книги из ГПНТБ / Лоскутов В.И. Основы современной техники управления

Большие системы

В качестве объектов управления все большее значение придается так называемым организационным комплексам,

обеспечивающим функционирование ряда сфер общественной деятельности.

Организационные комплексы позволяют рационально ис­ пользовать людей, оборудование и предметы труда, создают условия для того, чтобы с помощью наиболее прогрессивных приемов и методов успешно решить экономические и админи­ стративно-хозяйственные задачи.

Количество организационных систем велико. К их числу относятся промышленные предприятия, строительные органи­ зации, объединения, тресты, энергетические комплексы, от­ расли промышленности и, наконец, народное хозяйство

вцелом.

Вкаждой из таких систем протекают процессы непрерыв­ ного движения материального и экономического характера, связанные с переработкой сырья, рациональным использова­ нием рабочей силы, использованием механизмов и машин.

Организационная система обладает свойством самоорганиза­ ции и развития. Она может не только поддерживать, но и улучшать заданную степень организации при наличии как внешних, так и внутренних возмущений. В ней могут проис­ ходить локальные изменения при сохранении целостности всей системы. Объективная необходимость сохранения этой цело­ стности диктуется потребностью системы противостоять про­ цессам дезорганизации. В организационной системе можно выделить управляемую и управляющую часть. В ней, как и в других системах, совокупность элементов, осуществляю­ щих протекающие внутренние процессы, образует объект управления. Совокупность же элементов, обеспечивающих в ы ­ работку управляющих воздействий на подчиненный объект, составляет управляющую часть системы. В своем объедине­ нии они образуют целостное единство. Одним из важнейших факторов для формирования управляющих воздействий в та­ кого рода системах являются структура и объемы обрабаты­ ваемой информации. В данном случае понятие информацион­ ных потоков состоит главным образом в движении показате­ лей, документов и некоторых недокументированных сведений. Структура потока является непосредственным отображением функциональной модели организационного комплекса.

Большинство организационных комплексов по количеству входящих в них элементов и сложности внутренних взаимо-

связей может быть отнесено к разряду больших систем. Вза­ имосвязь большого числа объектов и подразделений, как пра­ вило, предопределяет значительное количество выполняемых организационной системой функций, часть из .которых может находиться в состоянии конфликтных ситуаций. Сложные и переплетающиеся связи между переменными величинами приводят к тому, что изменение одной из них влечет измене­ ние многих других.

Воздействующие на большую систему факторы во многом зависят от наличия нерегулярных внешних возмущений сто­ хастического характера.

Все это усложняет математическое моделирование органи­ зационных систем и приводит к очень сложным алгоритмам выбора управляющих воздействий. Управляющие алгоритмы еще больше усложняются огромными объемами разнохарак­ терной информации, которые при этом приходится анализиро­ вать и перерабатывать.

Неполнота и неопределенность информации о состоянии системы усложняют методы управления и прогнозирования развивающихся внутри ее процессов.

Но вместе с тем любая из больших организационных си­ стем характеризуется целостностью своего поведения, устойчи­ востью, надежностью работы и определенной организован­ ностью своей внутренней структуры.

Функции, структуры, информационная база больших искус­ ственных систем должны удовлетворять строго определенным требованиям информационного, методологического и техниче­ ского единства.

Первое из них осуществляется путем реализации единых методов формирования, хранения и движения информации во всех уровнях системы. В числе прочих условий этим требо­ ваниям должны удовлетворять и принятые методы построения нормативной базы.

Методологическое единство системы состоит в однозначно принятых способах решения задач в одноименных звеньях си­ стемы, а также в методах переработки информационных по­ токов. Техническое единство предопределяет наличие агрегатно совместимых между собой средств сбора, фиксации, на­ копления, передачи и обработки информации.

Принятая организационная структура системы должна обеспечивать ее дальнейшее развитие и поэтапный ввод от­ дельных частей и подсистем.

Построение больших систем должно удовлетворять прин­ ципам автономности и адаптации.

50

Принцип автономности обеспечивает возможность деления системы на функциональные, обеспечивающие и организацион­ ные подсистемы.

Гладный

вычислительный

центр

Рис. 12. Схема большой системы с территориально разоб­ щенными объектами

Принцип адаптации позволяет трансформировать данные отдельных подсистем и взаимосвязи между ними при измене­ нии воздействия внешней среды.

В настоящее время все большее значение придается боль­ шим системам с территориально разобщенными объектами.

К числу таких систем относятся отраслевые автоматизирован­ ные системы управления, системы управления энергетиче­ скими объединениями, межотраслевые системы управления снабжением, транспортом и др. Общая схема управления такой системы показана на рис. 12. Как видно из представленной схемы, информация, прошедшая первичную обработку от ни­ зовых звеньев системы, передается в районный вычислитель­ ный центр, а затем итоговые данные по соответствующим каналам связи поступают в региональные центры. Принимае­ мая в этих центрах информация может частично использо­ ваться для решения задач территориального значения.

Окончательная обработка получаемых промежуточных ре­ зультатов осуществляется в Главном вычислительном центре системы. Такого рода системы могут действовать только в ус­ ловиях информационной, методологической и технической со­ вместимости. Большую роль при построении таких систем играют каналы связи и обеспечение строгой последователь­ ности обработки и передачи информации.

Управление технологическими процессами с использованием ЭВМ

Особый класс систем представляют системы управления технологическими объектами. Они обеспечивают наибольшую производительность, улучшают качество получаемой продук­ ции за счет оптимизации протекающих в объекте процессов, снижают материальные и энергетические затраты.

Все технологические процессы можно разделить на три группы: периодические, непрерывные и полунепрерывные. В не­ промышленной сфере используются и дискретные процессы.

Периодическими являются процессы, в которых поступле­ ние сырья представляет собой заранее установленную перио­ дическую операцию.

При непрерывных процессах скорость подачи сырья и вы ­ ход готовой продукции относительно постоянны.

Полунепрерывные процессы включают одновременно пе­ риодические характеристики.

Системы управления технологическими процессами часто выполняются по одноконтурной замкнутой автоматической схеме. В ряде случаев схема усложняется, включая в свой состав несколько технологических объектов.

При полной автоматизации обеспечивается ведение техно­ логического процесса в оптимальном режиме. В ряде случаев система принятого управления должна также автоматизиро-

52

вать процессы пуска, останова и вывода объекта из аварий­ ного режима.

Важнейшее требование, предъявляемое к технологическим системам,— обеспечение высокой надежности и устойчивости

вработе.

Вкачестве управляющих органов в такого рода системах чаще всего применяются специализированные управляющие машины или мини-машины.

Управляющая математическая машина представляет собой некоторую совокупность устройств для получения и тожде­

На рис. 13 показана упрощенная схема управляющей мате­ матической машины. В общем случае в управляющую машину поступает информация y{t) о состоянии регулируемого объекта и изменяющихся условиях внешней среды. На основании этой информации вырабатывается сигнал х(і), воздействующий че­ рез соответствующий исполнительный механизм на управляе­ мый объект. За счет использования обратной связи получается как бы постоянный обмен информацией между управляющей системой и управляемым объектом в виде сигналов y(t) и x(t).

53

влияния той части внешней среды я|)(0, о которой информа­ ция отсутствует.

В результате значение сигнала y(t) описывается следующим

управляющим устройством путем реализации алгоритма А, определяющего x(t) через F(t) и y(t). Информация о состоянии внешней среды F(i) и ^(0> вообще говоря, является случайной. Если же F(t) и т|)(/) — известные функции, то возможность получения наивыгоднейшего сигнала y(t) зависит лишь от со­ ответствующего выбора x(t).

Обеспечивая протекание контролируемого процесса в зоне оптимума, управляющие машины фактически исчерпывают все имеющиеся производственные резервы, и последующее улучшение работы объекта требует перехода на новые, более эффективные виды технологии.

ные для реализации разнообразных управляющих алгоритмов, и специализированные, обеспечивающие функционирование объектов с помощью алгоритмов узкоспециального вида.

Сторонники широкого использования машин первого класса считают, что создание специализированных машин для управ­ ления локальными объектами нецелесообразно, так как при точно выявленных математических закономерностях в тече­ ние процесса можно с успехом применять обычные методы автоматического регулирования. Поэтому разработка и созда­ ние управляющих вычислительных машин в ряде стран, в том числе и в США, шли в направлении их универсализации путем объединения принципов управления широкого класса одно­ типных процессов.

Школа второго направления использует технику элек­ тронно-вычислительных устройств для создания узкоспециали­ зированных машин при управлении каким-либо конкретным процессом. Схемы этих машин создаются на основе глубокого изучения физических явлений контролируемого процесса и точного установления его взаимосвязей с внешней средой. На­ личие четко выраженного алгоритма управления при создании таких машин позволяет значительно упростить их структуру, до предела уменьшить разрядность применяемой информа­ ции, в подавляющем большинстве пользоваться числами с фик ­ сированной запятой, обеспечить требуемую надежность работы всего агрегата, значительно облегчить условия эксплуатации,

54

увеличить профилактические и межремонтные сроки обслу­ живания, снизить стоимость машин. Успешная эксплуатация уже созданных специализированных управляющих машин для локальных объектов показала их эффективность и значительно более высокую степень надежности по сравнению с машинами первого типа.

Действующими образцами специализированных управляю­ щих машин являются машины для оптимизации раскроя за­ готовочных полос в прокатных металлургических комбинатах «Сталь-1» и «Сталь-2» и машина «Автомашинист» для автома­ тического вождения мотовагонных секций и поездов москов­ ского метро. По самым скромным подсчетам применение ма­ шины «Сталь-1» на раскрое заготовок у обжимных станов Магнитогорского металлургического комбината в 10—11 раз сокращает отходы на обрезь, что позволяет получить допол­ нительно около 25—30 тыс. т мерной заготовки в год. Замена при раскрое слябов ручной резки автоматической с помощью системы «Сталь-2» обеспечивает увеличение годового выпуска листового проката на 10 тыс. т.

Возможности УВМ широкого применения резко возросли с появлением так называемых мини-машин. Указанные ма­ шины представляют собой набор агрегатных модулей, с по­ мощью которых определяется и соответствующая конфигу­ рация управляющего комплекса. Мини-машины, обладая ши­ рокой универсальностью, позволяют использовать их в самых различных сферах применения: для технологических объектов и научного эксперимента при организации контрольных опе­ раций, в качестве терминалов больших систем, для расчетных операций и т. п.

Путем различных сочетаний комплектующих мини-машину модулей удается удовлетворять не только различные требо­ вания потребителей, но и изменить конфигурацию машин в процессе их эксплуатации при расширении или изменении круга решаемых задач.

За рубежом начинают широко использоваться мини-ма­ шины в системе обучения, в медицине, в торговле, в управ­ лении движением транспорта и во многих других областях.

Математическое обеспечение мини-машин состоит из до­ статочно развитой операционной системы и соответствующей библиотеки прикладных программ.

В ряде случаев этот класс машин комплектуется трансля­ торами с языков высокого уровня.

Все это позволяет осуществлять процессы многоэтапного управления и расширяет возможности мини-машин.

55

Отечественной промышленностью осваивается мини-ма­ шина модели М-6000, предназначенная для компоновки авто­ номных и низовых локальных информационных и управляю­ щих вычислительных систем. Логические устройства этой ма­ шины выполнены на интегральных схемах.

Машина М-6000 обеспечивает работу в режимах подготовки и отладки программ, в режиме профилактического контроля и поиска неисправностей и в режиме мультипрограммной ра­ боты в реальном масштабе времени.

Вычислительный комплекс машины М-6000, образующий центральное ядро управляющей системы, комплектуется из ряда агрегатных модулей. В его состав входит вычислитель,

Оперативное запоминающее устройство рассчитано на хране­

веден до 8 таких модулей. В качестве постоянного и буферного запоминающих устройств могут быть использованы магнит­ ные ленты и магнитные сменные диски.

Кроме этого, в составе основного комплекса может быть использовано постоянное запоминающее устройство с емкостью 16 384 восемнадцатиразрядных слов и с циклом обращения в 2 мсек. Для выполнения дополнительных команд с числом двойной длины может использоваться специальный арифме­ тический модуль.

Основной вычислительный комплекс компонуется каналом прямого доступа к памяти, инкрементным каналом для выпол­ нения групповых операций и сателлитным каналом для неза­ висимой записи в ОЗУ и чтения из ЗУ по адресам, получае­ мым извне.

В зависимости от принятой конфигурации машины она мо­ жет быть укомплектована различным набором вводных и вы ­ водных устройств.

Непосредственный процесс управления объектом в этом случае осуществляется через пространственно-временные и количественные соотношения переменных, определяющих со­ стояние системы и являющихся средством для спонтанного повышения ее внутренней организации.

Для расширения управляющих функций вычислительного комплекса М-6000 может использоваться большой набор устройств связи с объектом (УСО). В состав УСО входят устройства для ввода и вывода аналоговых и цифровых сиг­ налов на объект.

56

Наличие такого рода устройств и внешнего оборудования расширяет возможности управления объектами самого раз­ личного назначения. В наборе внешнего оборудования преду­ смотрена возможность компоновки многопроцессорных систем различной структуры, обеспечивающих высокую производи­ тельность и надежность.

На рис. 14 показана схема расширенной системы управле­ ния технологическим объектом на базе модулей машины М-6000. Система обеспечивает выполнение автоматического сбора и переработки технологической информации в соответ­ ствии с условиями опроса подключенных датчиков и алгорит­ мом обработки получаемых при этом данных.

Общая конфигурация машины М-6000 и выбор соответ­ ствующих блоков определяются в зависимости от конкретных условий ее применения.

С появлением мини-машин в сфере управления непрерыв­ ными технологическими процессами начало формироваться новое направление — непосредственное цифровое управление объектами (НЦУ). Системы управления с использованием управляющих вычислительных машин второго поколения раз­ рабатывались в этих случаях для решения задач статической оптимизации. Такого рода системы обыкновенно состояли из двух уровней подсистем: на нижнем уровне использовались подсистемы стабилизации переменных технологических про­ цессов, на более высоком уровне — подсистемы определения оптимальных значений этих переменных.

Первая из этих подсистем выполнялась в основном на программных регуляторах и функциональных блоках авто­ матической унифицированной системы (АУС). Определение же оптимальных значений переменных осуществлялось с по­ мощью УВМ.

Наличие в подсистемах стабилизации переменных техноло­ гических процессов аналоговых устройств обеспечивало реа­ лизацию линейных законов управления. Попытки улучшить в этих условиях функционирование технологического обо­ рудования связаны, как правило, с увеличением для опера­

Системы непосредственного цифрового управления позво­ ляют по-новому подойти к решению задач контроля и регули­ рования. В этих случаях информация от измерительных при­ боров воспринимается в дискретном виде, а УВМ реализует

57

Рис. 14. Схема управления технологическим объектом с помощью мини-машины М-6000

управляющие воздействия непосредственно на исполнитель­ ные механизмы. Одновременно с этим информационные сиг­ налы выдаются на устройства отображения (табло, приборы, дисплеи и т. д.).

При наличии технологического оборудования со сложными нелинейными законами регулирования, функционирующими

58