книги из ГПНТБ / Баясанов, Д. Б. Автоматизированные системы управления трубопроводными объектами коммунального хозяйства

отметим, что ЭЦВМ на верхней ступени иерархии АСУ,

например в схеме долговременного перспективного или

текущего планирования, или технико-экономического анали­ за производственной деятельности системы, может работать и вне контура управления. Она периодически или по мере надобности выдает соответствующие коррективы на базе

переработки интегральных значений исходной информации

от различных подразделений и служб трубопроводной

системы коммунального хозяйства.

Свойства устройств передачи и переработки информации,

включающие и ЭЦВМ, а также комплексы других техниче­

ских средств АСУ, зависят от требований, которые предъ­ являются к ним сообщениями, подлежащими передаче и пе­ реработке на разных уровнях системы. Известно, что ин­ формация, связанная с работой трубопроводных систем коммунальных хозяйств, может классифицироваться по трем основным принципам: по принадлежности генератора (потребителя) сообщения к АСУ или внешним инстанциям;

по принадлежности сообщения к входу узла управления или

к входу подсистемы; по способу использования сообщения.

Из этой классификации и выявляются требования, предъ­

являемые сообщениями каждого вида к средствам техни­

ческого обеспечения. На основании найденных критериев

выбора быстродействия ЭЦВМ при переработке входных

сообщений, генерируемых источниками периодического и спорадического действия, в первом приближении можно оценить необходимое быстродействие вычислительной ма­ шины, выполняющей функции узла управления в АСУ.

Повышение эффективности переработки информации (входных сообщений) ЭЦВМ может быть достигнуто за счет отбора ее необходимого минимума, достаточного для

успешного управления системой. Для реализации этого

необходимо минимизировать количество информации в сос­ тавных и элементарных потоках, перерабатываемых ЭЦВМ. Минимизация количества информации в составном потоке сводится к . исследованию рациональной точности записи исходных уравнений, описывающих изменение параметров

управляемых процессов, и установлению возможности ис­

пользования приближенных методов их решения, а в эле­

ментарном потоке—к устранению статистической и струк­

турной избыточности информации. Первая обычно обус­ ловливается особенностями статистических характеристик

источника сообщений, а вторая — неодинаковой ценностью смыслового содержания из-за неоднозначности' преобразо­

270

вания различных сообщений звеньями системы АСУ. При

помощи количественных соотношений можно определить

ценность сообщений, которые поступают в ГИВЦ (КИВЦ или РИВЦ) автоматизированной системы (подсистемы) управления. Далее можно рассчитать и эффективность использования сообщений, которая характеризует соот­ ношение ценной и бесполезной информации, перераба­ тываемых ЭЦВМ.

Всегда имеется возможность устранения статистической

и структурной избыточности информации в элементарном

потоке. Известно, что решение такой задачи целесообразно

искать в виде максимально допустимого (по критерию за­ данной погрешности управления) шага дискретизации к квантованию исходных непрерывных сигналов. На осно­ вании анализа требований, предъявляемых каждым сооб­ щением к устройствам и средствам передачи, выбираются средства технического обеспечения для передачи потоков

оперативной и технико-экономической информации в АСУ.

Далее оцениваются точность и достоверность передачи дис­

кретной информации при использовании кода на одно соче­

тание и кода с проверкой четности. Определяется вероят­

ность появления необнаруженной ошибки при передаче

указанных кодов по двоичному симметричному марковско­ му каналу с групповыми ошибками. Из анализа требова­

ний каждого потока к устройствам переработки информа­ ции разрабатываются и функционально описываются блоч­ ные структуры ГИВЦ, КИВЦ и РИВЦ. Выявляются ос­ новные характеристики и ЭЦВМ.

Выбор ЭЦВМ для уровней иерархии управления АСУ должен быть осуществлен таким образом, чтобы управле­ ние подсистемами при децентрализации по некоторой

суммарной оценке было бы не хуже его централизованного

условного эквивалента.

Конкретные задачи управления нередко определяют условия выбора ЭЦВМ. Наряду с этими моментами, свя­ занными с объемом вычислительной работы, решающими в этом выборе являются точность и надежность ЭЦВМ.

Часто все определяется накопительной памятью машины

и ее стоимостью. В смысле этого выгоднее применять более простые и сравнительно дешевые специализированные

устройства, однако границы их применения все более су­

жаются в пользу мощных ЭЦВМ, так как последние бо­ лее гибки и дают больше возможностей для накопления

результатов.

271

С использованием ЭЦВМ тесно связаны вопросы деком­ позиции, координации и многоуровневой концепции при

построении АСУ. Остановимся кратко на этих вопросах,

следуя идеям, развитым в последние годы М. Д. Месарови-

чем. Большие системы, включающие производственные и технологические процессы, к примеру, трубопроводные

объекты коммунальных хозяйств, неизбежно образуют

в своей структуре иерархическую композицию цепей ин­

формационных сигналов, сообщений и показателей. Если

рассматривать такую систему с позиций управления ее

функционированием, то характерной особенностью являет­

ся наличие многих уровней в иерархической структуре,

представляющей собой различной сложности структурную

пирамиду принятия решений в соответствии с критерием

цели, определяющим оптимальные возможности схемы. Сформулируем, хотя бы приближенно, некоторые иерархи­

ческие концепции, принятые сейчас при построении авто­ матизированных систем управления с использованием со­ вершенных ЭЦВМ и элементов системотехники,и постараем­ ся дать анализ преимуществ многоуровневого иерархичес­ кого принципа в теории АСУ.

В основании иерархических структур АСУ, т. е. на уровне конкретных объектов или предприятий, обычно группируются многочисленные управляющие задания. Эти задания обычно заключают в себе вопросы нахождения

небольшого числа промежуточных показателей или пара­ метров производственных или технологических процессов. Затем эти показатели или параметры используются в более сложных алгоритмах или функциональных критериях уп­

равления на вышестоящих, последующих уровнях АСУ.

Эта структура функционирования АСУ в иерархической пирамиде повторяется от уровня к уровню до самой вер­ шины (ГИВЦ), где обычно решаются задачи комплексного характера, присущие всей системе в целом. Важнейшими характеристиками такой организации структуры АСУ яв­ ляется нисходящая вертикальная декомпозиция (разбие­ ние), приоритет управляемых воздействий и восходящая

вертикальная зависимость исполнения принятых команд.

Функционирование этой структуры можно представить типовой схемой (рис. 37), где показано, что в общем случае

входы и выходы могут располагаться на всех уровнях уп­

равления, хотя в подавляющем большинстве случаев обыч­

но такой обмен информации с внешней средой происходит в АСУ на низших уровнях управления — уровнях объек­

272

тов, предприятий. На более высоких уровнях превалирую­ щее значение имеет обмен информацией между подсистема­ ми и их уровнями.

Функционирование таких структур АСУ характеризует­ ся определенной степенью успеха и удовлетворяет глобаль­ ному критерию управления комплексом в целом. Разработ­ ка этих глобальных критериев управления, как уже отмеча­ лось выше, представляет собой чрезвычайно трудоемкую

научную и прикладную задачу даже для весьма несложных

Вход Подсистема Выхд

производств. Поэтому и оценка степени успеха функциони­ рования АСУ в целом нередко бывает затруднительна, хотя пути решения этой проблемы в теории анализа и синтеза иерархических структур уже намечаются.

В иерархии АСУ (см. рис. 37) любой вышестоящий уро­ вень и соответствующая ему подсистема, выбор которой

определяется теми или иными производственными или тех­

нологическими особенностями управляемых процессов, стро­ го определяют и ограничивают сферу функционирования

нижестоящих уровней и их подсистем. В этом понятии за­

ключается так называемый приоритет действия при верти­

кальной декомпозиции автоматизированных систем уп­

равления. Каждый верхний уровень по отношению к ниж­ нему можно в этой связи рассматривать как командный,

а нижестоящий по отношению к вышестоящему — как ис­

полнительный. В АСУ, где имеется прямое линейное управ­

273

ление, управляющие воздействия с вышестоящих уровней приводят к изменениям, согласно алгоритмам управления-,

параметров подсистем нижестоящих уровней. При косвен­

ных методах управления управляющие воздействия обеспе­

чивают последовательный порядок операций для обеспече­

ния цели управления на нижних уровнях иерархии.

Успешное функционирование АСУ в целом и ее подсис­

тем по уровням управления зависит от поведения отдель­

ных звеньев системы. Всякое управляющее воздействие

верхних уровней обычно предшествует изменениям поло­

жений нижних уровней, их реакции на управляющие сиг­ налы, отрабатываемые в виде обратных связей, показанных

на рис. 37. Наблюдается как бы взаимозависимость действий

подсистем различных уровней, когда управляющие воздей­ ствия вызывают реакцию обратных связей, действующих

в противоположных направлениях.

М. Д. Месарович вводит следующие понятия для описа­

ния сложных систем в категориях иерархических моделей

по различным особенностям уровней (описания или абстра­

гирования, сложности решения и организационного): стра­

та, слой и эшелон. Стратами пользуются при стратифи­

цированном описании АСУ. Совокупность страт определяет

деятельность всей системы в целом. Каждой же страте

бывает присущ некоторый элемент этой деятельности.

К примеру, на рис. 38 и 39 приведены стратифицированные описания автоматизированного управления некоторого тех­

нологического процесса и процесса моделирования на ЭВМ. Каждая страта охватывает обычно ряд правил и законов, которые позволяют описать элемент функционирования системы. Чем ниже лежит страта при стратифицированном описании системы, т. е. чем она ближе к уровню предприя­

тий и объектов в АСУ, тем описание ее будет более подроб­

ным и полным. Примерный вид стратифицированной иерар­ хии некоторой системы показан на рис. 40.

Сложность проблемы построения АСУ для больших сис­

тем вообще и использование в них ЭЦВМ в частности пока

не дает возможности создать универсальные методы, обес­ печивающие непосредственное решение задач по реализа­

ции глобальных алгоритмов управления, -формирующих

и глобальные критерии цели. Здесь возможно пользоваться

приближенным методом решения сложной задачи, строя­ щимся на декомпозиции глобального критерия на локаль­

ные критерии управления, т. е. что однозначно — разбие­ ние общей цели в иерархию подцелей и дальнейший синтез

274

иерархически расположенных звеньев, где и осуществляет­ ся формирование управляющих сигналов, которые обес­ печивают достижение соответствующей подцели. На рис. 41 приведена такая многоуровневая иерархия системы формирования управляющих сигналов, реализующих подцели (локальные цели) общей (глобальной) цели. Уровни в этой иерархической структуре называются слоя­

ми формирования управляющих сигналов (принятия ре­

шений). Нередко такой вид иерархии строится по функ­

циональному признаку. Пример многоуровневой иерархии

формирования управляющих сигналов (принятия решений),

построенный по функциональному признаку в условиях пол­ ной неопределенности управляемого процесса, может быть представлен на рис. 42. Здесь вверху системы последний слой самоорганизации со своими звеньями обеспечивает решения о выборе и определении структуры нижележащих слоев, что однозначно выбору стратегии решения задач функ­ ционирования последних. Основная задача второго слоя обучения и адаптации — это уменьшение неопределенно­

сти системы за счет сбора информации, необходимой для

выработки управляющих сигналов и задач прогнозирова­

ния. На первом слое осуществляется выбор способа управле­

ния процессом и его реализация. Часто (см. рис. 42) ре­ шаются задачи оптимизации и прямого регулирования,

275

для чего можно создать специальные два слоя. Деление

вариации этой иерархии. На каждом из этих слоев приме­ няются разные способы и методы реализации задач и целей. На верхнем слое самоорганизации обычно используются эвристические приемы, методы перебора вариантов и ис­ ключения ситуаций, дающих малоэффективное решение, и т. п. Здесь трудно сформулировать задачи в обычном ма­

тематическом, численном понимании. Большое значение

Рис. 43. Схема пирамидальной иерархии АСУ

имеет умение оценить ту или иную ситуацию и принять правильное решение, в большинстве своем интуитивное.

На слое адаптации и обучения применяются различные ло­ гические методы, элементы теории операции, принципы распознавания образов и статистические концепции, что уже может обеспечить более точные и совершенные решения.

И, наконец, на слое, который непосредственно связан с уп­

равляемым процессом, оперируют различными методами

оптимизации и автоматического регулирования и управле­

ния при наличии в схемах обратных связей.

Нередко вертикальная декомпозиция иерархических структур АСУ дополняется и горизонтальной. Обычно это порождается сложностью нижнего уровня предприятий и

объектов управляемой системы. В этом случае иерархия

АСУ представляет собой пирамиду, каждый уровень кото­ рой можно рассматривать как некоторый эшелон элемен­ тов. Примерный вид такой структуры АСУ показан на

рис. 43. Такая иерархическая структура АСУ называется

организационной (многоэшелонной) иерархией. Каждый

элемент, где формируются управляющие воздействия, носит

название решающего. Он координирует действие ряда эле­

ментов нижележащего уровня, выполняющих согласно не­

276

которого локального критерия управления цели определен­ ную задачу. Здесь особую роль приобретают вопросы ко­ ординации функционирования различных эшелонов одной

пирамиды АСУ.

Рассмотрим теперь некоторые вопросы применения

ЭЦВМ в таких структурах на примере взаимосвязанной го­

родской газовой системы (аналогично системы теплоили

водоснабжения). Здесь всегда можно выделить ряд обла­ стей-районов, имеющих свою специфику газоснабжения,

сложные связи с соседними районами города. Как уже от­

мечалось в главе I, увеличение систем газоснабжения, по­

вышение их мощностей сильно усложняют управление эти­

ми системами. Как будет строиться многоуровневая АСУ такой сложной системы, если учитывать требования к на­

дежности и быстродействию функционирования такой сис­

темы. Отдельная область системы газоснабжения может быть представлена как один из элементов нижнего уровня иерархической структуры в виде блок-схемы (рис. 44). Предположим, что каждая такая область-система газоснаб­ жения будет представлять некоторую подсистему М и

число которых в АСУ равно т. Структурная топографиче­

ская схема всей системы и связей между ними приведена на рис. 45. Уже отмечалось, что в каждой такой области реше­

277

мен. Предположим, что каждая область-система газоснаб­

жения будет характеризоваться следующими показателями:

машиной

|область 1 ------—-----^\обмастьin\ _

а уравнение баланса прихода и ухода газа в области M t может быть представлено так:

Очевидно, этих уравнений будет столько, сколько областей

имеет система газоснабжения. Помимо этого из условий

нормального функционирования всей системы необходимо, чтобы суммарный межобластной обмен газом:

Одной на задач АСУ таким комплексом является нахожде­ ние оптимальных величин возможных обменов газа между

областями, при которых затраты на общий процесс газо­

снабжения в системе станут минимальными. Очевидно,

общие затраты в системе газоснабжения при этом будут

равны аналогичным величинам по областям:

27b

Система будет иметь оптимальные характеристики, еслй минимизировать выражение (4.43) с учетом условия, при

котором переменные системы Qnl, ..., Qnm и Qorl, •••> Qo.rm

будут удовлетворять уравнениям баланса (4.42) и (4.41). Такие проблемы, как уже отмечалось выше, можно ре­ шать централизованным подходом, используя в АСУ одну

мощную ЭЦВМ. Можно применить и двухуровневую кон­

цепцию с ЭЦВМ в каждой области-районе газоснабжения и центральной (ЦЭЦВМ) машиной во главе иерархической пирамиды, как показано на рис. 46. Это типичный пример

двухуровневой организационной структуры АСУ. При

Рис. 47. Схема взаимо­ связей структурных эле­ ментов в АСУ

такой структурной организации каждая из машин решает

строго определенную часть общей задачи минимизации функционала (4.43). Распределение обязанностей между

машинами можно строить на основании принципа предска­ зания взаимодействий. Остановимся на нем и на некоторых положениях общей теории использования ЭЦВМ в АСУ более подробно.

Установление взаимодействия между отдельными эле­ ментами управления на различных уровнях иерархии АСУ

является одним из ключевых вопросов теории организа­

ционной структуры этих комплексов. Очевидно необходи­ мо, чтобы управляющие элементы более высоких уровней некоторым образом влияли и определяли бы функциониро­ вание аналогичных звеньев нижних уровней системы. Эта проблема в теории АСУ носит название координации управ­

ления. Теория координации пока развита для двухуровне­

вых систем, имеющих т элементов управления на уровне, связанном с управляемым процессом, и одним координи­

рующим элементом на верхнем уровне АСУ. Очевидно,

в дальнейшем из таких двухуровневых модулей можно

сложить любую многоуровневую систему, хотя здесь имеют­

279