lekcii_asutp_doc / АСУ03Т1

Лекция 3. Иерархия решений. Организационная иерархия

3.1. Иерархия целей и принятия решений

Целевые функции МИС. Обычно цель автоматизированного управления объектами производства задают в виде критерия управления — соотношения, характеризующего качество работы объекта управления в целом и принимающего числовые значения в зависимости от используемых управляющих воздействий.

Для математического описания (формализации) функций цели МИС воспользуемся совокупностью множеств векторов входа x_i, i∈I^’, выхода y_i, i∈I" и управления u_i, i∈I"', для которых I' ≠I”≠ I'" (см. рис. 3.1).

В соответствии с определением запишем в общем виде критерий управления для промежуточной подсистемы МИС

(3.1)

Для формализации критерия управления на нижнем уровне запишем модель технологического процесса

(3.2)

Далее с учетом (3.1) и (3.2) получим

(3.3)

Запись функции цели в такой форме означает, что управляющий сигнал ν_0i влияет на технологический процесс, качество которого определяет значение целевой функции.

Наличие цели у подсистемы верхнего уровня обычно связывают с главной (глобальной) целевой функцией, которая исчисляется в приведенных затратах (издержках).

Для многоуровневых систем управления энергетики глобальную целевую функцию, которую записывают в аддитивной форме:

(3.4)

где ν_i- — функция цели нижестоящего уровня, приведенная к единой денежной шкале (размерности).

Принципиальный недостаток непосредственного использования одной глобальной целевой функции МИС состоит в том, что она не зависит явным образом от управляющих сигналов верхнего уровня. А между тем игл служит единственной переменной, на которую может воздействовать оператор или комплекс ЭВМ главного центра.

В случае невозможности прямого достижения глобальной цели с помощью средств, имеющихся на главном центре управления, ее разделяют на подцели. Аддитивная форма записи целевой функции служит наиболее удобной формой в этом отношении. Она позволяет с помощью декомпозиции v_гл составить так называемое дерево целей, пример которого изображен на рис. 3.1. Ни перед одним из элементов, образующих дерево, не ставят задачу прямого достижения v_гл.

Рис. 3.1. Дерево целей МИС

Тем не менее, она будет достигнута, если каждый из элементов системы достигнет своей подцели, согласованной с главной. Для этого каждый элемент нижестоящего уровня "знает" только точное значение "своего" критерия управления, в то время как на верхнем уровне известно конечное множество его значений.

Локальными критериями управления на уровне технологического процесса в теплоэнергетике обычно служат: КПД агрегатов и отдельных установок, различные оценки качества переходных процессов (интегральные показатели, максимальное или среднеквадратичное значение отклонений у_i или же минимум дисперсии D_у и др.).

Математическое описание целевых функций, являясь составной частью математической модели МИС, имеет прямое практическое значение. Оно состоит в том, что текущие значения целевой функции, вычисленные в темпе с технологическим процессом и представленные оператору в явном виде и наглядной форме, постоянно побуждают его к действиям, направленным на достижение заданного критерия управления.

Результат управления технологическим процессом характеризуется численным значением целевой функции. Если стратегия отвечает условиям принятых ограничений и позволяет с заданной точностью достигнуть экстремума целевой функции, то такая стратегия называется оптимальной, а процесс поиска экстремума — оптимизацией.

Задача оптимизации в классической постановке состоит в достижении экстремального значения ν_i (минимального или максимального), принимаемого за критерий управления. Следовательно, решение задачи оптимизации сводится к тому, чтобы из множества векторов управления найти такой допустимый вектор, который позволит достичь экстремум функции:

Как правило, сложные системы — многоцелевые.

Иерархия решений по управлению в МИС. В процессе управления ОС и предприятием довольно часто приходится принимать решения, которые должны быть целесообразными и безотлагательными одновременно. Однако для того, чтобы принять целесообразное решение, необходимо выбрать главные события и оценить основные ТЭП, на что требуется время даже опытному оператору, использующему данные расчетов на ЭВМ. Разрешить это противоречие помогают системы управления в виде дерева целей.

Вначале на основе информации, поступающей по каналам об- ратной связи, определяют глобальную задачу:

(3.5)

Для достижения каждой намеченной цели из имеющейся последовательности ν, определяют и фиксируют управляющие воздействия. Тогда целевая функция этой подсистемы становится полностью определенной, что позволяет найти решение задачи оптимизации на i-м уровне в виде оптимального значения вектора-сиг- нала задания:

(3.6)

Вектор (3.6) в свою очередь служит входом для следующей подсистемы.

В результате последовательного решения задач оптимизации (3.5), определяют векторы управления для каждой подсистемы:

(3.7)

В МИС с участием человека иерархию принятия решений соблюдают соподчиненные между собой лица из числа оперативного персонала (ЛПР). В системах управления, оснащенных автоматическими устройствами, то же самое достигают посредством решающих элементов (РЭ), связанных между собой каскадное. Каждый элемент решает своею подзадачу по управлению, например, по достижению экстремума собственной целевой функции.

Декомпозицию системы на слои осуществляют в зависимости от функций, возлагаемых на каждый слой. При этом функцию любого уровня выбирают так, чтобы она могла быть реализована непосредственно или с помощью последующей декомпозиции. Необходимость иерархического подхода к задаче оптимизации существует как на верхнем так и на нижнем уровнях управления промышленными объектами.

Рис. 3.2. Структура решающего элемента (РЭ)

Существенный недостаток одноуровневых систем жесткой структуры с фиксированными значениям параметров настройки автоматических регуляторов и функциональных устройств, как известно, состоит в том, что в течение дли тельного промежутка времени они работают без учета изменчивости динамических и статических характеристик ТОУ.

Вследствие этого настройки АСР и структуры регуляторов (П, ПИ, ПИД и др.), которые были оптимальными в определенном режиме работы агрегата или в начальный период его безостановочной эксплуатации, не обеспечивают должного качества регулирования в его середине или конце, или же при существенном изменении режима работы ТОУ.

Существует два способа устранения этого недостатка. Первый — состоит в ручной корректировке настроек и структур АСР по результатам опытного определения статических и динамических характеристик. Второй — в передаче функций по идентификации ТОУ и расчету настроек автоматическим устройствам. Ручной способ требует больших затрат времени и малоэффективен в особенности при большом числе АСР или же в переменных режимах работы оборудования. Оба фактора одновременно имеют место в практике эксплуатации крупных технологических цепочек, принимающих участие в регулировании мощности ЭС, Решение задач оптимизации технологического процесса с помощью автоматических устройств требует некоторого усложнения системы управления в целом, но лишено недостатков ручного способа.

Автоматическую систему оптимизации строят по многослойному Иерархическому принципу. Рассмотрим трехслойную систему РЭ (решающий элемент), изображенную на рис. 3.3. Она служит типичной для решения задач оптимизации промышленных ТОУ.

Назначение первого слоя РЭ S₁ — управление исполнительными устройствами, установленными на технологическом оборудовании. Функции первого слоя возлагают на АСР нижнего уровня, которые осуществляют автоматическую стабилизацию технологических параметров в соответствии с заданным критерием управления. Назначение РЭ S₂ — идентификация ТОУ и расчет новых значений (коррекция существующих) настроек для АСР нижнего уровня с целью достижения заданных критериев управления при изменении динамических характеристик ТОУ. Функции второго слоя возлагают на системы самонастройки (адаптации) — СНС.

Рис.3.3. Структура принятия решения в трехслойной системе

Функции третьего слоя возлагают на самоорганизующую систему управления (СОС). Последняя формирует на своем выходе задающее воздействие для АСР нижнего уровня в зависимости от вида заданной целевой функции ν_3i, к которой желательно приблизить статические характеристики замкнутой автоматической системы, состоящей из ТОУ и автоматического регулятора. Второе назначение — воздействие на стратегию адаптации СНС изменением алгоритма самонастройки с целью выбора оптимальной структуры АСР и последующего расчета оптимальных настроек. Для этого АСР, действующие в составе МИС, должны быть системами переменной структуры (СПС). Системы самоорганизации и самонастройки периодически подключают к непрерывно действующим АСР с целью повышения качества управления объектами, находящимися в длительной и непрерывной эксплуатации. Та и другая осуществляют дуальное управление, так как имеют двойственное назначение: сочетают изучение (идентификацию) и управление объектом.

3.2. Организационная иерархия

Отличительной чертой любой организационной системы служит наличие у ее элементов (центров) активного целенаправленного поведения. Смысл активности — стремление ЛПР или РЭ (УВК) предвидеть (прогнозировать) работу собственных управляющих органов и других подчиненных элементов. Последующая стратегия поведения активных элементов определяется с учетом данного прогноза.

Однако стремление отдельных подсистем нижнего уровня к достижению собственных локальных целей в некоторых случаях может препятствовать решению главной задачи оптимизации, стоящей перед системой в целом.

В другом случае, когда действия какой-либо подсистемы, направленные на достижение собственной цели, препятствует решению задачи оптимизации, стоящей перед другой смежной подсистемой, находящейся в пределах одного и того же уровня, возникают внутриуровневые конфликты.

Возможность разрешения межуровневых и конфликтных внутриуровневых ситуаций, неизбежно возникающих в процессе управления сложной системой, состоит в иерархическом подходе к организации управления, которое предусматривает:

• возложение только на одну из подсистем, считаемую главной, права принятия решений, непосредственно направленных на достижение глобальной цели;

• вертикальное соподчинение подсистем, наделенных правом принимать решения;

• разделение (разграничение) функций управления между подсистемами, расположенными на одном и том же уровне.

Каждый центр (звено) организационной иерархии — определенным образом функционирующая человеко-машинная система и имеет, если это необходимо, свою собственную организационную структуру. Например, диспетчерский пост управления, оснащенный комплексом ЭВМ и функционирующий под руководством дежурного инженера станции, имеет в своем подчинении посты управления технологическими элементами.

Главным принципом организационной иерархии считают взаимное расположение центров (звеньев) в соответствии с установленным приоритетом принятия решений по управлению.

Применительно к ОС центры (звенья, эшелоны) организационной иерархии образуют, например, общепроизводственные операторские посты, а также центральный пост диспетчерского управления.

Однако это не значит, что при создании новых АСУ ТП предприятий или же других крупных автоматизированных технологических комплексов следует исходить только из сложившейся структуры управления. Необходимо, прежде всего, придерживаться системного подхода к проблеме автоматизированного управления в целом и к основной задаче, которую система должна решать. Для этого используют категории математической страты, дерева целей, слоя принятия решений и организационного звена (центра) управления.

Вертикальная декомпозиция обобщенной МИС, построенной с соблюдением принципов целевой и организационной иерархии, показана на рис. 3.4 Горизонтальную декомпозицию МИС в пределах одного и того же уровня по организационным признакам осуществляют на основе принципа агрегирования (объединения) однотипных объектов в группы и разграничения функций управления между отдельными группами.

Каждый решающий элемент или ЛПР, входящие в МИС, в принципе могут использовать многоуровневый и многослойный подходы для решения собственных локальных подпроблем, как это показано на рис. 3.4. Если в МИС, составленной из математических страт или слоев принятия решений, на каждом уровне формально есть один элемент, то в организационной структуре этой же системы на каждом уровне может быть несколько элементов или звеньев, образующих собственную внутриуровневую иерархию.

Каждый промежуточный центр управления, входящий в МИС, имеет дело в первую очередь с подчиненной системой. Его оперативный персонал управляет только "своим" технологическим процессом и находится в неведении относительно решений, принятых на других центрах одного и того же уровня. Оперативный персонал вышестоящего центра должен координировать работу взаимосвязанных подсистем, расположенных ступенью ниже, по их укрупненным показателям. Его задача оказать такое влияние на подчиненные системы, чтобы достигнуть экстремума глобальной целевой функции в процессе управления.

Рис. 3.4. Организационная и функциональная структуры многоуровневой АСУ

Однако на практике может оказаться, что эффективность работы системы в целом будет все же неудовлетворительной. Тогда вышестоящий центр может изменить целевую функцию (критерий управления) для нижестоящих звеньев, т.е. осуществить критериальное управление. Функция критериального управления, как уже отмечалось, может быть возложена на автоматическое устройство, входящее в состав подсистемы самоорганизации.

В связи с тем, что центры верхнего уровня всегда имеют дело с укрупненными подсистемами, проблему принятия решения рассматривают здесь как более сложную, а математические модели верхних страт всегда имеют больше неопределенностей по сравнению с нижними. Например, на верхнем уровне управления ОС возникает необходимость учета дополнительных источников внешних возмущений (дополнительных неопределенностей) по каналам межсистемных связей и других факторов.

Другая особенность управления на верхнем уровне ОС состоит в увеличении времени, необходимом для принятия решения. Это объясняется тем, что информация, поступающая в вышестоящий центр, изменяется медленнее, чем технологические параметры отдельных источников энергии, так как в большинстве случаев она представляет собой агрегированные переменные.

Сложившейся иерархии автоматизированных технологических комплексов по организационным признакам противостоит децентрализация или полная автономия управления, когда отдельные подсистемы, имеющие общую цель, не имеют единого координирующего центра, обладающего приоритетом принятия решений по управлению. Децентрализацию управления в таком понимании по отношению к системам и предприятиям скорее можно представить как исключительно неблагоприятную ситуацию. Последняя может сложиться лишь в случае крупномасштабных.