книги / Теория автоматического управления техническими системами

Переходным процесс на выходе следящей системы заканчивается за че­ тыре такта дискретизации, т. е. Ып=Ахт (рис. 14.23). При отсутствии нели­ нейного элемента можно было быв 2 раза увеличить быстродействие сис­ темы. Насыщение электродвигателя по скорости приводит при значительных по модулюсигналах управления к более длительным переходным процессам.

Контрольные вопросы

1.В чем состоят достоинства .цифрового моделирования с помощью микроЭВМ?

2.Как осуществляется квантование сигнала по уровню?

3.Как проходит аналоговый сигнал в МП-системе управлег

ния?

4.Как влияют шумы квантования на работуСАР?

5.Приведите пример использования микропроцессора в ка­

честве универсального регулятора.

6. Каковы возможности применения МП в качестве коррек­ тирующего устройства?

15. ИЕРАРХИЧЕСКИЕ МНОГОУРОВНЕВЫЕ УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ

Рассмотрим большие системы, в которых процессы взаимо­ связаны выполнением единой цели. Эти системы всегда являют­

ся управляющими и представляют собой совокупность элемен­ тов или подсистем, объединенных целью выполнения тех или иных задач путем выбора решений на основе полученной ин­

формации. Такого рода системы обычно многоуровневые, или иерархические.

15.1. Примеры иерархических структур

Простейшую иерархию —двухуровневую можно рассмотреть

на примере штата лаборатории НИИ, где нижний уровень со­ ставляют сотрудники, выполняющие частные задачи, а верхний

уровень—руководитель лаборатории, координирующий ход ра­ боты каждого сотрудника и деятельность лаборатории в целом

согласно плану. Последний составляется в процессе итератив­ ного обмена информацией: координатор определяет задание (цель) для каждого сотрудника-исполнителя, учитывая его вза­ имодействие с другими; сотрудник в свою очередь сообщает, может ли он выполнить это задание. В случае необходимости руководитель выдает новое, скорректированное задание, и этот процесс продолжается до тех пор, пока будут сформулированы задания, достижимые для каждого и, в то же время, обеспечи­ вающие выполнение цели деятельности всей лаборатории.

Более сложную иерархию представляет собой управление, например, техническим процессом на каком-либо промышлен­ ном предприятии (рис. 15.1). Целью могут быть максимальная прибыль, высокое качество продукции и т. д.

Верхний уровень (директор предприятия) осуществляет вы­ бор общей стратегии, анализ и выработку приемлемого плана производства, обеспечивающего выполнение директив. Планом этим определены лишь основные цели. На следующем, среднем уровне руководители производственных подразделений выясня­ ют, можно ли выполнить эти цели при имеющихся ресурсах. Каждый из этих руководителей, получая информацию от испол­ нителей (нижний уровень), оценивает возможности своего под­ разделения в выполнении определенной части плана предприя­ тия.

Таким образом, здесь обмен информацией и принятие ре­ шений —итеративный процесс. Директор, координируя деятель­ ность всех подразделений, дает указания каждому из руково­ дителей этих подразделений. Руководитель в свою очередь со­ общает директору о разбалансе между тем, что может достиг­ нуть подразделение, и тем, что предложено директором. Инфор­ мация, полученная от всех подразделений, используется для из­ менения распоряжений, при этом последовательно уменьшается разбаланс для каждого из подразделений. Из сказанного вид­ но, что осуществление такой иерархии целесобразнее реализа­ ции постоянного общения менаду всеми лицами, принимающими решение.

Теперь перечислим основные условия действия иерархии сложных систем —с большим числом уровней.

1. Элементы иерархии, от которых зависит принятие и вы­ полнение решения, должны быть расположены в виде пирами­ ды, причем на каждом уровне этой пирамиды некоторое число таких элементов должно работать параллельно.

2. Глобальная цель и цели всех «решающих» элементов, образующих иерархию, должны быть согласованы.

3. Между «решающими» элементами различных уровней иерархии должен происходить итеративный обмен информацией: преимущество отдается информации, передаваемой сверху вниз; последняя должна рассматриваться нижними уровнями как ко­ манда, которой необходимо подчиниться, если только это воз­

можно.

4. Масштаб времени должен возрастать при движении вверх по иерархии (т. е. процессы обмена информацией в этом случае могут замедлиться).

Элементы технической системы могут быть расположены в опре­ деленном порядке в зависимости от принятого критерия. Одним из таких критериев может быть возрастающая сложность эле­ ментов системы, или шкалы сложности.

На примере живых организмов можно представить уровни

иерархии в соответствии со шкалой сложности; элементарные организмы, самостоятельно поддерживающие

свое существование, т. е. клетки; организмы с низкой способностью восприятия информации,

т.е. растения; высокоорганизованные организмы;

организмы, обладающие сознанием, т. е. люди.

Более высокими уровнями иерархии по отношению к людям являются:

организации (например, общественные); социальные системы (например, государство).

Иерархия позволяет из более простых систем построить сложные и, наоборот, сложные системы разбить на их состав­ ные части, или подсистемы, в соответствии с некоторой шкалой сложности.

В случае «сложных» «целеустремленных» систем принцип построения иерархии заключается в следующем: цели подсистем нижних уровней подчиняются целям подсистем более высокого уровня. Так, системы управления техническими процессами или объектами могут иметь следующую иерархию по шкале сложности (рис. 15.2).

Основой иерархии может быть, например, и сложность ма­ тематического описания. Так, иерархию математических моде­

уравнениями, на втором —линейными нестационарными, на третьем —нелинейными нестационарными, на четвертом —не­ линейными стохастическими дифференциальными уравнениями

Рис. 15.2. Иерархия систем управления техническим про­ цессами и объектами

Иерархическое построение предпочтительно и в случае, ког­ да в наличии большое число элементов, взаимодействие которых друг с другом не может быть объяснено или организовано про­ стым способом. В таких сложно организованных системах целое не сводится к его частям в том смысле, что по известным свой­ ствам этих частей и законам их взаимодействия совсем не просто установить свойства системы в целом.

что:В применении к техническим системам иерархия означает, 1) система состоит издругих систем (подсистем);

2)для всякой заданной системы можно найти такую систе­ му, которая включит ее в себя;

3)если заданы две системы, то система, включающая в се­ бя другую, называется системой высшего уровня, а эта дру­

гая—системой низшего уровня; 4) системы низшего уровня, в свою очередь, содержат си­

стемы еще более низкого уровня, для которых первые являются системами «высшего уровня».

технических управляемых систем и объектов, т. е. любых ма­ шин (в том числе и вычислительных), технологических процес-

28* '135

5-й уровень —организационное управление всей технической системой в целом, или интегрированные СУ (ИСУ). Согласно

участкам производства, а в случае движущихся объектов, на­ пример, соединению летательных аппаратов. Задачи управления каждой из таких групп, или подсистем, решаются на 4-м уровне. Основная задача 5-го уровня—обеспечить выполнение директив более высокого уровня и глобальной цели управления всей тех­ нической системой, например заводом, аэропортом, кораблем и

т. д., подчинив ей теперь уже считающиеся локальными цели управления каждой из групп объектов 4-го уровня.

Следует отметить, что 4-5-й уровни относятся к управлению, или руко­ водству, административно-хозяйственной деятельностью, либо к организаци­ онному управлениювсей совокупностьюобъектов сложной технической сис­ темы, которое обычно осуществляется людьми. Отличие организационного от динамического управления заключается в наличии большого числа людей, участвующих в управлении; характере носителей информации, которыми яв­ ляются документы в первом случае и физические сигналы —во втором; в большом объеме информации, подлежащей'обработке; более длительном про­ текании процессов; большой степени неопределенности в.формулировке целей и описании возмущений и требуемых режимов; трудности формализации и математического описания. Несмотря на то, что динамические и организацион­ ные уровни образуют единую, или «интегрированную», систему управления, комплексное рассмотрение такой системыс единых позиций и разработка ее теории представляю большие трудности.

Необходимо иметь в виду, что все эти уровни имеют не только прямые связи—-от верхнего к нижнему, но и обрат­ ные—от нижнего к верхнему, что способствует эффективному их функционированию. Сложные системы управления строятся по иерархическому, многоуровневому принципу, согласно кото­ рому цели подсистем нижних уровней подчиняются целям под­ систем более высоких уровней. При этом надо отметить следу­ ющее: подсистемы верхнего уровня «имеют дело» с более ши­

рокими аспектами поведения системы; период принятиярешения для подсистем верхнего уровня больше, чем для подсистем

нижнего уровня; подсистемы верхнего уровня «имеют дело» с более медленным «поведением» системы; описания и проблемы

на верхнем уровне содержат больше неопределенностей и труд­ нее поддаются формализации.

15.3. Централизованные и иерархические управляющие вычислительные комплексы

Современное развитие теории и практики АСУ характери­ зуется переходом от простого регулирования объектов с одним входом и выходом к довольно сложному управлению многомер­ ными системами со многими входами и выходами. Следующий этап —управление многообъектными топологическими система­ ми, так или иначе распределенными в пространстве. Управле­

ние такими системами невозможно без использования средств вычислительной техники (ВТ), снабженных надлежащим мате­ матическим и программным обеспечением, а также средствами обмена информацией.

До недавнего времени все АСУ ТП, основанные на приме­ нении ВТ, имели одну и ту же централизованную структуру с ЭВМ высокой производительности, с чувствительными, измери­ тельными и исполнительными элементами, посылающими к цент­ ру и принимающими от него аналоговую информацию (рис. 15.4). Применяют также системы с двумя центральными дубли-

централизованные ЭВМ, работающие по принципу голосования: если две машины дают одинаковые результаты, а третья —дру­ гие, то принимаются решения, основанные на одинаковых ре­ зультатах двух машин.

Все сигналы вход-выход передают по проводам (шинам) в центральный пункт управления, что требует сложного кабель­ ного обеспечения между пунктом управления и остальной ча­ стью системы. Для уменьшения протяженности кабелей в неко­ торых установках применяют интерфейсы (ЭВМ-процесс), снаб­ женные мультиплексорами, установленными как можно ближе к оборудованию. При этом одна из основных трудностей —кон­ центрация всех функций в одном процессоре, тогда как значи­ тельная чёсть его производительности затрачивается на вспомо­ гательные функции. Кроме того, существенно возрастает стои­ мость программного обеспечения из-за его сложности и дли­ тельного времени, необходимого для его разработки.

Что касается решения задач управления, то централизован­ ные системы с одной ЭВМ также имеют недостатки. В случае