1.3.1 Научные основы автоматизированного управления

Понятие управления является одним из наиболее из фундаментальных ,всеобъемлющих и приближается по своей значимости и философским категориям. В целях его уточнения введем два следующих понятия: субъект управления и объект управления.

Под субъектом управления обычно понимают конкретные лица, коллектив людей, образующие органы управления предприятий, организаций и т.д.

Объектом управления называют ту часть окружающего мира, состояние которой представляет интерес для субъекта управления и на которую он может воздействовать целенаправлено.

Понятие цели - одно из базовых в системном подходе. В кибернетике цель - это некоторый будущий результат действия кибернетической системы, достигаемый с помощью принципа обратной связи. В системотехнике цель - это желаемый результат деятельности системы, достижимый в пределах некоторого интервала времени.

Для того, чтобы объекты достигали поставленой цели, субъект должен вырабатывать некоторую последовательность управленческих воздействий, приводящих к желаемым изменениям управляемых параметров у объектов управления.

Таким образом, управление - это процесс, направленный на достижение определенных целей на основе имеющейся информации, поступающей от объекта управления по обратной связи.

Управление всегда осуществляется для достижения определенной цели. Эта цель связана с состоянием объекта и среды, в которой он находится.

Особое место занимают системы, объектом управления которых являются коллективы людей. Такие системы называются системами организационного управления, т.к. управляющие воздействия в них направлены на организацию (согласование) поведения коллектива людей. Управление в этом случае имеет информационный характер.

Организационные объекты: социально-политические и макроэкономические системы высшего ранга (государство, н/х). В этих системах управление носит общественный характер.

Одна их трудностей та, что управление применяется на различных уровнях (управление государством, управление в сфере материального производства, отраслью, предприятием. цехом, участком, комплексом орудий).

Кибернетика позволила выяснить закономерности процессов управления и сформулировать общие принципы управления, состоящие в том, что процесс организационного управления - информационный процесс. Кибернетика - наука об управлении, о процессах сбора, передачи, переработки информации. Под информацией понимается наличие знаний, сведений о состоянии системы.

Управление объектом должно осуществлятся наилучшим или оптимальным образом.

Оптимальное управление заключается в выборе оптимальных управляющих воздействий в соответствии с установленной целью управления. Выбор осуществляется с учетом ограничений и на основе информации о состоянии объекта и внешней среды.

1.3.2 Технология автоматизированного управления как информационный процесс

Управление - процесс выдачи управляющих воздействий на основании полученной и переработанной информации.

В управлении различают:

1) информационный процесс, рассматриваемый с позиции содержания, количества, ценности и процесса преобразования;

2) действия по обеспечению функционирования объекта на основе получения информации о его состоянии.

Изучение процесса информационного - это область кибернетики, материального процесса преобразования информации - электроники.

Информация, которая используется в организационном управлении, является экономической информацией, а информация, связанная с управлением материальными объектами - технической информацией.

Экономическая информация сопровождает процессы производства, распределения, обмена и потребления. Большая часть экономической информации связана с общественным производством и может быть названа производственной информацией.

Для экономической информации характерны:

- большие объемы;

- многократные повторения циклов ее получения и преобразования за определенное время;

- значительный удельный вес логических операций ее обработки.

Структурно экономическая информация состоит из показателей.

Показатель представляет собой контролируемый параметр объекта управления и состоит из наименования и значения.

П=< Н_п, З_п >

Н_п - наименование показателя;

З_п - значение показателя;

Показатель формируется из совокупности реквизитов, имеющей экономическое смысловое содержание. Реквизиты - это логически неделимая часть показателя. Его нельзя разделить на более мелкие информационные единицы (буквы или цифры) без нарушения смысла.

Каждый показатель состоит из одного реквизита состояния и одного или нескольких реквизитов-признаков.

Реквизит (основание) определяет количественную сторону объекта или процесса (норма времени, вес детали и т.д.) и характеризует его количественную сторону. Реквизиты-признаки характеризуют качественную сторону и определяют наименование показателя (прибыль, рентабельность, объем выпуска продукции).

Управление объектом должно осуществляться научным или оптимальным образом.

Управление - перевод подсистемы из одного состояния в новое, заранее назначенное путем воздействия на ее переменные. При этом сложный процесс управления разбивается на отдельные операции, совершаемые в определенной последовательности. Акад. Берг А.И. определяет: кибернетика - это наука о целенаправленном, оптимальном управлении сложными динамическими системами.

И.Новак считает, что управление - это упорядочение системы.

Организационное управление - целенаправленное информационное воздействие одной системы на другую, стремление изменить поведение системы (подсистемы) в определенном направлении.

Содержательная сторона управления - обеспечение функционирования организационной системы, ее развитие и изменение в соответствии с разработанными целями (критериями эффективности).

Организация производства - это порядок, структура и способ функционирования, устанавливаемые на предприятии, предписывающие определенные взаимоотношения между всеми работающими, их производственное поведение, взаимосвязь, соподчиненность и функции (обязанности и права).

Организация - статика, управление - динамика. (Пример со светофором, где часовой механизм - стабильная организация; система с фотоэлементом, принимающая решение - кибернетическое устройство с гибким управлением). Чем выше и отработанное организация процесса, тем меньшая доля приходится на управление, т.е. обратная пропорция. Может показаться, что при хорошей организации на предприятии, управление не дано. Однако оно необходимо за счет среды (случайность) и за счет развития.

Обратная связь при АУ:

а) положительная (увеличение, расхождение);

б) отрицательная (уменьшение, отклонение).

В ход m Выход

 Объект гос.

обратная связь

СУ

Обратная связь - процесс (воздействие на объект, переработка его в выходной сигнал и обратное действие выхода через обратную связь на выходную величину - все это процесс передачи и переработки данных). Управление без обратной связи возможно при полном знании характеристик и сведений.

Выбор главного фактора (аквариум с термостатом).

Есть несколько возмущений (открывание окна, двери и т.д., приводящие к понижению температуры. Однако можно регулировать только силу тока и поддержание в аквариуме термостатом t^o = const).

Система характеризуется следующими признаками:

1) множеством элементов;

2) иерархией;

3) объединение элементов через отношения и связи;

4) упорядоченность;

5) структурная организация;

6) наличие цели;

7) поведение активное и пассивное - функционирование;

8) Т, вход, состояние, выход.

Декомпозиция (расчленение на подсистемы)

Искусство управления состоит в том, чтобы уметь разумно отбирать взаимосвязанные факты, в расчленении решаемой задачи на ряд последовательных звеньев.

Пример с системой шофер(регулятор) - автомобиль (объект) улица. Композиция - процесс составления сложной системы.

Иерархия - это многоступенчатое управление. Нижние уровни отличаются большой скоростью обработки и реакции. Это автономные механизмы управления. Чем менее разнообразны сигналы, тем быстрее ответ.

1.3.3 Условия реализуемости организационного управления

Организационное управление, как и всякое управление, направлено на достижение определенной цели. Цель будет достигнута, если параметры системы, описывающие состояние, будут соответствовать заранее установленным или планируемым. Состояние динамических систем W в момент t отображается точкой (t) W, W(область допустимых параметров состояния).

_

(t)

X (t) Y (t)

_ ОУ

W (t)

W

СПК ССИ

СУ

Ф

где ССИ - система сбора информации

ЭВМ - электронно-вычислительная машина

СПК - система передачи управляющих команд

Информационные потоки:

x(t),y(t) - соответственно действительный и регистрируемый векторы состояния управляемой системы;

V(t),U(t) - векторы управляющих команд и вектор управляющих воздействий;

W - множество параметров состояния системы;

(t) - векторы возмущающих воздействий;

Ф - критерий управления, формализующий цель управления.

В общем случае показатели цели управления в АСУП могут быть представлены как зависимости вида

Ф=Ф{ x(t), u(t), (t) } (1)

Тогда проблема разработки управляющей системы состоит в том, чтобы построить и реализовать на ЭВМ алгоритмы, вырабатывающие такие управляющие воздействия, которые экстремизируют выбранный показатель цели управления

Ф{ x(t), u(t), (t), extr u(t)} (2)

гдеu(t)R^m, x(t)Rⁿ, t[ t_o,T ]

При этом необходимо соблюдать ограничения вдоль траектории управляемой системы (x, u, t)G

(x, t_o)_o, (x, T)_T(3)

и граничные условия GRⁿ x R^m x R’

oR₁ⁿ x R’, (_TR₂^m x R’) (5)

R^| - одномерное действительное пространство.

Решение проблемы (1-3) оказывается возможным при том условии, когда задана зависимость

где t_ot^|<T

Выражение (2-4) в определенном смысле представляет собой модель управляемой системы, описывающей поведение этой системы при возможных внешних воздействиях.

Расшифруем данную модель.

Допустим, что в качестве управляющей системы имеется некоторый завод, когда компонентами вектора состояния W(t) данного объекта могут являться, например, уровень незавершенного производства по цехам завода, состояния запасов на складах завода, объема реализации продукции и т.п. В качестве компонент вектора случайных воздействий (t) здесь могут выступать интенсивности отказов оборудования, величины брака, срывов поставок и т.д.

Эффективность данного производства может быть оценена такими показателями, как объем реализации продукции, прибыль, рентабельность, суммарная загрузка оборудования и др. Покажем как можно трактовать зависимости (1-6), если в качестве критерия эффективности управления Ф рассматривается максимум суммарной загрузки оборудования.

В этом случае компонентами искомого вектора управляющих воздействий u(t) являются производственные задания рабочим местам, участкам, цехам. При этом задания должны быть определены таким образом, чтобы суммарная нагрузка оборудования была максимальна.Т.е. надо определить, какие детали, изделия, на каких рабочих местах и в какой последовательности необходимо выполнить, чтобы суммарная загрузка была наибольшей.

Для того, чтобы компоненты вектора u(t) были реальны с точки зрения производственно-технических возможностей завода, при их ограничении необходимо учитывать сответственные ограничения. Например, следует учесть допустимую производительность оборудования, имеющийся состав рабочей силы, наличия необходимых материалов, инструмента и т.п. Тем самым формируется множество типа G (3).

Кроме того, необходимо исходить из фактического состояния производства на начальный момент времени (например, уровня незавершенного производства) и требуемых объемов выпуска к концу рассматриваемого временного интервала, что определяется граничными условиями вида (4).

Упомянутые расчеты могут быть выполнены, если известно, как влияет то или иное управляющее и возмущающее воздействие на состояние данного производства (6). Размерности действительных пространств R^m и Rⁿ (5) определяются характеристиками рассматриваемого объекта управления (завода), такими, как номенклатура изделий, количество оборудования, число производственных рабочих и пр.

Из примера завода достаточно наглядно видно, что определение вектора управления u(t) в информационно-управляющих АСУП связано с построением алгоритмов, должным образом учитывающих как параметры объекта управления, так и его производственно-экономические возможности.

Для реализации алгоритмов в соответствии с принципами системного проектирования, на этапе макропроектирования необходимо определить вид функционала (2) и зависимостей (3-6) и разработать структуру управляющей подсистемы.

На этапе макропроектирования детализация структурных элементов системы должна быть доведена до такого уровня, при котором может быть осуществлена например реализация алгоритмов до минимальных программ выработки векторов.

1.3.4 Цель, критерий эффективности управления, ограничения

При реализации автоматизированного управления важнейшее значение имеет критерий эффективности. От правильного определения цели и критерия эффективности системы зависит направленность ее разработки, характер функционирования. Цель системы определяет ее назначение, смысл функционирования, т.е. для чего создается система, что она  должна делать, что мы хотим от нее получить. Цель системы определяется в основном внешними факторами.

(t) Y(t)

X(t)

ОУ

СУ



Целью системы управления является реализация некоторого набора выходов Y (объем выпуска, номенклатура, прибыль, качество и др.). В пространстве выходов Y определена область цели Y Y, Y(объем 10 тыс., 100 шт. изделий и т.д.), которая в общем виде выражается в точку цели:

Y*=(Y₁^*,Y₂^*,...,Y_n^*) .

В динамических системах состояние выходов в момент t отражается точкой Y(t)Y

y

y_к

y_i

y_н

• t.

• Цель системы задают различным способом. Для одних систем это чтобы y(t) достигла области , для других, чтобы y(t) сначала достигла , а затем продолжала движение по траектории y(t) . Для отдельных выходов области задание цели называют частной целью. На траектории у’(t) может быть задана конечная цель - y’_k , промежуточная - y’_i . Введем понятие расстояния от текущей точки (P₁), отражающей состояние системы и ее выходов в момент t до конечной цели. Если выполняется условие P₂<P₁ , то систему называют целенаправленной.

Критерий эффективности позволяет определить насколько успешно система выполняет свои функции.

Формализовать цель и критерий эффективности весьма трудно,т.к. необходимо учитывать большое число многообразных факторов.

Изменение функционирования системы часто дает эффект не внутри самой, а за счет изменений в других системах. Например, изменение характера производства, выпуск новой продукции на предприятии улучшает его экономические показатели, но больший эффект для н/х дает использование новой продукции другими предприятиями.

Системы имеют несколько уровней управления.

Чем выше уровень системы, тем труднее формализовать ее цель и критерий эффективности. С повышением уровня система приближается к общегосударственным общенациональным интересам.

Такая система имеет большую размерность, на нее влияет очень большое количество сложных и многообразных факторов, трудно поддающихся анализу и учету.

Критерий должен удовлетворять следующим условиям:

1. Быть эффективным, т.е. должен оценивать деятельность системы как эффективную или неэффективную (max выпуск продукции).

2. Быть количественным, выражать эффективность системы числом (социальный эффект, прибыль на 10%).

3. Быть эффективным в статистическом смысле, т.е. иметь min разброс значений; иначе нужно проводить большое число измерений.

4. Max учитывать все условия деятельности системы.

5. Быть простым для того, чтобы его вычисления не требовали больших затрат.

6. Иметь физический смысл, что упрощает его понимание.

7. Желательно нормировать критерий по сравнению с идеальным(% от плана).

8. В случае векторного критерия, желательно уменьшить число компонентов.

Примеры выбора критерия:

_n

Ф= b_iФ_i^* - для скалярного критерия.

^I

Для векторного критерия определяется управление оптимальных по Парето. Оптимальными по Парето приняты такие решения, ни одно из которых не является доминирующим. Например, каждому управлению uU соответствует набор параметров f₁(u),...,f_r(u), которые надо оптимизировать / max или min/. Тогда оптимальное по Парето управление и характеризуется тем, что не существует такого управления u, для которого f₁(u)  f₂(u*), i=1,r. Т.е. нельзя сказать какой из параметров f₁(u),...,f_r(u) важнее для управления в целом. Каждое из множеств оптимальных по Парето управлений лучше любого другого по одному из независимых критериев.