Соломонцев Ю.М. Теория автоматического управления

f

Рис. 5.2. Упрощенная схема переработки информации в АСУ

Существенными признаками АСУ являются наличие больших потоков информации, сложной информационной структуры, довтаточно сложных алгоритмов переработки информации.Общими

жается на характере функционирования другого и всей системы в целом; система и входящие в нее разнообразные элементы в подавляющем большинстве являются многофункциональными; взаимодействие элементов в системе может происходить по каналам обмена информацией, энергией, материала и др.; наличие у всей системы общей цели, общего назначения, определяющего единство сложности и организованности,несмотря на все разнообразие . входящих в нее элементов; переменность структуры (связей и состава системы), обеспечивающей многорежимный характер функционирования, возможность адаптации как в структуре, так и в алгоритме функционирования; взаимодействие элементов в системе и с внешней средой в большинстве случаев носит стохастический характер; система является эрготической, ибо часть функций всегда выполняется автоматически, а другая часть — человеком; при этом следует отметить высокую степень автоматизации, в частности широкое применение средств автоматики и вычислительной техники для гибкого управления и механизации умственного и ручного труда человека, работающего в системе; управление в подавляющем большинстве систем носит иерархический характер, предусматривающий сочетание централизованного управления или контроля о автономностью ее частей.

201

( Оператор

t . L

Средства отображения информации

Рис. 5.3. Структурная схема информационно-справочной системы

объекте. На основе информации, переработанной ЭВМ и представленной в удобной для восприятия форме, оператор принимает решения относительно способа управления объектом. Параметры технологических процессов, измеренные датчиками, преобразуются в цифровую форму устройствами сопряжения и вводятся в ЭВМ. После обработки в ЭВМ оперативная информация о ходе протекания технологического процесса поступает на устройства отображения технологических параметров (статистическая информация, предназначенная для регистрации), а вычисленные экономические и технологические показатели печатаются в виде отчетов. Данные, которые в дальнейшем могут быть использованы в вычислениях, обычно фиксируются в памяти ЭВМ или на ма-• шинных носителях.

Системы сбора и обработки данных выполняют в основном те же функции, что и системы централизованного контроля и являются более высокой ступенью их организации. Отличия носят преимущественно качественный характер.

ЭВМ представляет широкие возможности для математической обработки данных (сравнение текущих значений параметров с их максимально и минимальнодоступными значениями, прогнозирование характера изменения контролируемых параметров). На основе прогноза оператор имеет возможность так воздействовать на технологический процесс, чтобы не допустить существенного изменения параметров.

В математическое обеспечение ЭВМ входят библиотека рабочих программ, каждая из которых выполняет одну или несколько функций централизованного контроля, и программа-диспетчер.

203

Неопределенность описания может быть связана с недостаточной изученностью технологического процесса или реализация адекватной модели потребует применения дорогостоящей ЭВМ.

При большом разнообразии и объеме дополнительных данных общение оператора с ЭВМ строится в форме диалога. Например, в алгоритм вычисления технологического режима включаются альтернативные точки, после которых процесс вычисления может продолжаться по одному из нескольких альтернативных вариантов. Если логика алгоритма приводит процесс вычисления к определенной точке, то расчет прерывается и оператору посылается запрос о сообщении дополнительной информации, на основе которой выбирается один из альтернативных путей продолжения расчета. ЭВМ играет в данном случае пассивную роль, связанную с обработкой большого количества информации и ее представлением в компактном виде, а функция принятия решений возлагается на оператора.

Промежуточным классом между информационной и управляющей системами можно считать информационно-управляющую систему, которая предоставляет оператору достоверную информацию о прошлом, настоящем и будущем состоянии производства

обработки производственной информации необходима реализация ряда дополнительных программ статистики, прогнозирования, моделирования, планирования и др.

Управляющие системы

Адаптация к изменяющимся условиям управляемого процесса осуществляется за счет опробования различных вариантов не на самом процессе, а на его математической модели,

усилий, однако на основе модели можно выполнить расчеты,

с техническими средствами АСУ образуют «строительные блоки» современных систем управления технологическими процессами.

По мере усложнения процессов даже самый квалифицированный оператор перестает справляться с задачами управления. Другой недостаток управления, осуществляемого человекомоператором, заключается в его неспособности обеспечить непрерывность управляющего воздействия. Кроме того, при несколь-

205

ких контурах управления оператор должен принимать решение по управлению к воздействию их между собой.

Управляющая система осуществляет функции управления по определенным программам, заранее предусматривающим действия, которые должны быть предприняты в той или иной произ-

алгоритмами управления обстоятельства. Управляющие системы имеют несколько разновидностей.

Супервизорные системы управления. АСУ, функционирующая в режиме супервизорного управления (супервизор — управляющая программа или комплекс программ), предназначена для организации многопрограммного режима работы ЭВМ и представляет собой двухуровневую иерархическую систему, обладающую широкими возможностями и повышенной надежностью. Управляющая программа определяет очередность выполнения программ и подпрограмм и руководит загрузкой устройств ЭВМ.

В супервизорной системе управления (рис. 5.4) часть параметров управляемого процесса и логико-командного управления управляется локальными автоматическими регуляторами АР, а ЭВМ, обрабатывая измерительную информацию, рассчитывает и устанавливает оптимальные настройки этих регуляторов. Остальной частью параметров управляет ЭВМ в режиме прямого цифрового управления. Входной информацией являются значения некоторых управляемых параметров, измеряемых датчиками Ду локальных регуляторов; контролируемые параметры состояния управляемого процесса, измеряемые датчиками Д„.

Устройство связи с объектам

Технологический (производственный) прочесе

Рис. 5.4. Структурная схема АСУ ТП с супервизорным управлением

Нижний уровень, непосредственно связанный с технологическим процессом, образует локальные регуляторы отдельных технологических параметров. По данным, поступающим от датчиков Д7 и Дк через устройство связи с объектом, ЭВМ вырабатывает значения уставок в виде сигналов, поступающих непосредственно на входы систем автоматического регулирования.

Основная задача супервизорного управления — автоматическое поддержание управляемого процесса вблизи оптимальной рабочей точки. Кроме того, оператор с пульта управления имеет возможность вводить дополнительную информацию (коррекция уставок, параметров алгоритмов регулирования, уточнение критерия управления в зависимости от внешних факторов и др.). Супервизорный режим позволяет не только автоматически контролировать процесс, но и автоматически управлять им вблизи оптимальной рабочей точки. Функции оператора сводятся к наблюдению за технологическим процессом и в случае необходимости к корректировке цели управления и ограничений на переменные. При подобном построении системы управления повышается надежность системы, так как ее работоспособность сохраняется и при отказах в работе ЭВМ, в то же время появляется практическая возможность реализации более эффективных алгоритмов оптимизации, требующих большого объема вычислений.

Системы прямого цифрового управления. ЭВМ непосредственно вырабатывает оптимальные управляющие воздействия и с помощью

ственного цифрового управления позволяет исключить локальные регуляторы с задаваемой уставкой; применять более эффективные принципы регулирования и управления и выбирать их оптимальный вариант; реализовать оптимизирующие функции и адаптацию к изменению внешней среды и переменным параметрам объекта управления; снизить расходы на техническое обслуживание и уни-

207

Достоинствами централизованной структуры являются достаточно простая реализация процессов информационного взаимодействия; принципиальная возможность оптимального управления системой в целом; достаточно легкая коррекция оперативно изменяемых входных параметров; возможность достижения максимальной эксплуатационной эффективности при минимальной избыточности технических средств управления.

Недостатки централизованной структуры следующие: необходимость высокой надежности и производительности технических средств управления для достижения приемлемого качества управления; высокая суммарная протяженность каналов связи при

наличии территориальной рассредоточенности объектов управления.

Централизованная рассредоточенная структура (рис. 5.6, в). Основная особенность данной структуры — сохранение принципа централизованного управления, т, е. выработка управляющих воздействий на каждый объект управления на основе информации о состояниях всей совокупности объектов управления. Некоторые функциональные устройства системы управления являются общими для всех каналов системы и с помощью коммутаторов подключаются к индивидуальным устройствам канала, образуя замкнутый контур управления.

Алгоритм управления в этом случае состоит из совокупности взаимосвязанных алгоритмов управления объектами, которые реализуются совокупностью взаимно связанных органов управления. В процессе функционирования каждый управляющий орган производит прием и обработку соответствующей информации, а также выдачу управляющих сигналов на подчиненные объекты. Для реализации функций управления каждый локальный орган по мере необходимости вступает в процесс информационного взаимодействия с другими органами управления. Достоинства такой структуры: снижение требований к производительности и надежности каждого центра обработки и управления без ущерба для качества управления; снижение суммарной протяженности каналов связи.

Недостатки системы в следующем: усложнение информационных процессов в системе управления из-за необходимости обмена данными между центрами обработки и управления, а также корректировка хранимой информации; избыточность технических средств, предназначенных для обработки информации; сложность синхронизации процессов обмена информацией.

ванно невозможно, так как имеет место несоответствие между сложностью управляемого объекта и способностью любого управляющего органа получать и перерабатывать информацию.

Кроме того, в таких системах можно выделить следующие группы задач, каждая из которых характеризуется соответствующими требованиями по времени реакции на события, происходящие в управляемом процессе: задачи сбора данных с объекта управления и прямого цифрового управления (время реакции — секунды, доли секунды); задачи экстремального управления, связанные с расчетами желаемых параметров управляемого процесса и требуемых значений уставок регуляторов, с логическими задачами пуска и остановки агрегатов и др. (время реакции — секунды, минуты); задачи оптимизации и адаптивного управления процессами, технико-экономические задачи (время реакции — несколько секунд); информационные задачи для административного управления, задачи диспетчеризации и координации в масштабах цеха, предприятия, задачи планирования и др. (время реакции — часы).

Очевидно, что иерархия задач управления приводит к необходимости создания иерархической системы средств управления. Такое разделение, позволяя справиться с информационными трудностями для каждого местного органа управления, порождает необходимость согласования принимаемых этими органами решений, т. е. создания над ними нового управляющего органа. На каждом уровне должно быть обеспечено максимальное соответствие характеристик технических средств заданному классу задач.

Кроме того, многие производственные системы имеют собственную иерархию, возникающую под влиянием объективных тенденций научно-технического прогресса, — концентрации и специализации производства, способствующих повышению эффективности общественного производства. Чаще всего иерархическая структура объекта управления не совпадает с иерархией системы управления. Следовательно, по мере роста сложности систем выстраивается иерархическая пирамида управления. Управляемые процессы в сложном объекте управления требуют своевременного формирования правильных решений, которые приводили бы к поставленным целям, принимались бы своевременно, были бы взаимно согласованы. Каждое такое решение требует постановки соответствующей задачи управления. Их совокупность образует иерархию задач управления, которая в ряде случаев значительно сложнее иерархии объекта управления.

В многоуровневой иерархической системе управления выделяют обычно три уровня. Например, в системе управления гибкой производственной системой (ГПС) можно выделить следующие уровни управления: уровень управления работой оборудования и технологическими процессами; уровень оперативного управления ходом производственного процесса в ГПС; уровень планирования работы ГПС.

В функции нижнего уровня управления входят сбор и обработка информации и непосредственное управление технологиче-

210