Московский Государственный Университет

Прикладной Биотехнологии

Кошелев л.Г. Теоретические основы автоматизированного управления

учебник для студентов специальности 220200

Москва, 2000г.

В основе книги лежит курс лекций по «Теоретическим основам автоматизированного управления» (ТОАУ) для студентов специальности 220200, прочитанной автором в МГУПБ на кафедре КТиС в 1999÷2000 уч. году. Представленный материал, с одной стороны, соответствует Государственному образовательному стандарту, с другой, отображает специфику автоматизированных систем обработки информации и управления предприятий мясомолочной отрасли АПК. Книга предлагается автором в качестве учебника по данному предмету для студентов специальности 220200 МГУПБ.

Содержание:

1. Введение…………………………………………………………….____

2. Системы, управление,

информация, системный подход…………………………………..____

3. Предпосылки создания, этапы становления

автоматизированных систем обработки информации

и управления в мире, в мясо-молочной отрасли…………………____

4. Классификация автоматизированных систем обработки информации и управления (типы АСОИУ и их характеристика)………………………….____

5. Автоматизированная система управления

производством, технологическим процессом,

интегрированные автоматизированные

системы управления, автоматизированные

системы управления научными исследованиями,

системы автоматизированного проектирования…………………____

6. Основные виды обеспечения систем автоматизированного управления (обеспечивающие подсистемы):

6.1. Информационное обеспечение……………………………____

6.2. Математическое обеспечение…………………………….____

6.3. Программное обеспечение………………………………..____

6.4. Комплекс технических средств АСОИУ…………………____

6.5. Организационное обеспечение…………………………..____

6.6. Экономическое обеспечение……………………………..____

7. Автоматизированное управление в организационно-экономических системах

на примере предприятий мясо-молочной отрасли………………____

8. Автоматизированные управления технологическими

процессами предприятиями АПК…………………………………____

9. Интегрированная автоматизированная

система управления крупным городским

молочным комбинатом…………………………………………….____

10. Интеллектуальные системы………………………………

11. Оценки надежности работы технических средств АСОИУ…….

12. Оценки экономической эффективности

функционирование АСОИУ…………………………………..

13. Заключение………………….

1. Введение.

Повышение эффективности современного перерабатывающего производства АПК в новых условиях рыночной экономике сопровождается ростом сложности процессов управления, увеличением объемов информации, охватывающей все стороны производства. Для решения этой проблемы необходимо коренным образом усовершенствовать саму систему управления предприятиями на основе применения современных компьютеров и новейших информационных технологий, достижений в области экономико-математических методов, т.е. широким внедрением автоматизированных систем обработки информации и управления (АСОИУ). При этом автоматизированные системы обработки информации и управления представляют в настоящее время в предметной области (АПК) большой интерес как самостоятельные объекты достаточно сложной структуры и функций. Эффективная работа таких АСОИУ строится на использовании теоретических принципов и методов системного подхода, привлечении большого круга современных научных дисциплин. Теоретические основы АСОИУ строятся на таких науках, как прикладная математика, теоретическая информатика, кибернетика, вычислительная техника и программирование, теория интеллектуальных систем. В данном учебнике автор не ставил перед собой цели раскрытия всех этих наук.

Речь пойдет о тех их частях, на базе которых строятся, внедряются и эксплуатируются АСОИУ. Почему, именно, выбрал указанный круг дисциплин? Это мнение автора основано на его многолетнем практическом опыте разработки, внедрения, эксплуатации АСОИУ для предприятий пищевой перерабатывающей промышленности АПК. Например, прикладная математика. Во второй половине XX века математика интенсивно вторгается в другие науки и технику. Дело здесь не в том, что всевозможные задачи, возникающие в различных областях, решают с помощью математических методов. Дело в том, что сами научные теории в настоящее время начинают излагать математическим языком (по образцу математических дисциплин).

1). Прикладная математика осуществляет связь математики с другими науками. Прикладную математику можно разделить на разделы, соответствующие теориям, аппарат которых применять для решения задач из других областей. В соответствии с этим можно говорить о разделе, объединяющем методы применения теории вероятности, о разделе, охватывающем методы применения линейной алгебры, и т.д. При этом методики программирования оказывается разделом, применяющих для решения различных задач методы теории алгоритмов. Все это ложиться в основу методов математического обеспечения АСОИУ.

2). Теоретическая информатика - это математическая дисциплина. Она использует методы математики для построения и изучения моделей обработки, передачи, использование информации, создает теоретический фундамент, на котором строятся все здания АСОИУ. Сама теоретическая информатика делиться на ряд самостоятельных дисциплин. Это следующие пять классов. а) Математическая логика. Математическая логика разрабатывает методы, позволяющие использовать достижения логики с помощью компьютеров. б) Компьютеры, процедуры, реализуемые компьютерами, алгоритмы, рабочие программы. Возможность перевода математических методов в форму, которая допускала программирование, т.е. перевод алгоритмов в программы, реализуемые на ЭВМ. Это способствовало развитию математики в сторону, которая была направлена на разработку специальных приемов решения задач на компьютерах. Так возникла новая дисциплина – вычислительная математика. в) Теория информации. К этой науке примыкает теория кодирования, задачей которой является изучение тех форм, в которые может быть "отлито" содержание любой информационной единицы (передаваемого сообщения, гранулы знаний). В теории информации имеются разделы, занимающиеся теоретическими вопросами передачи информации по различным каналам связи. г) Переход от реальных объектов к специальным абстрактным (формализованным) моделям с целью всестороннего и глубокого исследования, изучение реального мира потребовало развития особых приемов. Изучением этих приемов занимается системный анализ – наука, возникшая чуть более трех десятилетий назад. Системный анализ изучает структуру реальных объектов и дает способы их форматизации. Частью системного анализа является общая теория систем, изучающая самые разнообразные по характеру системы с единых позиций. Системный анализ опирается в настоящее время на две дисциплины: имитационное моделирование и теория массового обслуживания. д) Теория принятия решений изучает общие схемы, используемые людьми при выборе ими нужного решения из множества альтернативных возможностей. Если такой выбор происходит в условиях конфликта или противоборства, то такого типа модели изучаются в теории игр. Всегда нужно из всех возможных решений выбрать наилучшее (или близкое к такому). Проблемы, возникающие при решение этой задачи, изучаются в дисциплине, получившей название математическое программирование. При организации процессов, ведущих к достижению поставленной цели, принимать решения приходится, многократно. Поэтому выбор отдельных решений должен подчиняться единому плану. Изучением способов построения таких планов и их использованием для достижения поставленных целей занимается еще одна научная дисциплина – исследование операций. Эта наука изучает также способы организации различного рода процессов, ведущих к получению нужных результатов. Если решения принимаются не единолично, а в коллективе, то немало специфических ситуаций (образование коалиций, партий, поиск соглашений и компромиссов). Для решения этой проблемы в последнее время развивается новая дисциплина – теория группового выбора.

3). Кибернетика. Эта наука возникла в конце 40-х годов, когда Н. Винер впервые выдвинул идею о том, что системы управления в живых, неживых и искусственных системах обладают многими общими чертами. Изучение аналогий обещало создание „общей теории управления”, результаты которой могли бы использоваться в самых разнообразных системах. Эта идея получила подкрепление, когда появились компьютеры, способные единообразно решать самые разные задачи. Универсальность компьютерных вычислений наталкивала на справедливость гипотезы о существовании универсальных схем управления. Перенос идей и моделей из одних областей в другие, общение между собой специалистов различного профиля на некотором едином языке кибернетики сделали свое дело. Возникли научные направления, получившие характерные названия:

• химическая кибернетика;

• экологическая кибернетика;

• техническая кибернетика и т.д.

Наиболее активно развивается техническая кибернетика. В ее состав входит теория автоматического управления. Исследования в этой области легли в основу достижений в приборостроении, станкостроении, атомной энергии, всех тех систем управления промышленными процессами и научными исследовании, которые составляют значительную часть среды обитания человека. Современная кибернетика тесно связана с биологией: «Насколько принципы работы живых систем могут быть использованы в искусственных системах?». Что можно заимствовать у талантливого конструктора живых систем – Природы? Нейрокибернетика пытается применить кибернетические модели в изучении структуры действий нервных тканей. Кибернетика рассматривается как прикладная наука в области создания и использования автоматизированных систем обработки информации и управления различной сложности и назначения: от управления технологическими агрегатами и процессами до управления целыми предприятиями и объединениями в различных отраслях промышленности.

4). Вычислительная техника представляет собой самостоятельные направления исследований. В рамках этого направления водится многочисленные исследования, направленные на совершенствование элементарной базы компьютеров (микроэлектроника). Основное содержание микроэлектроники составляют теории, методы расчета и технология изготовления интегральных микросхем. Микросхемы стали основой элементарной базы большинства современных средств электронной техники (БИС, СБИС: большие и сверх большие интегральные схемы). Построение, эксплуатация и развитие АСОИУ немыслимо без компьютеров – единственного инструмента для работы с разнообразной информацией. Эффективное использование компьютеров в АСОИУ невозможно без знания их архитектуры, принципов их функционирования, программной среды, в которой существует ЭВМ. Проектирование, создание современных ЭВМ требуют специальных систем автоматизированного проектирования (САПР). Компьютеры последних поколений становятся куда более интеллектуальными, чем их предки.

5). Программирование. Это научное направление своим появлением полностью обязано компьютерам. Именно с ними связано программирование. В начальный период своего развития программирование не имело под собой крепкой теоретической базы и напоминало труд ремесленников высшей квалификации, когда качество работы определяется не знанием, а профессиональным умением. С накопления опыта программирования проявились общие идеи и положения, лежащие в основе построения программ для компьютеров и самих процедур программирования. Постепенно стала создаваться теоретическая база программирования, в которой сейчас можно выделить несколько направлений. Одно из них связанно с созданием разнообразных языков программирования и трансляторов, предназначенных для обеспечения взаимодействия человека с ЭВМ. Т.е. были разработаны системы программирования. Вместе с тем, стало развиваться системное программирование, создание операционных систем, без которых в настоящее время не может работать никакая вычислительная машина. Тенденция объединения отдельных компьютеров в сети сбора, обработки и передачи данных (ЛВС, ГВС) потребовала разработки нового направления – сетевого системного программирования. Разрабатываются пользовательские программы, направленные на решение задач в отдельных предметных областях (в той или иной области человеческой деятельности). Это – пакеты прикладных программ. Разрабатываются банки данных и СУБД.

6). Чтобы решать задачи в какой-то конкретной области человеческой деятельности (например, пищевая перерабатывающая промышленность), надо, прежде всего, иметь некоторую сумму знаний о самой этой области. Только после этого можно начинать поиск формальной постановки задач в этой области и искать обоснованные методы их решения. Совокупность таких предварительных знаний, нужных для автоматизации процессов решения задач принято называть предметной областью или знаниями о предметной области. Добычей таких знаний и их формализацией занимается специальная наука инженерия знаний, а новое поколение технических систем называют интеллектуальными системами. Интеллектуальные системы отличаются от всех ранее созданных человеком систем тем, что их деятельность основана на знаниях о предметной области, в которой система решает те или иные задачи. Любая предметная область характеризуется своим набором понятий и связей между ними, своими законами, связывающими между собой объекты предметной области, своими процессами и событиями. И, конечно, каждая предметная область имеет свои, специфические методы решения задач. Знания о предметной области и способах решения в ней задач (модели, методы, алгоритмы) предметной области составляют базу знаний предметной области. Современные интеллектуальные системы – это сложные программно-аппаратные комплексы, включающие ЭВМ, в память которой вводится база знаний о предметной области. Для этого существуют специальные языки представления знаний. Эти языки можно разделить на типы по формальным моделям представления знаний, которые лежат в их основе. Таких моделей три:

логическая,

сетевая,

продукционная.

Это новое направление в системотехнике породило новую профессию – инженера по знаниям, пополнив собой теоретические основы автоматизированного управления.