Процесс проектирования с точки зрения системного подхода

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД В ПРОЕКТИРОВАНИИ И СОЗДАНИИ АСУ ТП

Проектирование автоматизированных систем — это создание графических, текстовых, программных и других документов, достаточных для создания и эксплуатации проектируемой АС и оформленных на бумажных и электронных носителях.

В перечисленных документах проектирование АС должно быть выполнено с соблюдением соответствующих требований, норм и правил как к самой АС, так и к документам, отражающим проектное решение.

Подлежащая проектированию автоматизированная система обычно не является некой изолированной, а представляет собой часть более сложной системы. Проектное решение, касающееся разрабатываемой автоматизированной системы, должно быть оптимальным для всей системы в целом, а не только для разрабатываемой, что и обеспечивается, так называемым, системным подходом к проектированию АС.

Рассмотрим методологию системного подхода к проектированию применительно к АСУТП — автоматизированным системам управления технологическими процессами.

Процессы проектирования и создания АСУТП являются сложными процессами, в которые вовлекаются большие коллективы людей и привлекаются крупные финансовые средства.

Ответственность на руководителях проектирования весьма высокая.
Системный подход к проектированию любого объекта и, в частности, к проектированию АСУТП, дает определенную гарантию получения качественного проектного решения.

Сложность Объекта проектирования приводит к тому, что и система создания АСУ ТП, и процесс ее проектирования также являются достаточно сложными.

В связи с этим методология проектирования АСУ ТП разделена на несколько частей, это: общесистемные вопросы и специальные вопросы математического и программного обеспечения, технического обеспечения и методология учета человеческих факторов в проектировании АСУ ТП.

Все виды обеспечения АСУ ТП необходимо разрабатывать с учетом системного подхода, экономической эффективности и надежности АСУ ТП.

1. Основная терминология

Система — комплекс элементов, находящихся во взаимодействии.

Системный подход — понятие, подчеркивающее значение комплексности, широты охвата и четкой организации в исследовании, проектировании и планировании.

Подсистема или часть системы — совокупность элементов (алгоритмов), объединенных единым процессом функционирования, которые, взаимодействуя, реализуют определенную операцию (программу), необходимую для достижения цели, поставленной перед системой в целом.

Сложная система — собирательное название систем, состоящих из большого числа взаимоувязанных элементов. Часто сложными системами называют системы, которые нельзя корректно описать математически либо потому, что в системе имеется очень большое число различных элементов, неизвестным образом связанных друг с другом (например, мозг), либо потому, что мы не знаем природы явлений, протекающих в системе и поэтому количественно не можем их описать.

Иногда сложными называют системы, для изучения которых необходимо решать задачи с непомерно большим объемом вычислений или перерабатывать такой большой объем информации, что для этого даже при использовании самых быстрых ЭВМ потребовалось бы много миллионов лет.

В некоторых случаях сложную систему определяют как систему, которую можно описать не менее чем на двух различных математических языках.
В терминологическом словаре по автоматике, информатике и вычислительной технике (М. «Высшая школа», 1989 — стр.138) дается такое определение сложной системы: «Сложная система — это составной объект (система), состоящая из большого числа взаимосвязанных в соответствии с определенными причинами и отношениями элементов.»

Для сложных систем характерны:

• трудности в математическом и количественном описании;
• большой объем вычислений при их изучении.

Свойства сложных систем определяются свойствами составляющих их элементов, связями между ними, структурой, архитектурой, целями подсистем.

Сложная система, в свою очередь, может быть элементом (подсистемой) более крупной системы.

Примеры сложных систем: энергосистема, предприятия, ЭВМ, мозг человека, экономическая система страны, транспортная система города, САПР, АСУ ТП.

Существует еще понятие «Большая система» в том же терминологическом справочнике этому понятию дается такое определение.

Большая система — это совокупность множества взаимосвязанных элементов (подсистем), отличающаяся сложностью решаемых задач. Примеры: транспортные, энергетические, информационные системы, которые можно называть — инфраструктурами.

Наличие столь разнообразных способов определения сложной системы свидетельствует о том, что характерных черт «сложности» много и до сих пор еще нет общепринятого определения «сложная система».

Однако это не является сдерживающим фактором для рассмотрения и изучения т.н. понятия «сложных систем». Любая на первый взгляд «несложная система» может оказаться при ее глубоком рассмотрении системой, обладающей признаками сложной системы.

Открытая система — система, допускающая свое развитие, расширение на аппаратном и информационном уровнях.

Открытая система — система, к которой подводится или от которой отводится вещество или энергия.

Замкнутая система — система, к которой не подводится или от которой не отводится вещество или энергия.

Иерархическая система — система, имеющая многоуровневую структуру в функциональном, организационном и в каком-либо ином отношении.

Иерархическая система — система произвольной природы (технической, экономической, биологической, социальной) и назначения, имеющая многоуровневую структуру в функциональном, организационном или в каком-либо ином плане.

2. Сущность системного подхода

Системный подход отличается от традиционного предположением, что целое обладает такими качествами (свойствами), каких нет у его частей. Наличием этих качеств целое, собственно, и отличается от своих частей. Данная связь между целыми и его частями была положена в основу первых определений системы, например такого: «система — это совокупность связанных между собой частей».

Это, в общем-то, очевидный факт: целью объединения элементов в систему и является получение таких свойств и способностей в выполнении требуемых функций, каких нет у каждого отдельно взятого элемента:

— есть электромотор (простое вращение);

— есть программируемый контроллер (обработка информации).

Их соединение — программируемый электропривод (частотный привод).

При этом части системы могут, в свою очередь, представлять системы, тогда их называют подсистемами. Подсистема обладает свойством функциональной полноты, т.е. ей присущи все свойства системы.

Системный подход к проектированию АСУ ТП заключается в разбиении всей системы на подсистемы (декомпозиция системы) и учете при ее разработке не только свойств конкретных подсистем, но и связей между ними.

Например , при проектировании системы управления процессом приготовления бетонной смеси может быть поставлена задача максимизации производительности при заданных ограничениях на качество бетонной смеси. Однако данная система может быть подсистемой другой системы (например, домостроительного комбината). Если указанное повышение производительности бетоносмесительного узла не учтено при проектировании подсистем, потребляющих бетон, то показатели функционирования домостроительного комбината останутся на прежних уровнях.

Системный подход опирается на известный диалектический закон взаимосвязи и взаимообусловленности явлений в мире и в обществе и требует рассмотрения изучаемых явлений и объектов не только как самостоятельной системы, но и как подсистемы некоторой большей системы, по отношению к которой нельзя рассматривать данную систему как замкнутую. Системный подход требует прослеживания как можно большего числа связей — не только внутренних, но и внешних, чтобы не упустить действительно существенные связи и факторы и оценить их эффекты.

Системный подход к анализу и разработке систем находит применение в том или ином аспекте многими науками (системотехника, исследование операций, системный анализ и др.). Между этими науками нет четких границ, весьма часто в них используются одинаковые математические методы. Поэтому в настоящее время усилия специалистов направлены на разработку общей теории систем, использующей изоморфизм (аналогичность) процессов, протекающих в системах различного типа (технических, биологических, экономических, социальных). Общая теория систем должна стать теоретическим фундаментом системотехники и других, смежных с ней дисциплин. Остановимся кратко на сущности упомянутых теорий и их применении при проектировании АСУ ТП.

3. Научные направления исследования и проектирования систем

Общая теория систем . Это научное направление связано с разработкой совокупности философских, методологических, научных и прикладных проблем анализа и синтеза сложных систем произвольной природы. Считается, что общая теория систем должна представлять собой область научных знаний, позволяющую изучать поведение’ систем любой сложности и любого назначения.

С философской точки зрения реальные системы неисчерпаемы в своих свойствах, и для познания действительности необходимы различные уровни абстрагирования. В данной теории используются следующие уровни: символический, или лингвистический; теоретико-множественный; абстрактно алгебраический; топологический; логико-математический; теоретико информационный; динамический; эвристический.

Формулировка термина «система» зависит от принятого уровня абстрагирования и не является единственной.

Рассмотрение задач на каком-либо одном уровне абстрагирования позволяет дать ответы на определенную группу вопросов, а для получения ответов на другие вопросы необходимо провести исследование уже на другом уровне абстракции.

В настоящее время общая теория систем еще далека от завершения. Однако ее полезность подтверждается практическими применениями, в частности, на ее основе развивается теория многоуровневых иерархических систем, к которым относится большинство АСУ ТП.

Системный подход реализуется в основном на следующих фундаментальных науках:

• системотехника;
• исследование операций;
• системный анализ.

Системотехника

Данная наука представляет собой направление в кибернетике, изучающее вопросы планирования, проектирования и поведения сложных информационных систем. Это определение системотехники не является строгим. В настоящее время существует множество определений этой науки, что свидетельствует о ее развивающемся характере.

Нет единого определения и сложной системы. Р. Е. Макол сформулировал следующие семь признаков, которые, по его мнению, ограничивают класс систем, рассматриваемых в системотехнике:

• система создается человеком из различного оборудования и сырья;
• система обладает цельностью, все ее части служат достижению единой цели;
• система является большой как с точки зрения разнообразия составляющих ее элементов, так и с точки зрения числа одинаковых частей, возможно, числа выполняемых функций и стоимости;
• система является сложной, т. е. изменение какой-либо переменной влечет за собой изменение многих других переменных, причем математическая модель системы должна быть достаточно сложной;
• система является полуавтоматической, т. е. часть функций системы всегда выполняется автоматами, а часть — человеком;
• входные воздействия системы имеют стохастическую природу, отсюда следует невозможность предсказания поведения системы для любого момента времени;
• большинство систем, и в первую очередь наиболее сложные системы, содержат элементы конкурентной ситуации.

Большинство АСУ ТП удовлетворяют указанным признакам, поэтому методология системотехники используется при их проектировании.

Процесс проектирования можно подразделить на ряд направлений. В частности, возможны следующие деления:

• фазы (во времени) конструирования системы;
• этапы (логические) конструирования системы;
• аппарат (математический и научный) конструирования системы;
• части (функциональные) системы;
• подсистемы общей системы.

Первое направление предполагает, что конструирование системы проходит в хронологическом порядке ряд определенных фаз (например, начало работы, организация рабочей группы, предварительное конструирование, основное конструирование, создание макета экспериментальной проверки, обкатка и оценка испытаний). Следует отметить, что фазы работ в значительной степени зависят от проектируемой системы и не являются одинаковыми для всех систем.

Этапы конструирования системы — это логические этапы. Они не обязательно должны выполняться в заданном порядке. Например, прикладные программы для управляющей вычислительной машины можно разрабатывать одновременно с изготовлением опытного образца системы.

Важная группа этапов, позволяющая успешно разделять проблему на части для анализа, основана на предположении, что любое событие на одном каком-нибудь входе и реакцию системы на это событие можно изучать изолированно от того случая, когда подобные события имеют место на двух или более входах одновременно. Из этого следует, что этапами изучения могут быть разработка в предположении единичных воздействий, разработка в предположении многократных воздействий, совершающихся в известном порядке, и разработка с учетом конкретной ситуации.

Другая важная группа этапов связана с моделированием и заменой моделью реально работающей системы. Ввиду универсальности широко используется статистическое моделирование. Высокая степень, до которой доводится процесс разработки на основе анализа и моделирования, является одной из отличительных черт системотехники.

В качестве аппарата для инженера-системотехника может служить любая математическая дисциплина, но наибольшее значение имеет теория вероятностей и математическая статистика.

Составными частями могут быть локальные системы и системы более высокого иерархического уровня, системы связи, системы отображения информации и др.

Разбиение на подсистемы выполняется с учетом естественной структуры технологического процесса, удобства организации проектирования и других факторов. При этом следует стремиться обеспечить минимум связей между подсистемами.

Особое значение в системотехнике имеет системный подход, который проявляется в ряде принципов конструирования сложной системы.

Главным, фундаментальным принципом является принцип максимума эффективности, точнее, максимума ее математического ожидания. Критерием эффективности является отношение (или разность) показателей ценности результатов, полученных в процессе функционирования системы, к показателю затрат на ее создание. Сложность задачи определения показателя эффективности обусловливается, в частности, тем обстоятельством, что она вытекает из задач системы более высокого уровня и задается ими. Поэтому конструктор конкретной системы должен ориентироваться в проблеме более высокого ранга, чем рассматриваемая, правильно оценивать результаты выполняемой работы. На этапе формулирования критерия эффективности необходим тесный контакт с заказчиком.

При оценке эффективности можно использовать метод аналогии, метод экспертных оценок, метод прямых расчетов, метод математического моделирования и другие методы.

С помощью принципа эффективности можно сформулировать основной метод проектирования систем: единая система разделяется на части по функциональному признаку, устанавливаются возможные варианты реализации этих частей, связей между ними и на заданном множестве вариантов выбирается структура системы, отвечающая требованиям максимума математического ожидания эффективности.

Принцип согласования (субоптимизации) частных (локальных) критериев эффективности между собой и общим (глобальным) критерием гласит, что для оптимального функционирования системы в целом не требуется оптимизации работы каждой из ее подсистем. Для достижения общей цели должны быть согласованы между собой критерии эффективности каждой подсистемы (причем эти частные критерии могут не совпадать с частными оптимумами). В связи с этим улучшение работы одной из подсистем, не согласованное в общесистемном плане, может привести к снижению эффективности системы в целом.

Из принципа оптимума автоматизации вытекает, что не все задачи, особенно для частных случаев, должны решаться автоматически. Уровень автоматизации необходимо обосновать исходя из критериев эффективности.

Принцип централизации информации заключается в том, что система управления и принятия решений эффективна только в том случае, когда информация собирается, хранится и обрабатывается на основе единых массивов, единого банка данных, который может быть и децентрализованным.

Принцип явлений с малой вероятностью утверждает, что основную задачу системы пересматривать нельзя, а основные характеристики системы не должны значительно изменяться для того, чтобы система оказывалось пригодной также в ситуациях, имеющих малую вероятность наступления. В настоящей главе рассмотрены только основные принципы и методы системотехники.

Исследование операций

Это научное направление в исследовании и проектировании систем основано на математическом моделировании процессов и явлений. Различных определений науки об исследовании операций, так же как и системотехники, существует очень много. Более того, трудно провести четкое разделение между этими науками. Полагают, что специалист по исследованию операций имеет склонность к оптимизации операций в существующих системах, в то время как специалист по системотехнике склонен к созданию новых систем.
Под операцией обычно понимают действие, осуществляемое некоторой организацией согласно определенным условиям и инструкциям, подразумевая под организацией систему, включающую в себя коллективы людей.

Часто операции являются малоэффективными из-за подмены целей в организации операций. Поэтому, как правило, работа исследователей операций начинается с анализа критерия эффективности операции. Классическим примером успешного применения исследований операций является решение вопроса о целесообразности установки зенитных орудий на торговых судах союзников во время второй мировой войны.

При исследовании операций широко используется системный подход и математическое моделирование.

Как показала практика, методы исследования операций наиболее пригодны для исследования и разработки организационных систем, однако их можно использовать и при проектировании систем управления технологическими процессами на этапе постановки целей, определения показателей эффективности составлении и исследовании математических моделей.

Пример.

Использование исследования операций при проектировании АСУ ТП. Комплекты железобетонных изделий домостроительного комбината (ДСК) доставляются со складов ДСК на объекты строительства специализированным транспортом (тягачами и отцепными полуприцепами). Управление транспортом осуществляется в реальном времени с помощью автоматизированной системы диспетчерского управления (АСДУ ДСК).

Задача состояла в том, чтобы найти оптимальное количество заказываемого транспорта и оптимальное размещение отцепных полуприцепов на складах и объектах ДСК. В результате исследования транспортно-монтажный процесс ДСК был разбит на подсистемы: склад; транспорт; объект.

Критериями эффективности функционирования рассматриваемых подсистем служат простои кранов на складах, транспорта, монтажных бригад на объектах.

В качестве показателя эффективности системы в целом были выбраны суммарные убытки ДСК от указанных простоев.

Если не учитывать связи между подсистемами, то можно прийти к выводу, что с целью сокращения простоев транспорта следует сократить его количество. Однако в этом случае увеличится простой монтажных бригад на объектах строительства, т. е. лучшее решение для подсистемы «транспорт» не является лучшим для системы в целом.

В качестве математического аппарата при исследовании была выбрана теория массового обслуживания. В терминах этой теории была составлена математическая модель системы, которая в дальнейшем исследовалась на ЭВМ с использованием метода статистического моделирования.

В результате исследования предложена методика определения количества заказываемых транспортных средств и размещения отцепных полуприцепов, при которой математическое ожидание суммарных убытков от простоев кранов, транспортных средств и монтажных бригад принимает минимальное значение.

Системный анализ

Это научное направление является методологией исследования трудно наблюдаемых и трудно понимаемых свойств и отношений в объектах, заключающейся в представлении этих объектов в качестве целенаправленных систем и изучения свойств этих систем и взаимоотношений между целями и средствами их реализации.

Существует множество определений системного анализа (как и исследования операций или системотехники). В нем нет еще установившихся понятий, общепринятой терминологии и единства мнений специалистов по многим принципиальным вопросам. Системный анализ успешно используют при решении таких проблем, как оценка конкретных проектов сложных АСУ, промышленных систем, планов капитальных вложений, народнохозяйственных планов, а также в организации процессов народнохозяйственного планирования.

Исследование в системном анализе разбивается на несколько этапов.

Рассмотрим основные этапы системного анализа, используемые при проектировании организационных и технологических систем управления.

На первом этапе дается постановка задачи, которая состоит из определения объекта исследования, постановки целей, а также задания критериев для улучшения объекта и управления им. Этот этап плохо формализуется, поэтому успех определяется прежде всего искусством и опытом исследователя, глубиной его понимания поставленной проблемы. Этот этап важен, поскольку неправильная или неполная постановка целей может свести на нет результаты последующего анализа.

На втором этапе очерчиваются границы изучаемой системы и ведется ее первичная структуризация. Совокупность объектов и процессов, имеющих отношение к поставленной цели, разбивается на два класса: изучаемую систему и внешнюю среду. Такое разделение происходит в результате последовательного перебора и включения в систему объектов и процессов, оказывающих заметное влияние на процесс достижения поставленных целей.

Окончание перебора может произойти прежде всего потому, что будут исчерпаны все существенные факторы. Систему в этом случае можно рассматривать как замкнутую, т. е. с известной степенью приближения, не зависящей от внешней среды.

Другая возможность ограничения системы от внешней среды основывается на том, что в ряде случаев при изучении системы можно ограничиться лишь влиянием внешней среды на систему и пренебречь (с точки зрения поставленных целей) влиянием системы на среду. При этом получаем открытую систему, поведение которой зависит от входных сигналов, поступающих из внешней среды.

Завершение процесса первичной структуризации состоит в том, что выделяются отдельные составные части — элементы изучаемой системы, а возможные внешние воздействия представляются в виде совокупности элементарных воздействий.

Третий важный этап заключается в составлении математической модели изучаемой системы. Первым шагом в этом направлении является параметризация, т. е. описание выделенных элементов системы и элементарных воздействий на нее с помощью тех или иных параметров. Особую роль играют параметры, принимающие конечные множества значений. Эти параметры позволяют описать процессы и объекты, которые не могут быть охарактеризованы с помощью обычных числовых параметров, а различаются лишь косвенно.

Параметризация изучаемой системы представляет собой лишь первый шаг в построении ее математической модели, Второй важный шаг заключается в установлении различного рода зависимостей между введенными параметрами. Характер этих зависимостей может быть любым: для количественных (числовых) параметров зависимости обычно задают в виде систем уравнений (обыкновенных алгебраических или дифференциальных); для качественных параметров используют табличные способы задания зависимостей, основанные на перечислении всех возможных комбинаций значений параметров.

Наряду с вполне определенными функциональными зависимостями (задаваемыми однозначными функциями) в системном анализе используется различного рода вероятностные соотношения.

Зависимости между элементами обычно являются весьма сложными и разнообразными. Описание всех этих зависимостей также весьма сложно и громоздко. Поэтому при построении математической модели обычно стремятся, по возможности, сократить это описание. Одним из наиболее употребительных приемов является разбиение изучаемой системы на подсистемы выделение типовых подсистем, установление иерархии подсистем и стандартизации связей подсистем на одних уровнях с однотипными системами на других уровнях.

Выделение подсистем и установление их иерархии, помимо упрощения описания, преследует и другую цель: в процессе исследования уточняется первоначальная структура и параметры системы, а также окончательно определяются цели и критерии. В результате этого (третьего) этапа возникает законченная математическая модель системы описанная на формальном математическом языке.

Задачей следующих этапов является исследование построенной модели. В отличие от классического случая для сложных систем, как правило, не удается найти аналитического решений, позволяющего описать поведение системы в общем виде. Поэтому обычно при исследовании пользуются прямым (имитационным) моделированием изучаемой системы на ЭВМ.

В большинстве случаев применяют метод «проб и ошибок», который, в отличие от классического случая, при системном анализе является не только основным, но, как правило, и единственно возможным, поскольку известные аналитические приемы (вариационные методы, принцип максимума Понтрягина и др.), для сложных систем, как правило, непригодны.

Таким образом, системный анализ представляет собой методологию исследования весьма сложных и неопределенных проблем, которая может быть использована при проектировании весьма сложных АСУ ТП.

4. Методология проектирования иерархических АСУ ТП

АСУ ТП являются сложными системами управления. Как было указано ранее, существует множество определений сложной системы, которые подчеркивают тот или иной признак сложности. Не всякая АСУ ТП состоит из иерархически организованных подсистем. Но если эта система иерархически организована, ее, несомненно, следует считать сложной. Так как большинство АСУ ТП представляет собой системы комплексной автоматизации каких-либо процессов, состоящих из ряда подпроцессов со своими локальными системами управления, большинство из них является иерархическими в том или ином плане. Отсюда вытекает важность рассмотрения методов исследования и проектирования указанных систем.

Задачи проектирования иерархических АСУ ТП во многом зависят от признаков, которые положены в основу при подразделении сложной системы на соответствующие уровни иерархии.

Чаще всего используется организационный признак, который позволяет отображать фактически существующую субординацию ( рис. 1 ). При этом каждый из уровней можно подразделить еще на ряд подуровней. Так, АСУ ТП первого уровня могут быть подразделены на локальные системы управления отдельными агрегатами и системы комплексного управления технологическими процессами (автоматическими линиями, участками производства и пр.).

В качестве признака часто используется избранный метод управления: регулирование, обучение и адаптация, самоорганизация.

На рис. 1 , изображена схема, которая демонстрирует расчленение системы управления по указанным признакам.

б)

Рис.1 . Разбиение системы управления на иерархические уровни:
a — по уровням и методам управления; б — по интервалам времени

Рис. 2. Двухуровневая система с нижестоящими управляющими системамии единственной вышестоящей управляющей системой

В ряде случаев подразделение на основные уровни или расчленение основных уровней на подуровни можно выполнять по признаку, характеризующему определенный аспект деятельности.

Систему можно разбить на иерархически связанные между собой уровни также по временному признаку. В этом случае при отнесении элементов к тому или иному уровню в основу кладется интервал времени, через который необходимо вмешательство последующего уровня в процесс управления нижестоящим уровнем для обеспечения нормального функционирования системы. На рис.1,б приведен пример разбиения задачи управления энергетической системой по временному признаку.

Иерархические системы управления образуются также в результате расчленения какой-либо сложной задачи на более простые подзадачи. В этом случае элементы иерархической структуры называют уровнями сложности принимаемого решения.

В АСУ ТП весьма распространены двухуровневые системы (рис.2), методы синтеза и анализа которых в настоящее время разработаны наиболее полно.

Ввиду того, что алгоритмы управления локальных подсистем С1-Сn не учитывают связей между отдельными подпроцессами, возникает проблема координации. Сущность этой проблемы заключается в следующем: требуется разработать систему более высокого иерархического уровня Со, которая управляла бы локальными подсистемами таким образом, чтобы они функционировали согласованно и были подчинены общей цели.

В теории иерархических систем разработаны несколько принципов, пригодных для синтеза алгоритма функционирования координатора Со, которые подобны принципу) обратной связи в теории автоматического регулирования и управления.

Принцип прогнозирования взаимодействий заключается в том, что управляющие воздействия верхнего уровня распределяются между подсистемами нижнего уровня таким образом, что каждая из подсистем становится автономной относительно других подсистем этого же уровня.

В качестве примера на рис.3,a показано использование этого принципа для цели координации функционирования двух локальных подсистем управления. Подпроцессы Р1 и Р2 связаны между собой посредством связующих переменных U1 и U2. Локальные микро-УВК С1 и С2 выбирают управляющие воздействия и на основании сигналов обратной связи у1 и у2, прогнозируемых координатором C значений связующих переменных и .

Если пространство связующих переменных определено, то можно найти ошибку прогнозирования ,

где — вектор координирующих сигналов; U — вектор связующих переменных.

а)

б)
Рис. 3. Структурные схемы использования принципов координации в цепи обратной связи второго уровня: а — принципа прогнозирования; б — принципа согласования

Синтез алгоритма координации заключается в нахождении итеративной процедуры , с помощью которой на основании значения ошибки прогнозирования на i-м шаге находят значение вектора на (i+1)-м шаге управления:

Если на некотором шаге значение ошибки окажется равным нулю, то задача координации считается решенной.

Принцип оценки взаимодействий в отличие от принципа прогнозирования взаимодействий утверждает, что задача координации решается всякий раз, когда ошибка прогнозирования е находится в заданной области.

Принцип согласования взаимодействий заключается в том, что элементы С1 и С2 трактуют связующий сигнал как дополнительную переменную решения. Этот принцип утверждает, что управляющее воздействие (вектор m) решает поставленную задачу, когда m является решением задач управления подсистемами С1 и С2 и связующие сигналы, выбранные нижестоящими элементами, совпадают с действительными значениями связующих переменных.

Ошибки управления при синтезе координатора с применением данного принципа (рис.3, б) можно найти согласно выражению:

,
где — значение вектора связующих переменных, выбранного локальными системами правления C1 и С2; U — вектор действительных значений связующих переменных. Новое значение координирующего сигнала на (i + 1)-м шаге итерации находится согласно выражению:

В теории иерархических систем рассмотрены вопросы применимости указанных принципов, синтеза процедур координации и анализа скорости их сходимости.

Наиболее часто в двухуровневой АСУ ТП используют линейную процедуру координации. При линейной координации координирующие сигналы подаются дискретно в некоторые последовательные моменты времени. В каждом цикле координации локальные решающие элементы (микро-УВК) осуществляют выбранное ими управление без дальнейшего вмешательства координатора.

Цикл координации определяет требования к производительности решающих элементов и временные соотношения процессов обмена информацией между ними. В связи со стохастическим характером большинства ТОУ и связанного с ним случайным во времени процессом выработки сигналов обратной связи локальными подсистемами длительность цикла координации также является случайной. Поэтому при синтезе алгоритма координации целесообразно использовать теорию массового обслуживания.

5. Пример использования системного подхода при проектировании АСУ ТП

Рассмотрим пример проектирования автоматизированной системы управления процессом приготовления бетонной смеси (АСУ ТП «Бетон»), причем опишем отдельные фрагменты этого процесса.

В соответствии с методологией системотехники работы по созданию АСУ ТП «Бетон» разобьем на стадии и этапы .

На стадии технического задания удобно использовать методологию системного анализа.

На первом этапе сформулируем цель системы. АСУ ТП производства бетонных смесей предназначена для эффективного контроля и управления технологическим процессом, начиная от подачи материалов со складов и кончая выдачей бетонной смеси потребителям. Цель контроля — повышение экономичности, ритмичности и качества производства, своевременного обеспечения потребителей необходимым количеством смесей заданных параметров.

На втором этапе системного анализа очертим границы изучаемой системы. Определяем, что система должна включать управление следующими процессами: подачей материалов со складов в емкости надбункерного отделения, дозированием, смесеприготовлением, выдачей товарного бетона и доставкой на формовочные участки. Формовочные и другие участки, потребляющие бетон, а также железнодорожный и автомобильный транспорт, доставляющий компоненты бетонной смеси на склады, не входят в систему и могут быть отнесены к внешней среде. Предполагается, что в процессе функционирования в систему поступают заказы на бетонную смесь (с пунктов ее потребления) и компоненты бетонной смеси (со склада цемента и заполнителей) .

Рис. 4. Многослойная иерархия задач управления АСУ ТП «Бетон»:БС — бетонная смесь

Таким образом, внешняя среда влияет на систему. Влиянием системы на внешнюю среду пренебрегаем.

В результате первичной структуризации выделяются элементы технологического процесса, подлежащие автоматизированному управлению, а также входы и выходы, связывающие рассматриваемую систему и внешнюю среду.

На третьем этапе системного анализа предварительно разрабатываем математическую модель системы. На этой стадии ограничиваемся графическим и словесным описанием подсистем и связующих функций.

Учитывая естественную структуру технологического процесса, проводим его декомпозицию на подпроцессы (рис. 4).

В соответствии с декомпозицией процесса на подпроцессы выполняем декомпозицию задачи управления на подзадачи (уровни сложности принимаемого решения).

Общая задача управления процессом в целом подразделяется на ряд последовательно решаемых более простых задач (рис. 4). Вначале на основании данных лабораторного анализа устанавливаются процентные содержания компонентов в бетонных смесях различных марок с учетом влажности и засоренности заполнителей, активности цемента и пр. Результаты решения этой задачи являются исходными данными для решения задачи координации работы подсистем в соответствии с заказами на бетонную смесь, поступающими из внешней среды. На основании данных очереди заказов и результатов решения задачи управления составом, определяются задания дозаторам и смесителям, выбирается цепочка транспортных средств, доставляющих готовую бетонную смесь потребителю, определяются расходные бункера, подлежащие загрузке.

На третьем уровне решаются задачи управления отдельными подпроцессами.

Далее проводится предварительная разработка и выбор комплекса технических средств системы управления (рис. 5).

На основании указанных этапов системного анализа работа распределяется между отдельными исполнителями, составляются планы-графики выполнения проектных и научно-исследовательских работ.

В дальнейшем для ряда подсистем составляются более детальные математические модели. При этом функции переходов, выходов, связующие функции описываются в виде математических выражений, что позволяет исследовать различные алгоритмы управления методом цифрового моделирования на ЭВМ.

Для координации процессов дозирования отдельных компонентов целесообразно использовать линейную процедуру итерации (рис. 6).

При поступлении компонента бетонной смеси в грузоприемное устройство ошибка слежения за изменением массы материала в бункере дозатора из-за наличия переходного процесса велика.

Рис. 5. Организация иерархии АСУ ТП «Бетон»: БС — бетонная смесь

После окончания процесса дозирования и затухания переходных процессов масса каждого из компонентов может быть измерена с большей точностью. Если окажется, что вектор процентных отклонений компонентов выходит за пределы некоторой области допустимых значений, следует выбрать тип компонента и соответствующий ему дозатор для досыпки. После реализации выбранной досыпки процедура повторяется до тех пор, пока в соответствии с принципом оценки взаимодействий вектор процентных отклонений не будет находиться в заданной области.

Фазы и этапы проектирования АСУ ТП определены ГОСТ 20913 — 75.

Рис. 6. Схема алгоритма координации работы дозаторов циклического действия

Читайте также:

1. Cубъект-объектный и субъект-субъектный подходы к социализации личности.
2. I ЧАСТЬ. 1 вопрос. История первобытного общества и история древнего мира: проблемы изучения, трактовки и подходы к истории, специфика.
3. II. 7. Особые требования к проектированию усиления на слабых глинистых грунтах
4. T Системный подход. Понятие архитектуры.
5. V2: Марксизм и формационный подход. Становление капиталистического общества.
6. Абстрактно-философский подход к определению целей воспи­тания в различные периоды развития общества
7. Адаптивный подход в сельском хозяйстве и задачи агроэкологии
8. Акмеология и акмеологический подход к инженерному образованию
9. Аксиологический подход в изучении педагогических явлений
10. Аксиологический подход в философии. Что такое ценность? Ценностный мир человека.
11. Аксиомы ординалистского подхода. Ф-я полезности и кривые безразличия потребителя. Св-ва кривых безразличия. Предел. норма замещения.
12. Алфавитный (объемный) подход к измерению информации

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

1.1 Что такое проектирование?

Проектирование, с одной стороны, является сложным творческим процессом, а с другой стороны – основывается на научных знаниях, использовании практического опыта и навыков в определенной сфере целенаправленной деятельности человека.

Известны несколько определений понятия «проектирование» [1]. Согласно ГОСТ 22487-77, проектирование технического объекта – это создание, преобразование и представление в принятой форме образа этого еще не существующего объекта. При этом образ объекта может создаваться в воображении человека или генерироваться в соответствии с некоторыми алгоритмами в процессе взаимодействия человека и ЭВМ.

Инженерное проектирование направлено на создание новых технических систем:

· изделий –– технических систем, получаемых в результате изготовления;

· устройств –– технических систем, готовых совершить полезный эффект;

· процессов –– функционирующих технических систем.

Инженерное проектирование включает в себя разработку технического задания (ТЗ) и его реализацию в виде проектной документации.

В техническом задании на проектирование указывают, по крайней мере, следующие данные:

1) назначение объекта проектирования;

2) условия его эксплуатации (для изделия или устройства) или реализации (для технологического процесса);

3) требования к выходным параметрам (например, условия работоспособности машины, технические характеристики изготавли-ваемой детали и т.п.).

Проектирование по содержанию представляет собой процесс переработки определенного объема различной информации. Входами такого процесса являются:

1) замысел (цель) проектирования, выраженный в виде определенной совокупности условий и требований, которым должен удовлетворять искомый объект;

2) средства, т.е. факторы, которыми можно варьировать при проектировании.

Выход процесса –– информационная модель, содержащая необ-ходимые и достаточные сведения для материально-вещественного воплощения идеи проектирования в конкретный физический объект.

Современная методология проектирования базируется на системном подходе, основной общий принцип которого заключается в рассмотрении объекта, процесса или явления как сложной системы [2]. В этой связи напомним, что системой называют совокупность взаимосвязанных элементов, выделенных из среды и взаимо-действующих с окружающей средой как единое целое для достижения поставленной цели. Отсюда наиболее общими характеристиками объекта проектирования как сложной системы являются:

Системный подход представляет собой обобщение различных методик проектирования и направлен на решение следующих задач:

· выявление структуры объекта;

· описание и типизацию связей между элементами структуры;

· определение атрибутов объекта как сложной системы;

· определение функций объекта;

· анализ влияния на объект внешней среды.

Часто оказывается, что системный объект обладает новыми свойствами и функциями, которых нет у составляющих его элементов. Так, например, машина, состоящая из отдельных деталей, обладает свойствами, которых нет у каждой детали в отдельности. Такое появление у системы новых качеств называют эмерджентностью (от англ. emergent –– внезапно возникающий). Считается, что чем больше свойства системы отличаются от свойств ее элементов, тем выше организованность системы; а чем сильнее степень согласованности поведения элементов системы, тем у нее больше возможностей выбора моделей поведения. Высшая степень проявления согласованности поведения элементов системы –– самоорганизация системы, изучением которой занимается синергетика.

В качестве примера сложной системы рассмотрим техноло-гический процесс изготовления детали.

Со стороны структуры технологический процесс представляет собой совокупность взаимосвязанных этапов, операций и переходов.

Функция технологического процесса заключается в преобразовании исходного материала (полуфабриката) в готовое изделие. Исходное состояние (С) объекта производства задается множеством параметров, характеризующих форму и размеры заготовки, марку материала и его физические свойства. Конечное состояние (С_к) определяет заданные конструктором форму детали, размеры и точность, физические свойства отдельных поверхностей. Таким образом, математически функцию технологического процесса можно представить в виде отображения соответствующих множеств: С → С_к. Кроме того, функция технологического процесса может быть расчленена на функции отдельных операций.

Технологический процесс можно рассматривать как часть производственного процесса, связанную с качественным изменением состояния объектов производства. Отсюда взаимодействие с внешней средой проявляется в связях технологического процесса, посредством которых он воспринимает воздействия других подсистем производства и управления и сам воздействует на них.

Основные модели, служащие для описания сложных систем, рассмотрены в курсе математического моделирования [3].

Разновидностями системного подхода являются:

1) структурный подход, при котором варианты системы синтезируются из компонентов. Преимущества того или иного варианта перед другими оцениваются путем частичного перебора структуры;

2) блочно-иерархический подход, при котором используются идеи декомпозиции сложных описаний объектов на иерархические уровни, вводится понятие восходящего и нисходящего проектирования, устанавливается связь между параметрами соседних иерархических уровней;

3) объектно-ориентированный подход, который заключается в применении при проектировании трех принципов: наследование, инкапсуляция и полиморфизм. Наследованием называется способность объекта сохранять атрибуты класса-родителя. Инкапсуляция – это механизм, благодаря которому внутренняя сложность объекта изолируется от наблюдателя из внешнего мира. Полиморфизм – это способность объекта видоизменяться (принимать различные формы).

Для всех указанных разновидностей системного подхода характерны следующие особенности:

1) структуризация процесса проектирования;

2) типизация и унификация проектных решений;

3) итерационный[1] характер процесса проектирования.

Основные положения системного подхода излагаются в обобщенной дисциплине, которая называется «Системный анализ» или «Теория систем», аналогичная прикладная дисциплина называется «Системотехника».

Предметом системотехники являются:

1) организация процесса создания, использования и развития технических систем;

2) методы и принципы проектирования и исследования систем.

Составными частями системотехники являются:

1) организация и иерархическое структурирование процесса проектирования систем;

2) анализ и моделирование систем;

3) синтез и оптимизация систем.

Цель анализа –– получение информации о характере функци-онирования и значениях выходных параметров при заданных структуре объекта проектирования и сведениях о его внутренних и внешних параметрах. Анализ объекта проектирования – это его исследование, изучение свойств, проверка условий работоспособности. При анализе новые варианты проекта не создаются.

Различают следующие виды анализа:

· анализ чувствительности к изменениям параметров.

Основной операцией при анализе является разделение целого на части –– декомпозиция. В результате декомпозиции исходная система разделяется на подсистемы, задача – на подзадачи и т.д. Обратная операция, объединение нескольких элементов в единое целое (агрегат), называется агрегированием (агрегатированием).

Синтез бывает двух видов:

1) структурный синтез,

2) параметрический синтез.

Задача структурного синтеза –– определение множества возможных проектных решений.

Задача параметрического синтеза –– выбор или расчет значений отдельных параметров проекта.

Разница между близкими по содержанию понятиями «синтез» и «проектирование» заключается в следующем: проектирование предполагает весь процесс разработки проекта, а синтез – создание его варианта, необязательно окончательного. Синтез как задача может выполняться при проектировании многократно, сочетаясь при этом с решениями задач анализа.

Анализ и синтез часто рассматривают соответственно как прямую и обратную инженерную задачу. Анализ предназначен для ответа на вопрос: «Что будет, если…?» Синтез отвечает на вопрос: «Как поступить, чтобы…?»

1.3 Структура процесса проектирования?

Структурой обычно называют упорядоченное множество каких-либо элементов и отношений между ними. Структуру процесса проектирования принято рассматривать с точки зрения уровней и стадий проектирования [2].

Уровни проектирования предполагают разбиение сложной задачи на параллельно и последовательно решаемые более простые задачи. Различают следующие уровни:

1) системный, на котором решаются наиболее общие задачи, а результаты обычно представляются в виде структурных схем, планов, диаграмм и т.п. (например, схема технологического процесса);

2) макроуровень, на котором проектируются отдельные узлы машин, отдельные операции технологического процесса. В результате разрабатывается, например, сборочный чертеж, технологический маршрут;

3) микроуровень, на котором проектируются отдельные элементы объекта, детали, технологические переходы.

Стадии проектирования характеризуют процесс проектирования как развивающийся во времени. Различают следующие стадии:

1) стадия научно-исследовательских разработок (НИР), также называемая предпроектными исследованиями или стадией техничес-кого предложения;

2) стадия опытно-конструкторских разработок (ОКР), также называемая стадией эскизного проекта;

3) стадия технического проекта;

4) стадия рабочего проекта;

5) стадия испытаний.

Стадии проектирования подразделяют на составные части, называемые проектными процедурами. В свою очередь, проектные процедуры делят на более мелкие элементы, называемые проектными операциями.

Типичный алгоритм проектной процедуры показан на рисунке 1. Он носит выраженный итерационный характер.

Рисунок 1 — Типичный алгоритм проектной процедуры

Рассмотрим содержание основных проектных операций, выполняемых при технологическом проектировании.

В формулировку технического задания включают:

· комплект чертежей на новое изделие;

· программу выпуска изделия;

· срок запуска изделия в производство;

· организационно-технические условия, предусматривающие различные способы получения заготовок и учитывающие возможности приобретения комплектующих изделий, а также оборудования и оснастки на других предприятиях.

Структуру технологического процесса представляет маршрутное описание технологии изготовления изделия, т.е. совокупность взаимосвязанных и взаимообусловленных этапов обработки.

Модель технологического процесса включает его полное пооперационное описание.

На стадии параметрического синтеза производится расчет режимов резания, трудоемкости и материалоемкости операций, других технико-экономических показателей.

На стадии анализа производится сопоставление результатов проектирования с требованиями технического задания, отладка и корректировка структуры технологического процесса, уточнение его параметров, принятие оптимальных решений.

В результате проектной деятельности технолога должен быть получен комплекс отлаженных технологических процессов изготовле-ния всех деталей, сборочных узлов и машин в целом, оснащенный технологической документацией и средствами технологического оснащения, необходимыми для обеспечения заданного объема выпуска изделий с установленными технико-экономическими показа-телями.

Дата добавления: 2015-04-25 ; Просмотров: 777 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет