система есть подмножество взаимосвязанных элементов, выделенное из множества элементов любой природы в соответствии с требованиями решаемой задачи.

Таким образом, при определении некоторого объекта как системы предполага-

ется наличие /1/:

1) объекта (системы), состоящего из множества элементов и их свойств, которые могут рассматриваться как единое целое благодаря связям между ними и их свойства-

ми;

2) исследователя, выполняющего любую целенаправленную деятельность (ис-

следовательскую, проектную, организационную и др.);

3) задачи, с точки зрения решения которой исследователь определяет некоторый объект как систему; 4) языка, на котором исследователь может описать объект, свойст-

ва его элементов и связи.

Рассмотрим подробнее входящие в определение системы термины “элементы”, “связи”, “свойства”.

Элементы — это части или компоненты системы, условно принятые неделимы-

ми /2/.

Свойства — качества, позволяющие описывать систему и выделять ее среди других систем. Свойства характеризуются совокупностью параметров, одни из которых могут иметь количественную меру, другие выражаются лишь качественно /2/.

Связи — это то, что соединяет элементы и их свойства. Предполагается, что ка-

ждый из элементов системы соединен прямо или косвенно с любым другим элементом.

Весьма важными для описания системы являются также понятия состояния и структу-

ры системы /2/.

Состояние системы в данный момент времени характеризуется значениями су-

щественных с точки зрения решаемой задачи параметров системы /2/.

Структура системы — это широкое понятие, характеризующее способ органи-

зации элементов в систему с определенными свойствами путем установления между ними взаимосвязей /2/. Структура и свойства элементов определяют индивидуальные характеристики системы и позволяют рассматривать ее как целостное образование.

Целостность системы проявляется в том, что ее свойства могут качественно отличаться от свойств составляющих элементов. Например, радиоприемник можно представить как систему, элементами которой являются paдиодетали (транзисторы,

конденсаторы, резисторы и т. п.),электрически связанные определенным образом. Каж-

дую деталь можно описать некоторыми свойствами, однако ни одна из них не обладает свойством радиоприемника — воспринимать и преобразовывать электромагнитные ко-

лебания в звуковые.

Таким образом, система — это не сумма

составляющих ее частей, а целостное образование с новыми свойствами, которыми не обладают ее элементы.

Удобной формой описания системы явля-

Рис.1 Изображение системы в ется граф, в котором элементы представлены

правление дуги соответствует направлению воздействия одного элемента на другой

(рис. 1). В зависимости от направления различают входные и выходные воздействия,

которые принято называть входом и выходом элемента. Выходы являются реакцией элемента на входные воздействия. Следовательно, свойства элемента можно характери-

зовать, описав выполняемое им преобразование входных воздействий в выходные. То-

пология графа отражает структуру системы. Из такого определения системы не следу-

ет, что все ее элементы должны быть физическими объектами. Примером системы, не имеющей физической природы, может служить математическая система уравнений — элементами такой системы являются переменные. Связи задаются соответствующими уравнениями. Системы подобного типа называют абстрактными.

Система и ее среда. Как следует из определения, понятие “система” ограничива-

ет некоторое множество элементов. При этом предполагается, что может существовать множество элементов за пределами системы, с которыми она взаимодействует. Это

множество принято называть внешней средой. Элементы, не взаимосвязанные с систе-

мой, не являются частями ее среды.

Система, не имеющая внешней среды, называется изолированной. В реальном мире не существует изолированных систем, поэтому концепция изолированности в ре-

шении конкретных проблем используется редко.

Систему, у которой есть внешняя среда, называют открытой. Если объект оп-

ределен как открытая система, то возникает вопрос: какие элементы включить в систе-

му, а какие — отнести к внешней среде. Универсальных правил для решения этого во-

проса не существует, так как хотя конкретные системы по своему характеру объек-

тивны, на них в то же время наложен субъективный отпечаток, поскольку образующая их конфигурация элементов обусловлена требованиями задачи, формулировку и реше-

ние которой осуществляет исследователь.

Действительно, один и тот же объект, например производственный цех, различ-

ными исследователями может быть представлен в виде различных систем. Для эконо-

миста систему “цех” составляют такие элементы, как станки, предметы труда, сырье,

связанные между собой материальными, энергетическими и финансовыми потоками.

Элементами внешней среды являются смежные цехи, заводской административный ап-

парат, склады материалов и готовой продукции и другие объекты, функционирование которых существенно влияет на экономические показатели работы цеха. При этом эко-

номист, естественно, не учитывает огромное количество связей другого типа вследст-

вие их слабого влияния на экономику цеха. С точки зрения проблем, решаемых, на-

пример, психологом, цех представляет собой совершенно другую систему. Элементами ее являются отдельные люди и их коллективы, объединенные связями психологическо-

го типа. Психолога могут интересовать вопросы влияния на изучаемый им коллектив других цеховых коллективов, которые образуют внешнюю среду системы.

Следовательно, разделение множества взаимосвязанных элементов на систему и внешнюю среду основано на точке зрения исследователя, которую формируют харак-

тер решаемой проблемы, существенность взаимосвязей между множеством рассматри-

ваемых элементов, а также индивидуальность мышления исследователя. Определяя объект как систему, исследователь с указанных позиций выделяет систему из внешней среды (очерчивает границы системы), указывает входные и выходные связи, устанав-

ливает факторы, которыми должны описываться состояния системы.

Иерархия систем. Относительность точки зрения на систему проявляется и в том, что одну и ту же совокупность элементов допустимо рассматривать либо как сис-

тему, либо как часть некоторой, более крупной системы, т. е. множество элементов системы можно разделить на ряд подмножеств. Часть сис-

темы, образованная из эле-

ментов подмножества, назы-

вают подсистемой.

Пусть система S обра-

зована из элементов /—12

{х1, х2, ..., х12}, связанных между собой некоторым об-

разом. Один из возможных вариантов разбиения систе-

мы S на три подсистемы А, В

и С показан на рис. 2, а. Оче-

видно, подмножество эле-

ментов (х1, х2, х3, х4) обра-

Рис.2 Разделение системы на подсистемы

зующих подсистему А, мож-

но рассматривать как систему, тогда В и С будут элементами внешней среды. Предпо-

ложим, что исследователя не интересуют свойства элементов и структура подсистем А,

В и С, так как решаемая задача допускает рассмотрение свойств и связей систем А, В и С. В этом случае система упростится, как показано на рис. 2, б, т. е. подсистемы А, В и С будут рассматриваться как элементы системы S.

Таким образом, каждая система может рассматриваться либо как подсистема или элемент некоторой, более крупной системы, либо как совокупность элементов, ка-

ждый из которых допустимо определить как систему. Существует иерархия систем, в

которой элементами системы t-го уровня являются системы (t + 1)-го уровня (рис. 3).

Например, промышленное предпри-

ятие можно представить как .систему, эле-

ментами которой являются цехи. Цех может быть представлен как совокупность произ-

водственных участков и т. д. Очевидно, вы-

брав в качестве исходного уровня рассмотре-

ния предприятие, исследователь может рас-

ширять представления о системе не только

“вниз”, как показано, но и “вверх”, т. е. пе-

реопределяя выделенную систему (в данном случае предприятие) как подсистему или элемент более крупной системы (например,

объединения или отрасли промышленности).

Анализ и моделирование систем. Моделью называют отображение определен-

ных характеристик объекта с целью его изучения. Любая исследовательская и проект-

ная деятельность так или иначе связана с построением моделей. Проект машины, заво-

да, чертеж детали, макет нового здания или самолета — все это модели будущих реаль-

ных объектов. Изучение явлений, происходящих в природе, в сфере деятельности лю-

дей (экономической, политической, общественной) также связано с их моделировани-

ем. Модель позволяет выделить из всего многообразия проявлений изучаемого объекта лишь те, которые необходимы с точки зрения решаемой проблемы, т. е. модель — не точная копия объекта, а отражение лишь определенной части его свойств. Поэтому центральной проблемой моделирования является разумное упрощение модели, т. е. вы-

бор степени подобия модели и объекта /3/.

В этой связи рассмотрим понятия изоморфизма и гомоморфизма. Если элемен-

ты, связи и преобразования системы А и системы В находятся во взаимно однозначном соответствии, то эти системы изоморфны. Если между двумя объектами установлен изоморфизм относительно выделенной совокупности элементов, связей и пре-

образований, то каждый из этих объектов может служить моделью другого. Следова-

тельно, с точки зрения результатов исследования, не имеет значения, какой из этих объектов будет изучаться. Выбор одного из них в качестве модели определяется удоб-

ствами исследования.

Система В называется гомоморфной относительно системы А, если каждой свя-

зи, элементу и преобразованию системы А соответствуют определенный элемент, связь и преобразование в системе В. В отличие от изоморфизма при гомоморфизме со-

ответствие между системами направлено в одну сторону, т. е. нескольким элементам,

связям и преобразованиям системы А могут соответствовать один элемент, одна связь и одно преобразование в системе В. Следовательно, гомоморфный образ в общем случае является упрощенной моделью, частным описанием отображаемой системы. Обычно модель конструируется как гомоморфный образ объекта и как изоморфный образ изу-

чаемых свойств и характеристик. Таким образом, модель есть система, свойства кото-

рой достаточно близки к свойствам изучаемой системы.

Модели могут быть реализованы как физическими, так и абстрактными систе-

мами. Соответственно различают физические и абстрактные модели. Физическими мо-

делями являются, например макеты приборов, сооружений машин. К физическим отно-

сятся также электрические модели объектов и явлений.

В абстрактных моделях описание объектов или явлений делается на каком-

либо языке. В качестве языков моделирования могут использоваться, например, естест-

венный язык, язык чертежей, схем, математический язык. Описание объекта или явле-

ния, сделанное на математическом языке, называют математической моделью.

Примером математической модели может служить дифференциальное уравне-

ние вида md2y(t)/dt2 = — у (t), описывающее процесс свободных колебаний пружинно-

го маятника. Здесь т — масса груза; у (f) — отклонение центра масс груза от положения равновесия в момент времени t; у — жесткость пружины. График свободных колебаний пружинного маятника также является его абстрактной моделью, в которой использован графический язык описания. Как известно, одним и тем же дифференциальным уравне-

нием часто можно описать явления, имеющие различную физическую природу. Так,

приведенное выше уравнение описывает также свободные колебания в электрическом контуре LC. Это значит, что свойства колебаний в пружинном маятнике и в контуре LC

одинаковы и последний может рассматриваться как электрическая модель пружинного маятника.

Представление реального объекта как системы, использование системных поня-

тий при его моделировании послужили методологической основой для ряда принципов исследования, объединенных общим названием системный анализ. Рассмотрим неко-

торые из этих принципов, важные с точки зрения дальнейшего изложения. Каждую