Модели автоматизированных систем управления

Всякая система управления с точки зрения ее функционирования решает три основные задачи: сбор и передача информации об управляемом объекте, переработка информации, выдача управляющих воздействий на объект управления.

Различают два основных типа автоматизированных систем управления: системы управления производственными процессами и системы организационно-экономического или административного управления.

Главные отличия этих двух типов – в характере объекта управления и форме передачи информации.

В системах управления технологическими процессами объекты управления – машины, процессы, приборы, устройства, форма передачи информации – различные сигналы (электрические, механические, световые и др.).

В организационно-экономических и административных системах управления объекты управления – человеческие коллективы, форма передачи информации – документы.

Интегрированные системы управления – объединение систем управления предприятием и технологическими процессами. Им присуще организация информационных процессов на предприятии и организация их выполнения. Объект управления – совокупность процессов, свойственных данному предприятию, по преобразованию ресурсов (материалы, оборудование, энергетические, трудовые, финансовые ресурсы) в готовую продукцию.

Особенности таких систем, обуславливающие их сложность: большое число разнородных элементов и высокая степень их взаимосвязи в процессе производства, неопределенность результатов выполнения многих процессов (брак, сбои, несвоевременные поставки, нерегулярность спроса), нестационарность предприятия (постоянное изменение и развитие предприятия. сложность работы с людьми).

Среди систем управления этого типа могут быть выделены системы управления обслуживанием на транспорте (оперативное обслуживание пассажиров, повышение загрузки транспортных средств, контроль операций и др.)., системы контроля (проверка оборудования, диспетчеризация и др.).

Информационные и управляющие системы предприятий и отраслей оперируют интенсивными потоками информации (ввод, переработка, преобразование информации) и структурированы исходя из задач обеспечения информацией и управления.

В рассматриваемых системах функция управления сосредоточена в конкретных устройствах. Впредь будем также различать управляющие устройства и управляемые объекты, работающие под воздействием управляющих сигналов.

В качестве типичной структуры сложной системы, имеющей автоматизированное управление, выберем систему, которая взаимодействует с объектами внешней среды, т. е. получает входные и управляющие сигналы и сама выдает выходные сигналы.

Элементы системы управления в зависимости от их функции в управляющем процессе можно классифицировать следующим образом:

- датчики информации о воздействиях внешней среды,

- датчики информации о состоянии управляемых объектов системы,

- средства передачи информации,

- средства обработки информации и выработки управляющих сигналов,

- исполнительные органы, реализующие управляющие сигналы.

Осведомительная информация о воздействиях внешней среды и состоянии управляемых объектов системы отличается от «истинной» информации за счет представления в другой системе кодирования, недостаточной полноты, наличия аппаратурных помех и ошибок (измерения при помощи датчиков) и т. д. Заметим, что истинная информация не фигурирует внутри системы. Она может быть известна только постороннему наблюдателю, обладающему средствами измерения идеальной точности, способными зафиксировать значения любых величин, связанных с функционированием системы.

Осведомительная информация поступает к средствам передачи информации, которые ее трансформируют (кодирование, декодирование, задержки во времени, внесение дополнительных ошибок и помех и т. д.) и передают средствам обработки информации (центральным или периферийным). Здесь производится первичная сортировка и местная обработка информации и запоминание ее в устройствах памяти системы управления.

Таким образом, средствам обработки информации передается осведомительная информация о состояниях элементов системы и воздействиях внешней среды. Это позволяет провести окончательную обработку информации, решить задачи планирования работы системы и выработать управляющие сигналы для исполнительных органов.

Исполнительные органы изменяют характеристики управляемых объектов в соответствии с сигналами, полученными от средств переработки информации.

Изменение характеристик управляемых объектов обнаруживают и измеряют датчики информации. Эти отклонения вместе с информацией о новых воздействиях внешней среды используются для выработки новых управляющих сигналов и т. д.

В таком виде может быть представлена практически любая из существующих и проектируемых систем управления.

Для математического описания сложной системы с автоматизированным управлением удобно использовать схему агрегатов и агрегативных систем, когда каждый из перечисленных выше элементов (датчики информации, средства передачи и т. д.) описывается в виде агрегата, а система в целом - как агрегативная система. В этом случае исчерпывается и вопрос о методике моделирования системы.

Для частных случаев рассматриваемой системы могут быть построены моделирующие алгоритмы, основанные на частном математическом описании, учитывающем конкретную специфику системы.

Использование частных моделей свидетельствует не только о недостаточной еще популярности унифицированных схем, но и о целесообразности выделения некоторых специальных более узких (чем агрегативные системы) классов сложных систем для углубленного изучения. В этой связи укажем на целесообразность «проблемной ориентации» унифицированных схем, которая позволяет сочетать удобства универсализации с простотой специализации моделей.

Большой интерес представляют автоматизированные системы управления одного класса, которые часто называют информационными системами.

Процессы управления во всех случаях характеризуются наличием информационных потоков; тем не менее название «информационных» получили системы управления, которые связаны с обработкой особенно интенсивных информационных потоков и структура которых приспособлена к обеспечению специальных мероприятий, направленных на оптимальный сбор, хранение, переработку и выдачу больших массивов информации.

На практике, как правило, не включаются в класс информационных системы управления технологическими процессами, работающие в истинном масштабе времени с реальными объектами (управление станками, металлургическими процессами, химическими реакторами и т. д.).

К информационным системам обычно относят системы управления крупными предприятиями в целом, решающие задачи перспективного и текущего планирования, а также задачи оперативного управления производством (скорее не на технологическом, а на организационном уровне). Информационные системы более крупного масштаба могут быть использованы для управления группой предприятий, отраслью или экономикой в целом.

Существуют информационные системы и другого целевого назначения: диагностические (как медицинские, так и технические), библиографические, диспетчерские и т. д.

Обобщенная схема процесса, приводящая к решению задачи планирования, имеет следующий вид.

В отраслевую информационную систему поступают заявки, которые отражают потребность в материально-технических средствах. Эти данные сортируются по видам запрашиваемых номенклатур, суммируются и фиксируются в накопителе системы. Одновременно поступают текущие донесения от потребителей и поставщиков о наличии и движении материально-технических средств, которые также фиксируются в системе.

По имеющимся в системе данным о наличии материально-технических средств производится сопоставление потребностей с имеющимися в наличии материально-техническими средствами на складах, базах, в текущем производстве и у потребителей.

На основе этого сопоставления решается задача о рациональном распределении или перераспределении имеющихся средств, вносятся соответствующие изменения в учетные данные о наличии и движении материально-технических средств, составляется план перевозок, выявляется количество недостающих номенклатур.

На основе информации о производственных предприятиях, функционирующих в сфере данной отрасли, данных об их ресурсах, плане выпуска продукции, снабжении сырьем и т. д. решается задача оптимального распределения заказов по предприятиям.

Решение этой задачи осуществляется с учетом факторов времени, стоимости, размещения и т. д. В некоторых случаях рассматривается вопрос о необходимости подключения дополнительных предприятий или строительстве новых. С учетом запроса потребителей, наличия материально-технических средств и плана заказов производится оптимальное распределение материально-технических средств (план снабжения).

При этом имеется в виду, что информационные задачи, связанные с приемом заявок и донесений, осуществляются в информационной системе непрерывно. Это обеспечивает постоянное обновление информации о состоянии системы и правильное периодическое планирование производства и снабжения.

Особенности моделирования автоматизированных систем управления, определяющие ее громоздкость, обусловлены тремя основными причинами.

В любой сложной системе управление должно способствовать более эффективной работе всех ее элементов. Поэтому для оценки качества управления используются функционалы, зависящие от функционирования не только элементов средств управления, но и управляемых элементов системы. Другими словами, модель, предназначенная для оценки качества управления, должна быть моделью системы в целом, достаточно подробно описывающей функционирование как управляющих, так и управляемых объектов.

Другим обстоятельством, увеличивающим громоздкость моделей автоматизированных систем управления (особенно информационных систем), является сложность моделирования алгоритмов управления (алгоритмов обработки информации и планирования). При моделировании часто приходится воспроизводить реальные алгоритмы планирования и обработки информации алгоритмы полностью, в таком виде, как они фигурируют в реальной системе.

Третье обстоятельство - трудность компактного моделирования информационного поля и информационных процессов.

Эти обстоятельства являются причиной того, что подробные модели сложных автоматизированных систем управления, особенно информационных, представляют собой чрезвычайно сложные алгоритмы.

На практике принимаются специальные меры, связанные с особым построением моделирующих алгоритмов.

Одним из возможных способов упрощения моделирующего алгоритма является замена его набором алгоритмов, включающим подробные модели подсистем и неподробную комплексную модель системы в целом. Это позволяет упростить подалгоритмы, представляющие эти подсистемы в комплексной модели.

Другим приемом упрощения комплексных моделей является применение агрегатного описания автоматизированных систем управления и построение на этой основе моделирующих алгоритмов.

Модели автоматизированных систем управления производственными процессами

Управление производственным процессом основано на использовании системы автоматизированного управления, целью такого управления является улучшение технических и экономических показателей производственного процесса и предприятия в целом.

Основой создания системы управления предприятием является разработка модели управления производственными процессами.

Основные этапы создания АСУ ПП – технико-экономический анализ оценки целесообразности автоматизации и выбор степени автоматизации, моделирование производственного процесса как объекта управления, разработка алгоритмов управления и структуры системы, техническая реализация системы. Между этими этапами существует тесная связь, обусловленная, прежде всего, экономическими соображениями.

Наличие такой связи предполагает многоэтапный циклический характер разработки системы, с постепенным усложнением и уточнением математической модели для каждого из этапов разработки системы управления.

Такое комплексное рассмотрение всех этапов представляет собой системный подход к процедуре проектирования систем управления производственными процессами.

При проведении технико-экономического анализа в качестве критериев оценки качества управления принимаются себестоимость продукции на некотором интервале времени, качество продукции.

Большая размерность входов и выходов, сложная структура и неопределенность преобразований входных потоков, случайные изменения преобразований приводят к необходимости применения имитационного моделирования для оценки качества системы управления.

При выборе структурной схемы и алгоритма управления АСУ ПП существенной является информация о состоянии производственного процесса с учетом его динамических свойств не только в текущий, но и в прошедшие моменты времени.

На этом этапе уже учитываются погрешности измерений, степень достоверности результатов в условиях большого объема информационных потоков, что также требует применения имитационного моделирования.

После выбора структурной схемы АСУ определяется информация, которую можно (и нужно) использовать в управляющем устройстве, задача которого – на основе поступающей информации вырабатывать решения об управляющем воздействии на входе процесса с целью изменения его выходных характеристик. Алгоритм управления предполагает установление соотношений между информацией о состоянии процесса, вводимой в управляющее устройство и управляющим воздействием, поступающим из управляющего устройства на вход процесса.

На этапе технической реализации производится выбор вариантов технических средств, реализующих алгоритм управления.

Модели автоматизированных систем управления предприятием

Предприятие представляется в виде совокупности взаимосвязанных функциональных подсистем и управляющих звеньев, обеспечивающих производственную деятельность.

Подсистемы производственной деятельности обеспечивают выполнение:

- основных производственных процессов по выпуску основной и вспомогательной продукции,

- обслуживающих процессов (ремонтные, энергетические, транспортные службы), процессов развития внедрение новой техники, строительство, интеллектуальные разработки).

Обеспечивающие подсистемы: основные и оборотные фонды (материальные ресурсы многоразового и одноразового использования), трудовые ресурсы (организация труда, зарплата, подготовка кадров), интеллектуальные ресурсы (научные исследования), подсистемы, обеспечивающие финансовую деятельность, маркетинг.

Информационные и управляющие системы таких комплексов оперируют интенсивными потоками информации (ввод, переработка, преобразование) и структурированы исходя из задач информации и управления.

Предприятие рассматривается как динамическая модель системы с управлением, которая объединяет в единой схеме с обратными связями все аспекты функционирования.

Рассматриваются взаимосвязанные потоки: материалов, заказов, денежных средств, оборудования, рабочей силы.

Сущность производственных процессов: преобразование материальных, энергетических, финансовых, трудовых ресурсов в продукт, оцениваемый экономическими показателями (например, себестоимостью). При этом учитываются все возмущения, отклоняющие производственный процесс от заданных условий: возмущающие факторы внешней среды (первичны) и возмущающие факторы, обусловленные внутренними связями.

Возмущающие факторы внешней среды:

- технологические отклонения параметров процессов и средств труда;

- организационные и информационные возмущения, связанные с несовершенством организации производства, планирования, обработки и отображения информации;

- социальные – колебания индивидуальной производительности (заболевания, нарушения дисциплины).

Возмущения, обусловленные внутренними связями:

- организационные и технологические связи: возмущения на входе одного объекта (брак) вызывает возмущение на других объектах;

- возмущения процесса управления: управление одним элементом (устранение возмущения) вызывает возмущение в другом).

Динамическое моделирование предприятия представляет собой изучение деятельности предприятия как информационной системы с обратной связью. На вход производственного процесса поступают ресурсы, на выходе – готовая продукция.

Цель управления - улучшение технических и экономических показателей производственного процесса и предприятия в целом.

Критериями оценки качества управления могут быть себестоимость, качество продукции.

Система управления решает три основные задачи: сбор и передача информации об управляемом объекте, переработка информации, выдача управляющих воздействий на объект управления.

Большая размерность входов и выходов, сложная структура и неопределенность преобразований входных потоков, случайные изменения преобразований приводят к необходимости применения имитационного моделирования для оценки качества системы управления.

Алгоритм управления предполагает установление соотношений между информацией о состоянии процесса, вводимой в управляющее устройство и управляющим воздействием, поступающим из управляющего устройства на вход процесса.

Системы управления производственной деятельностью предприятия основаны на автоматизации информационных процессов предприятия.

Системы управления производством эффективны только при условии создания единой схемы движения информации от первичной до выдачи информации управляющим органам. Для этого необходим единый комплекс взаимоувязанных моделей различных уровней планирования и производства.

Различают два основных типа автоматизированных систем управления: системы организационно-экономического или административного управления и системы управления технологическими процессами.

Главные отличия этих двух типов – в характере объекта управления и форме передачи информации.

В организационно-экономических и административных системах управления объекты управления – человеческие коллективы, форма передачи информации – документы.

В системах управления технологическими процессами объекты управления – машины, процессы, приборы, устройства, форма передачи информации – различные сигналы (электрические, механические, световые и др.).

Интегрированные системы управления – объединение систем управления предприятием и технологическими процессами. Им присуще организация информационных процессов на предприятии и организация их выполнения.

Объект управления – совокупность процессов, свойственных данному предприятию, по преобразованию ресурсов (материалы, оборудование, энергетические, трудовые, финансовые ресурсы) в готовую продукцию.

Особенности таких систем, обуславливающие их сложность: большое число разнородных элементов и высокая степень их взаимосвязи в процессе производства, неопределенность результатов выполнения многих процессов (брак, сбои, несвоевременные поставки, нерегулярность спроса), нестационарность предприятия (постоянное изменение и развитие предприятия, сложность работы с людьми).

Среди систем управления этого типа могут быть выделены системы управления обслуживанием на транспорте (оперативное обслуживание пассажиров, повышение загрузки транспортных средств, контроль операций и др.), системы контроля (проверка оборудования, диспетчеризация и др.).

Информационные и управляющие системы предприятий и отраслей оперируют интенсивными потоками информации (ввод, переработка, преобразование информации) и структурированы исходя из задач обеспечения информацией и управления.

Особенности моделирования автоматизированных систем управления предприятием:

- модель для оценки качества управления должна быть моделью системы в целом, описывающей функционирование управляющих и управляемых объектов;

- сложность моделирования алгоритмов управления (обработки информации) – необходимо воспроизводить реальные алгоритмы планирования и обработки информации полностью, в таком виде, в каком они фигурируют в реальной системе;

- трудность компактного моделирования информационного поля и информационных процессов.

Предприятие представляется как комплекс сетей каналов информации на основе пунктов контроля реальных процессов (производство, сбыт, строительство, наем рабочей силы).

Каждому пункту деятельности предприятия соответствует пункт принятия решений, основанных на информации из внутренних и внешних источников. Принятое решение управляет действием и является источником новой информации.

В каждом из трех элементов (решение – действие – информация) имеют место запаздывания (для выполнения каждого из них необходимо время), выходы их элементов могут быть неадекватны входу (усиления или ослабления), могут быть искажения или шумы. Любая точка системы может быть чувствительнее к одним видам возмущений по сравнению с другими.

Решения принимаются на многих уровнях – системы управления предприятиями имеют иерархическую многомодульную структуру.

Основные этапы создания АСУ:

- технико-экономический анализ и выбор степени автоматизации исходя их целей управления (улучшение технико-экономических показателей производственного процесса);

- моделирование производственного процесса как объекта управления;

- разработка алгоритмов управления (принятия решений) и структуры системы;

- техническая реализация системы.

Между этапами существует связь, что обуславливает циклический характер разработки системы с постепенным усложнением и уточнением модели. Такое комплексное рассмотрение всех этапов представляет собой системный подход к проектированию АСУ.

Большая размерность входов и выходов, сложная структура и неопределенность преобразования входных потоков приводят к необходимости применения имитационного моделирования для оценки качества системы управления.

· Шеннон: "Любой набор правил для разработки моделей в лучшем случае имеет ограниченную полезность и может служить лишь предположительно в качестве каркаса будущей модели или отправного пункта в ее построении".

· ** Один из фундаментальных приемов – бритва Оккама: "Не множь сущности без необходимости". (Не нужна модель прогноза погоды на один день, если с ней нужно работать два дня).

* "Кортеж" - последовательность в виде перечисления. Практическая полезность кортежных видов записей – удобная, близкая к математической, знаковая форма записи понятий и операций, связанных с системами.

· Определение устойчивости по Ляпунову: движение устойчиво, если достаточно малые отклонения от него порождают траектории, которые остаются близкими к исходной траектории на достаточно большом интервале времени. Например, при полете самолета автопилот обеспечивает этот принцип, при полете ракеты этот принцип не действует.

· Крылов А.Н.: "Сколько бы ни было точно математическое решение, оно не может быть точнее тех приближенных предпосылок, на коих оно основано. Об этом часто забывают, делают вначале какое-нибудь грубое приближенное предположение или допущение, часто даже не оговорив таковое, а затем придают полученной формуле гораздо большее доверие, нежели она заслуживает".

[1]Консервативные силы - силы поля, в котором работа, совершаемая над частицей силами поля, зависит лишь от начального и конечного положений частицы и не зависит от пути, по которому двигалась частица.

[2] Алгоритм в системном исследовании – предписание определенной последовательности неформализованных действий (в частности, творческой деятельности). В математике алгоритм – точное формальное предписание, однозначно определяющее содержание и последовательность действий (операций).

[3] Под методом обычно понимается некий унифицированный подход, с помощью которого ищутся пути решения поставленной задачи.