Математическое обеспечение

Необходимым условием для функционирования АСУ ТП наравне с техническим являются математическое и программное обеспечение. В результате усложнения технологических объектов и задач управления ими стоимость разработки и отладки полного комплекса соответствующих алгоритмов и программ во многих АСУ ТП стала соизмеримой с затратами на приобретение и монтаж всех технических средств системы, включая ЭВМ.

В соответствии с терминологическими стандартами под математическим обеспечением АСУ ТП понимается совокупность математических методов, моделей и алгоритмов, используемых при разработке и функционировании систем. По мере развития вычислительной техники и использования в АСУ ТП математическое обеспечение вместе с построенным на его основе программным обеспечением приобретает все большее значение и становится соизмеримым, а иногда и превышает по стоимости комплекс используемых технических средств. МО+ПО - это «идеологическое содержание» АС, основа - мягкая составляющая (Soft) в отличие от так называемого твердого товара, (железа - Hard), к которому относят технические средства.

При успешном развитии техники стало очевидно «узкое место» - дальнейший прогресс в оснащении промышленных ТОУ развитыми и эффективными АСУ невозможен без наличия отработанных алгоритмов и программ, необходимых для выработки обоснованных решений по управлению с использованием ЭВМ.

Важными предпосылками автоматизации управления любым объектом служат содержательное описание и изучение деятельности людей с последующей формализацией их функций, допускающих строгое математическое описание (алгоритмизацию) и передачу машинам. Переход от содержательного словесного описания к формализованному — одно из проявлений общей закономерности научного познания - является необходимым звеном процесса передачи деятельных функций человека техническим средствам. Применительно к АСУ ТП это означает, что все действия по контролю и управлению технологическим объектом, (поручаемые ЭВМ), должны быть полно и однозначно описаны сначала на строгом языке алгоритмов, т. е. математических правил и выражений, а затем в виде программ, т. е. последовательностей команд, выполняемых вычислительной машиной.

Управление объектом включает в себя комплекс операций необходимых для формирования соответствующих целенаправленных воздействий на управляемый объект: операции получение информации (контроля), анализа (выработка и принятие решений) и исполнения (реализация управляющих воздействий).

Операции получения информации и реализации управляющих воздействий в большинстве случаев выполняются в АСУ ТП независимо от оператора, автоматически, с помощью средств технического обеспечения нижнего уровня. Однако определение ненаблюдаемых параметров и расчет ТЭП также требует сложных алгоритмов.

Операции выработки и принятия решений по управлению требуют, как правило, до их реализации определения оптимального (или хотя бы рационального) алгоритма их выполнения. Для этого каждую задачу управления надо сформулировать математически.

Математическая формулировка задачи оптимального управления включает в себя два элемента: математическую модель объекта и критерий управления. Под математической моделью понимают систему соотношений, описывающих поведение объекта управления и те условия (возмущения, ограничения и т. д.), в которых он работает. Для представления модели в аналитической форме необходимо знать физическую природу управляемого объекта, его структуру и конструктивные особенности. (Различают феноменологическое описание и «черный ящик», обычно используется их совокупность в некотором сочетании.) Модель всегда в той или иной степени приближенна и может не учитывать ряда тонких явлений, происходящих в объекте, но в то время может с успехом использоваться для определения управляющих воздействий при различных совокупностях значений параметров объекта. Это можно сделать как в темпе с ходом процесса (реального времени, on line), так и в режиме предварительного анализа, производя соответствующие вариантные расчеты.

Если характеристики управляемого объекта подвержены изменениям, то соответствие модели объекту должно непрерывно проверяться и уточняться на основе информации о состоянии объекта (адаптивная схема). Пользуясь моделью, можно испробовать различные управляющие воздействия, получить и зафиксировать реакции на эти воздействия, а затем выбрать те из них, которые в наибольшей степени удовлетворяют оптимальному критерию.

Вычислительные комплексы, входящие в АСУ, накапливают информацию об управляемом процессе в виде совокупности значений измеряемых параметров, сведений о состоянии оборудования и перерабатывают ее для выработки управляющих воздействий. Переработка информации в ВК осуществляется по алгоритмам, которые отражают технологическую инструкцию ведения процесса. В ней говорится о том, каким образом, располагая информацией о процессе, полученной на основе измерений, и зная все ограничения, накладываемые на процесс, выбирать целесообразные управляющие воздействия в различных производственных ситуациях. Обычно алгоритм, выполняемый ВК, соответствует рассуждениям и вычислениям, которые должен был бы произвести сам оператор при отсутствии вычислительной машины. Последовательность действий не произвольна, а реализует тот или иной метод решения задачи. Этот метод иногда может быть первоначально задан в виде математической формулы, иногда в словесной (описательной) форме, иногда в виде цепочки логических условий. Во всех случаях он должен быть сформулирован достаточно точно и четко, чтобы не оставалось места для личных толкований и двусмысленностей, и в итоге был бы получен определенный численный или логический конкретный результат.

Роль алгоритмов и программ в современной АСУ ТП особенно велика, так как без них нельзя ни использовать для автоматизации управления огромные возможности вычислительной техники, ни организовать эффективное взаимодействие человека и ЭВМ как его инструмента - средства управления.