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

ся и свои, пока не решенные, трудности. По аналогии со схемой рис. 46 рассмотрим наиболее важные особен­

ности теории координации на примере обобщенной схемы

рис. 47. Здесь управляющие элементы нижнего уровня

Cj и С 2 непосредственно управляют процессом, сообщая

ему управляющие воздействия иг и и 2. На вышележащем

уровне координирующий элемент С0 управляет работой

системы в целом управляющие сигналы иг и и 2 будут опре­

деленным образом зависеть от U 1 и U 2 соответственно, т. е. u 1 = u1 ( U 1) и u 2 = u 2(U 2). Однако при этом следует

учитывать, что сами управляющие сигналы « х и и 2 долж­

ны осуществлять локальные задачи управления объектами

и S j управляемого процесса. В проблеме координации функционирования ЭЦВМ в организационной структуре

АСУ следует различать следующие две ее характеристики:

а) координируемость элементов системы, которая ис­

ходит из следующего положения. При наличии некоторого

множества параметров координации С — {у} система ко­ ординируема, если существует хотя бы один элемент у в С,

при котором и х (у) и и 2 (у) будут удовлетворять, помимо

локальных целей, также и общей задаче управления, т. е.

локальным и глобальному критериям оптимального функ­ ционирования АСУ;

б) стратегия координации элементов системы, заклю­ чающейся в следующем. При наличии АСУ, координируемой как при реализации локальных, так и глобальных крите­ риев оптимального функционирования системы, необходимо решить вопрос выбора стратегии действий для более, эф­ фективной реализации указанной задачи. Этот вопрос са­ мым существенным образом зависит от выбора рода обрат­ ных связей между управляемым процессом и управляю­

щими элементами нижнего уровня иерархической струк­

туры АСУ, что определит перечень и объем информации, необходимой на уровнях иерархии для эффективного функ­ ционирования системы. При анализе структур координа­ ции следует учитывать, что на нижнем уровне управления

АСУ и особенно на уровне объектов управления элементы

последних бывают взаимосвязаны. Здесь между элементами (см. рис. 47), когда общий процесс S управляется некоторым

сигналом и — f(ult и 2), наблюдаются взаимосвязи zx и z2. В стратегии координации функционирования элемен­

тов АСУ можно различать следующие три основные под­

280

хода. Первый из них является некоторым фундаментом,

регламентирующим контакты между ЭЦВМ различных уров­

ней АСУ, и носит название п р е д с к а з а н и я в з а и ­

м о д е й с т в и й этих элементов системы. Если в некото­ ром управляющем сигнале у; в системе, состоящей из ряда

компонентов, будет иметь место некоторый член а ь обус­ ловливающий собой взаимодействие входного параметра с самим управляемым процессом s;, то всегда можно выб­

действия элементов системы можно сформулировать так.

т. е. взаимодействия элементов АСУ являются точно пред­ сказуемыми.

Второй подход содержит здесь р а з д е л е н и е в з а и ­

м о д е й с т в и й элементов системы. Этот принцип мо­

жет быть использован в ситуации, когда координирующая

ЭЦВМ в АСУ предписывает элементам нижнего уровня

выбирать некоторое взаимодействие иг с управляемым про­ цессом, удовлетворяющее локальный критерий функцио­ нирования. При этом для любого сигнала у ЭЦВМ нижнего

ст в и я элементов системы. Здесь координирующая ЭЦВМ

всистеме предписывает элементам нижнего уровня учиты­

вать взаимодействия входов как дополнительные возму­

щения, действующие в входных точках управляемого про­

цесса. Предположим, что диапазон возможных взаимодей­

ствий представляет собой подмножество V] 6 V t. Предпо­

ложим при наличии управления и (у) = / [их (у^, и 2 (у2)],

действующего как и прежде, zx (у) и z2 (у) будут обозначать при этом взаимодействия сигналов в входных точках управ­

ляемого процесса s. При этом принцип оценки взаимодейст­ вия элементов системы формулируется так. Управление

и (у) = / [«i.(yi), и г (у2) ] будет удовлетворять общей гло­

бальной цели в системе, если

Следовательно, при наличии управляющего сигнала в си­

стеме у, при котором будут удовлетворяться уравнения

(4.44), (4.45) или (4.46) и иметь место оптимальное управ­

ление и(у), можно говорить о координируемости АСУ, т. е. о наличии правильного взаимодействия между ее элементами и, в частности, ЭЦВМ на различных уровнях иерархической организационной структуры. Вернемся теперь к задаче, представленной на рис. 46. С учетом ска­ занного выше, в системе обязанности между ЭЦВМ можно по

разным уровням сформулировать так. Каждая ЭЦВМ об­

ласти-района газоснабжения будет решать задачу выхода наУпт F t (QUi) по Qni при условии выполнения уравнения

(4.41). ЦЭЦВМ при этом формулирует и выдает величину z*, которая является опорным уровнем взаимообмена. Оче­

видно, при этом будет соблюдаться и фактор минимизации уравнения (4.43). Нередко такая многоуровневая схема

управления с использованием ЭЦВМ на каждом уровне

при наличии ЦЭЦВМ во главе пирамиды иерархии АСУ является предпочтительней, нежели централизованная сис­ тема. Можно привести некоторые экономические, техни­ ческие и эксплуатационные моменты, говорящие в пользу этого положения.

При многоуровневом использовании ЭЦВМ в схеме АСУ

на решение той или иной задачи обычно затрачивается меньше машинного времени и необходимы устройства с мень­ шим объемом памяти. При сложных автоматизированных системах управления в верху иерархической пирамиды по­ требуется машина с колоссальной памятью и большими

возможностями в смысле решения задач управления, что

пока практически трудно осуществить. Вот почему созда­

ние в АСУ ГИВЦ, КИВЦ и РИВЦ является вполне обос­

нованным и необходимым мероприятием. В коммунальных

системах создание многоуровневых АСУ с использованием ЭЦВМ на различных уровнях управления позволит при

282

помощи последних решить задачи и для других, смежных

объектов, подсистем, отраслей в городских условиях. Кро­

ме того, имеется возможность расширить систему, создать сверхобъединения, как показано на рис. 48. Система управ­ ления более надежна. Выход из строя ЭЦВМ одной какойлибо области не остановит функционирования всей АСУ. Функции вышедшей из строя машины временно могут взять на себя ЭЦВМ других областей. Нередко при таких

структурах имеются изменения в конфигурации системы

гивц.

Рис. 48. Схема сверхобъединения вычислительных центров в АСУ

управления. АСУ многоуровневого типа менее чувстви­ тельна к таким моментам. Если в какой-то области проис­

ходят какие-то сдвиги или изменения, то это может сказать­

ся на локальных ее характеристиках, а общие цели и пара­ метры затрагиваются при этом мало. При централизованном управлении эти моменты проходят в системе более сложно, так как нередко меняются большие объемы математическо­ го, а иногда и технического обеспечений.

Многоуровневая концепция построения АСУ может

с успехом быть использована и в двух областях системо­

техники: при разработке алгоритмов решения сложных проблем и на стадии их формулировки для сложных боль­ ших систем. Характерным примером в этом случае может служить декомпозиция крупномасштабных задач оптими­ зации для сложных больших систем. Вся проблема разби­

вается на ряд подпроблем, решение которых менее трудоем­

ко. Процессы проектирования в системотехнике сложных

систем при стратифицированном описании более доступны

и эффективны. Обычно эти процессы начинаются со страты

высшего уровня, где формируются глобальные цели и

функции системы. Затем переходят к описанию более ниже­ лежащих страт уже с конкретными целями и функциями узкого плана. Исследуются взаимосвязи между стратами,

устанавливаются границы функционирования последних

и т. п. Такой подход к решению этих задач конечно более

эффективен и точен в реализации.

В многоуровневых АСУ при правильной координации

работы ЭЦВМ различных уровней управления общий опти­

мум в системе всегда может быть достигнут за счет решения

задач локальной оптимизации в областях. Принцип оценки

взаимодействия может быть применен и в ситуациях, когда перед АСУ ставится задача достижения не общего или ло­

кальных оптимумов, а улучшения за счет координационных

приемов функционирования всей системы. В большинстве

своем в этих ситуациях элементы системы взаимодействуют при наличии внешних возмущений.

Очень важное значение при построении АСУ имеют во­

просы и организации при многоуровневой концепции мощ­

ных вычислительных систем, основанных, что уже отмеча­

лось выше, на принципах мультипрограммирования с раз­

делением времени. В этих системах одна мощная ЦЭЦВМ

будет работать в режиме раздельного обслуживания под­

ведомственных областей и их элементов. Однако для эф­ фективного функционирования таких сложных вычисли­ тельных комплексов необходимы и мощные системы матема­

тического обеспечения, создание которых вызывает пока что определенные трудности на пути их реализации. Поэ­

тому пока что построение АСУ многоуровневого типа, с ис­

пользованием на последних ЭЦВМ для управления боль­

шими системами, является наиболее разрешимой и реаль­

ной задачей. Иерархическая система управления обеспечит наилучшее решение большого многообразия задач путем использования ЭЦВМ на различных уровнях. В принципе здесь можно использовать на всех уровнях однотипные ЭЦВМ. При этом обычно решаются емкие, большие задачи, реализовывать которые можно с меньшей затратой машин­ ного времени. Более целесообразной структурой, в част­

ности для управления системой трубопроводов в условиях

коммунальных хозяйств крупных городов, может служить

иерархическая организация АСУ с использованием на раз­

личных уровнях ЭЦВМ с увеличивающейся сложностью и мощностью в направлении от нижнего уровня к вершине

пирамиды. Поэтому в системе в зависимости от производи­

тельности той или иной машины и ее возможностей и ре­

284

шаются различные задачи управления всем комплексом.

Такие АСУ, представляя собой единые комплексы ЭЦВМ

и других средств вычислительной техники, математического, информационного обеспечений и организационно-техниче­ ских мероприятий, обеспечивают эффективное функциони­ рование всей системы в целом, экономичное решение задач управления трубопроводами коммунальных хозяйств. Обыч­ но на нижнем уровне управления в этих АСУ устанавливают относительно простые, но высоконадежные ЭЦВМ, спо­

собные непосредственно работать с объектом управления

в истинном масштабе времени, а на верхнем уровне управ­

ления в качестве ЦЭЦВМ — машины с системой мульти­

программирования, прерывания программ и мощным мате­

матическим обеспечением. Взаимодействие этой машины

с ЭЦВМ нижележащих уровней заключается в решении задач оптимальных общесистемного характера, планиро­ вания и организации работ на объектах и предприятиях отрасли, т. е. в основном организационно-технических и

экономических проблем управления. При таком исполь­

зовании ЭЦВМ в АСУ последняя будет относительно легко

вписываться в общегосударственную систему управления

Наша промышленность выпускает малые и большие

ЭЦВМ, которые с успехом могут быть использованы при

различных ситуациях построения организационных струк­

тур АСУ. К малым ЭЦВМ относятся «Проминь», «Мир»,

«Наири» и др.

«Проминь» предназначается для автоматизации различ­

ных инженерных расчетов, причем расчетный алгоритм решаемой задачи вводится в машину путем набора команд на бесконтактном магнитном коммутаторе'пульта управле­ ния ее функционированием. ЭЦВМ «Мир» выполняет мно­ гие сложные математические расчеты и операции, включая

задачи линейного программирования, решения сложных

систем линейных и нелинейных дифференциальных уравне­ ний и т. п. Расчетный алгоритм решаемой задачи вводится в машину путем различных слов, чисел и формул. ЭЦВМ

«Наири» предназначается для решения инженерных и эко­

номических задач большого круга. Здесь применяется весь­

ма удобная система автоматического программирования

решаемых задач, использующая язык, близкий к матема­

тическому. Машина располагает внутренней библиотекой подпрограмм, .используемых для решения типовых задач.

285

Выпускается и 'ряд специализированных машин этого класса, которые с успехом используют для автоматизации производственных и технологических процессов. Имеются

иЭЦВМ, специально сконструированные для целей управ­ ления этими процессами. К ним можно отнести машину «Днепр», которая по специальной программе может конт­ ролировать работу самых различных датчиков на управ­

ляемых объектах и выдавать управляющие команды по

соответствующему поддержанию процесса. Программы вво­

дятся в машину с помощью перфолент, результаты контроля

иуправления регистрируются. ЭЦВМ «УМ-1» по своим ка­ чественным характеристикам аналогична машине «Днепр», ВНИИЭМ и другим, но может решать и задачи оптимизации.

Кболее мощным и производительным машинам следует отнести ЭЦВМ серии «Минск». Машина «Минск-22» пред­ назначена для решения планово-экономических и техни­ ческих задач в условиях'автоматизированного и неавтома­

тизированного производства. Она, обладая агрегатной

системой блоков, весьма гибка и применима для самых

различных решений. Достоинством машины является воз­

можность ввода в нее информации во время выполнения раз­

личных расчетов. Она обладает достаточно высокой внеш­

ней и оперативной памятью. Машина «Минск-32» имеет

способность сопрягаться с каналами связи АСУ. Информа­

цию в эти машины вводят с перфолент, перфокарт, а выводят на пишущую машинку, перфокарту и перфоленту. К этой

же серии относится и машина «Минск-23», которая также ориентирована на обработку потоков технико-экономиче­ ской информации. К сожалению, эта машина несовместима

с«Минск-22» и «Минск-32», но является наиболее дешевой ЭЦВМ для своего класса. Информация здесь также вводится

сперфокарт и перфолент.

ЭЦВМ «Урал-11» предназначена для решения планово­

производственных, учетных, статистических, информа­ ционных, технико-экономических и технических — инже­ нерных задач. Результаты вычислений выводятся и фикси­ руются на перфокартах, перфо- и магнитных лентах, на печать и регистрацию в специальных устройствах. Ввод

и вывод информации в машину осуществляется включением

до 16 устройств, выполняющих эти операции. Машина

обладает высоким быстродействием, большой памятью и

надежностью в работе. К этому же классу больших машин можно отнести «БЭСМ-4», «БЭСМ-6 », «М-220», «М-1000»,

«М-2000», «М-4000», «ЕС-1020» и др. В большинстве своем они

2 86

третьего поколения. За 20 лет существования вычислитель­ ной техники ЭЦВМ от поколения к поколению совершенст­

вовались и модернизировались. Если машины первого поко­ ления представляли собой громоздкие ламповые модели,

то уже ЭЦВМ второго поколения были настроены на ми­

ниатюрных полупроводниках диодах и триодах, которые

обеспечивают им 'большое! быстродействие и надежность. Следует отметить, что хотя машины первого и второго по­

коления использовали для решения отдельных задач управ­

ления производственными и технологическими процессами,

они не в полной мере отвечали требованиям построения ком­

плексных автоматизированных систем управления. Машины

первого и второго поколений не обладали необходимыми

средствами сбора и накопления информации, небольшой

памятью и т. п.

С развитием микроэлектроники возможности конструи­

рования более совершенных ЭЦВМ резко повысились. Га­

бариты этих машин уменьшились, их устройства и блоки стали компактнее, надежнее в работе. Они способны ре­

шать более сложные и объемные задачи. Машины третьего

поколения обладают большим быстродействием. К примеру, скорость операций в машине «М-4000» равна 50-миллиард­

ным долям секунды. Машина работает с разделением про­

грамм и способна выполнять одновременно до 15 разных заданий. Она вооружена средствами регистрации и ви­

зуального контроля при помощи телевизионной аппарату­ ры, сопрягается с каналами передачи информации в АСУ, имеет внешние накопители информации на магнитных лен­ тах, дисках, барабанах. ЭЦВМ «М-4000» построена из от­

дельных типовых агрегатов, которые допускают различные

комбинации набора в зависимости от требований ее исполь­ зования. Машины третьего поколения используются в АСУ

весьма эффективно и перспективно. Они отражают состоя­

ние технических средств, и намечено их более широкое раз­ витие в ближайшем будущем.

§ 5. ПРИМЕНЕНИЕ МАШИН НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ В АСУ

Аналоговые вычислительные машины непрерывного действия в органическом единстве с специализированными

устройствами и цифровой техникой занимают достойное

место в автоматизированных системах управления про­ изводственными и технологическими процессами и особенно

287

вАСУТП. Их с успехом применяют и в вычислительных системах.

Ваналоговых вычислительных машинах, нередко назы­ ваемых еще электронными моделирующими устройствами,

влюбой момент времени моделируемый процесс в виде ис­

ходных величин представляется определенными значения­

ми машинных переменных. Именно поэтому эти устройства

нередко и называются вычислительными машинами непре­

рывного действия. Задачи на этих устройствах набираются обычно легче, чем на ЭЦВМ, однако точность результатов

здесь ниже. Серийные аналоговые вычислительные машины

получили в последнее время широкое распространение. Надо

сказать, что для решения инженерно-технических задач

в АСУТП, и особенно по моделированию технологических

динамических процессов, наибольшее распространение и

применение получили именно эти вычислительные устрой­

ства. Целесообразность применения их для расчетов и

анализа нестационарных процессов в трубопроводных систе­ мах коммунальных хозяйств страны очевидна. Решение этих гидрогазодинамических задач на ЭВМ непрерывного дей­ ствия является одной из операций в АСУ, которая требует

специального методического обоснования. Большая точ­

ность решения задач при использовании ЭЦВМ в значи­

тельной степени обесценивается невысокой точностью на­

чальных и граничных условий в практических задачах.

Следует отметить также сравнительно большую трату вре­ мени на подготовку программ и обработку полученных

результатов. Для режимов оперативного управления в АСУ

трубопроводными системами это, конечно, неприемлемо. Все эти трудности устраняются при использовании ЭВМ непрерывного действия.

Эти установки могут быть применены и для систем авто­ матизированного проектирования трубопроводов в ком­ мунальных хозяйствах, а также для определения их ак­

кумулирующей способности. На них можно выполнять

весьма сложные расчеты нестационарных процессов в дей­ ствующих трубопроводных объектах. Для оперативного управления процессами здесь можно применять серийные

аналоговые математические машины непрерывного дейст­

вия типа МН-7, МПТ-9, ЭМУ-8 , ЭМУ-10, МН-17 и др. Как

уже отмечалось, эти математические модели серийного типа

можно рассматривать как различные варианты вычисли­

тельных устройств, в которых исходные математические зависимости, описывающие моделируемый процесс, заме­

298

няются соответствующими зависимостями между машин­ ными переменными. Наличие в этих машинах линейных и

нелинейных операционных блоков наряду с возможностью изменений их параметров и использования средств для

задания широкого класса начальных и граничных условий

позволяет с успехом решать уравнения, описывающие слож­

ные процессы в трубопроводах.

Отечественная промышленность выпускает в большом

количестве ЭВМ непрерывного действия различных типов,

качество которых все повышается. Такие модели состоят из

различных блоков, каждый из которых выполняет опреде­

ленную математическую операцию: умножение на постоян­ ный коэффициент, перемену знака, сложение и вычитание,

интегрирование по времени, умножение и деление перемен­

ных величин и т. п. Основными элементами аналоговых

машин являются усилители постоянного тока с большим

коэффициентом усиления и глубокой отрицательной обрат­ ной связью. На выходе такого усилителя напряжение всегда

имеет знак, обратный знаку входного напряжения. Раз­

личные схемы включения этих усилителей обеспечивают

выполнение ими вышеприведенных математических опера­

ций. Например, включение усилителя с несколькими напря­

жениями, подаваемыми на его вход, обеспечивает выполне­

ние операции суммирования. Такой усилитель нередко на­

зывают сумматором. Показания суммируются при подаче

на вход усилителя напряжения одного знака. При разных знаках подаваемых напряжений осуществляется операция вычитания. При включении в обратную связь усилителя, вместо сопротивления емкости, можно получить блок, обес­ печивающий операцию интегрирования по времени. Нали­ чие в аналоговой машине таких интегрирующих звеньев и

дает возможность решать на них различные дифференциаль­

ные уравнения с постоянными коэффициентами. Для введе­ ния в машину любой нелинейной функции, заданной в виде определенного закона или кривой, используют специаль­ ные нелинейные блоки. Они строятся обычно на схемах с диодами, которые пропускают ток только в одном на­

правлении.

Операции умножения в аналоговых машинах основы­

ваются на равенстве:

(*i+ х г ) 2 —( . 4 — х 2 ) 2= 4хг лг2,

которое реализуется с помощью усилителей с различными схемами включения.

289