Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции - Автоматизированные системы управления производством - файл Лекция5.doc


Лекции - Автоматизированные системы управления производством
скачать (590.3 kb.)

Доступные файлы (14):

АСУТП.doc21kb.24.02.2004 10:28скачать
лекции, окон. вар..doc935kb.03.10.2003 13:29скачать
Лекция1.doc89kb.08.12.2002 18:12скачать
Лекция2.doc263kb.11.12.2002 19:19скачать
Лекция3.doc124kb.08.12.2002 18:14скачать
Лекция4.doc119kb.08.12.2002 18:15скачать
Лекция5.doc177kb.08.12.2002 18:16скачать
Лекция6.doc201kb.11.12.2002 19:24скачать
Лекция7.doc137kb.11.12.2002 07:08скачать
Практика1.doc114kb.13.12.2002 14:48скачать
Практика2.doc139kb.14.12.2002 01:20скачать
Практика3.doc297kb.29.12.2002 17:53скачать
Практика4.doc111kb.28.12.2002 00:26скачать
Практика5.doc164kb.22.01.2003 00:49скачать

Лекция5.doc


Лекции по дисциплине «АСУП» лекция 5 страница

Лекция 5

5.1. Формализация управления


В лекциях нас будет интересовать формализм необходимый для управления. Термин “управление" применяется в самом широком смысле: как совокупность действий, направленных на достижение поставленных целей. В лекциях будем рассматривать лишь формальные стороны управ­ления, позволяющие решать задачи управления сложным объектом с помощью ЭВМ.

В настоящее время разработаны многочисленные эффективные формальные методы синтеза управления, опиравшиеся как на определенные математические модели, так и на неформальные методы решения задач, реализуемые экспертами. Сочетание этих двух методов, формального и неформального, позволяет решать сложнейшие задачи управления и обра­зует основу для управления сложными объектами. Именно это обстоятельство характеризует процессы управления сложными объектами и представляет собой основной аспект данных лекций. Экспертный подход проявляется в большей мере на первых этапах управления, а формальный - на последующих.

Что такое управление? Едва ли целесообразно в настоящее время, вводить строгое определение понятия управления. Дело в том, что эта область знаний (теории и практики управления) со времени выхода книги Н. Винера о кибернетике настолько бурно развивается, что само понятие - управления претерпевает неизбежные изменения, отражающегося новые аспекты, как в теоретическом, так и в прикладном плане.

Американского математика Норберта Винера (1894-1964) по праву считают создателем кибернетики. Он назвал ее "наукой об управлении связи в животном и машине". Однако это определение уже не полно. Действительно, сейчас проблема связи вышла за рамки кибернетики. Изменяется, и область применения - она распространяется и на общество. Мало кого устроит управление вообще: нужно в определенном смысле наилучшее, оптимальное управление (ради достижения этой оптимальности и создается наука управления). Поэтому сейчас под кибернетикой понима­ют науку об оптимальном управлении сложными динамическими системами, подразумевая и машину и общество.

Под управлением будем понимать процесс организации такого целенаправленного воздействия на объект, в результате которого объект переходит в требуемое (целевое) состояние. В этом определении, как во всяком другом, одно понятие подменяется другим. Это прежде всего понятие "объект", "цель", "воздействие", "состояние". Хотя указанные понятия интуитивно очевидны и понимаются всеми примерно одинаково, они все же нуждаются в пояснении.

Объектом управления будем называть ту часть окружающего мира состояние которой нас интересует и на которую мы можем воздействовать целенаправленно, т.е. управлять ею. Обозначим буквой Y воздействие среды на объект (вход объекта), а буквой X-состояние объекта (выход). На рис.В.1.1 показано взаимодействие объекта со средой.


объект


У


Х


Среда


Среда









Рис. 1
В виде формулы это можно представить :

X = F0(Y),

где F0 обозначает связь между входами и выходами объекта. Эту связь в математике для статических объектов называют функцией, а для динамических – оператором.

В общем случае F0 -оператор.

Говоря о причинах управления, следует помнить, известное правило криминалистов при расследовании преступления "Ищите, кому это выгодно”. Применяя это правило к управлению, мы приходим к субъекту; только ему нужно и выгодно управление. (Рис.2)



Рис.2.
Если состояние X объекта удовлетворяет потребностям субъекта, взаимодействующим с этим объектом и использующим его для своих целей то никакого управления ему не нужно.

Обозначим цель субъекта Z* (звездочкой будем обозначать все желаемое). Эта цель по сути дела определяет, каким должен быть объект с точки зрения субъекта. Проверить выполнение цели Z* в объекте можно только по его состоянию X

Z = Ψ(Х).


В частном случае может оказаться, что Z = X, т.е. субъект формулирует свои цели на языке состояний объекта.

Очевидно, что равенство
^

Z = Z *


свидетельствует о том, что состояние объекта удовлетворяет целям субъекта:

если же

Z ≠ Z*;


то цели субъекта не реализованы в этом объекте. Это последнее обстоятельство заставляет субъект решать дилемму: либо смириться с Z и в результате терпеть ущерб, либо создать систему управления, которая реализовала бы его цели Z* в объекте, но при этом затратить определенные средства на её создание и эксплуатацию (здесь под системой управления понимают все мероприятия, связанные с выработкой и реализацией управления).

Обозначим буквой U это управление. Очевидно, что теперь состояние объекта управления X зависит от двух факторов – состояния среды (Y) и состояния управления (U):

X = F0(Y,U);


F0 – по прежнему оператор объекта, но теперь он учитывает еще и управление.

Теперь уже можно говорить о создании системы управления, под которой будем понимать все необходимые алгоритмы обработки информации и средства их реализации, объединенные для достижения заданных целей управления в объекте.
^

5.2. Система управления


Знание действия зависит от знания

причины и заключает в себе последнее.

Б. Спиноза.
Схема системы управления показана на рис.3.




Рис.3.
Здесь Дx и Ду - датчики с помощью которых измеряется состояние объекта и среды соответственно. Результаты измерения
^

Хd=Дх(Х); Yd=Ду(Y),


где Дх и Ду – операторы этих датчиков, являются исходной информацией для управляющего устройства (УУ), которое вырабатывает управляющее воздействие U.

Эти формулы выражают очевидную связь между состоянием (среды или объекта) и информацией об этом состоянии. А это далеко не одно и тоже. Разницу легко увидит тот, кто попытается ознакомиться с состоянием Черного моря по информации содержащейся в фотографиях и рассказах. В этом случае, У - действительное состояние Черного моря, Yd - рассказы о нем.

Таким образом, в основе процесса управления лежит информация о сложившейся ситуации:
^

I=< Хd,Yd>,


хотя она всегда является неполной. Эта неполнота, прежде всего, связана с ограниченными возможностями всякой системы сбора информации I и необходимостью "платы" за эту информацию. А при ограниченных ресурсах, выделяемых обычно на управление, указанное обстоятельство приводит к постоянному дефициту информации о поведении среды и объекта.

Сказанное заставляет образовать еще один вход объекта - ненаблюдаемое возмущение Е, под которым подразумеваются все наблюдаемые внешние и внутренние факторы объекта, влияющие на его состояние X т.е. Х= F (Y,U,E) что уточняет.

Заметим, что управляющее воздействие (команда, вырабатываемая УУ) U представляет собой информацию о том, в какое положение должны быть приведены управляемые входы объекта U. «Отработка» этой команды осуществляется исполнительным механизмом (ИМ), который и изменяет состояние управляемого входа объекта U0.

Для целенаправленного функционирования управляющего устройства ему кроме информации
^

I = <Xd ,Yd>


необходимо сообщить цель Z* управления, т.е. к чему ему следует стремиться в процессе управления, и алгоритм управления φ, т.е. указания как добиться этой цели.

Итак, введены очень важные понятия: цель и алгоритм. Если понятие цели интуитивно ясно – это то, к чему мы стремимся, то понятие алгоритма нуждается в пояснении. Под алгоритмом в данном случае мы понимаем четкое недвусмысленное правило, инструкцию, указание, что и как следует делать, чтобы добиться заданной цели Z* в сложившейся ситуации I.

Например, любая инструкция по применению состава агломерационной шихты является алгоритмом, так как она указывает, в каких случаях I следует, а в каких не следует применять тот или иной компонент. Целью Z* здесь является выпуск агломерата определенного качества, а управлением U – дозировка состава шихты. Но инструкция “иди туда не зная куда…” не может быть названа алгоритмом, хотя и имеет его структуру.

Теперь, располагая информацией о состоянии среды, объекта и цели, можно представить управление U как результат работы алгоритма:

U = φ(I,Z*),


где φ - алгоритм управления. Он представляет собой оператор φ = φ (.. , ..), перерабатывающий информацию о среде, объекте и цели в управление U, реализация которого U0 должна переводить объект в требуемое состояние Z*.

Таким образом, основными факторами всякого управления, которые присущи любой системе управления объектом, являются:

  1. цель управления (Z*);

  2. информация о состоянии объекта и среды (I);

  3. воздействие на объект, т.е. собственно управление (U);

  4. алгоритм управления (φ).

Все трудности управления определяются сложностью объекта, попробуем разобраться в простых и сложных объектах.
^

5.3. Характеристики сложных объектов управления


Интуитивное представление о сложном объекте довольно точно соответствует тому понятию которое используется в теории управления.

Рассмотрим основные:

1. Отсутствие математического описания и необходимость в нем является обязательной чертой сложного объекта управления. Под математическим описанием подразумевается наличие алгоритма вычисления состояния Х объекта, под наблюдением его входов - управляемого U и неуправляемого, но наблюдаемого У (с этой точки зрения космическая ракета не является сложной системой, так как ее движение описывается уравнениями классической механики (законами Ньютона), которые легко составить и решить, коль скоро известны параметры ракеты и среды). Муравья следует отнести к сложной системе, т.к. поведение его не описывается математически.

Простые объекты управления могут тоже не иметь математического описания. Так, для управления температурой в комнате совершенно не обязательно знать, какова математическая зависимость между температурой нагревателя и температурой в этой комнате. Однако, если простыми объектами можно управлять без их математической модели, то сложными нельзя.

2. Стохастичность (случайность, вероятность) поведения сложных объектов управления является также очень важной чертой, характеризующей трудности процессов анализа и управления ими. Стохастический процесс – процесс, характер изменения во времени которого предсказать невозможно.

3. "Нетерпимость” к управлению является, пожалуй, самой досадной чертой сложного объекта управления, затрудняющей управление им. Особенно наглядно это обстоятельство проявляется в активных объектах, содержащих в себе людей или их коллективы (например, когда объектами управления являются технологический участок, цех или завод). Здесь трудно рассчитывать на то, что собственные цели такого сложного объекта совпадают с целями управления. Скорее они будут в чем-то противоречить друг другу. Это и вызывает негативную реакцию сложного объекта на управление, если цель управления не согласована с его собственной целью.

4. Нестационарность сложного объекта управления. Эта черта проявля­ется в дрейфе характеристик объекта, в "уплывании" его параметров, т.е. в эволюции объекта во времени. Чем сложнее объект, тем быстрее он меняется. В обыденной жизни с этим процессом мы сталкиваемся, наблю­дая амортизацию (старения) оборудования. Стан, автомобиль,ЭВМ стареют быстрее, чем молоток.

5. Невоспроизводимость экспериментов. Проявляется эта черта в различной реакции объекта, на одну и ту же ситуацию или управление в различные моменты времени. Сложный объект все время как бы перестает быть самим собой, т.е. постоянно меняется.

Все эти обстоятельства приводят к тому, что цель управления таким объектом в полной мере никогда не достигается.

Эффективным способом борьбы с перечисленными свойствами сложного объекта управления является экстраполяция поведения системы, т.е. выяснение направления ее эволюции. В этом случае управление U производится с упреждением, с учетом замеченного изменения объекта. Другой способ состоит в сокращении цикла управления, чтобы за время синтеза управления объект сильно не изменился.

Производственные процессы являются, как правило, сложными объектами управления. Специализация труда, связанная с реализацией функций управления и направленных на обеспечение функционирования отдельных частей системы управления приводит к выделению сфер управленческой деятельности.
Таблица 1

Взаимосвязи между функциями управления и сферами управленческой деятельности



Функции

управления



Сфера управленческой деятельности

Средство воздействия на управляемую систему

Организация технологического процесса

Организация снабженческо-бытовой деятельности

План и нормативные материалы

Команды


Планирование

Учет и контроль

Анализ
Регулирование


+
+
+
+


+
+
+
+


+


+


Примечание: плюс означает, что та или иная функция управления присуща определенной его сфере и имеет свои средства воздействия на управля­емую систему.

Функции управления являются неизменными вне зависимости от специфики производства. В отличие от них, сферы управленческой деятель­ности могут изменяться во времени и различаться в зависимости от отраслевой специфики и ряда других факторов.

Управление производством следует рассматривать как процесс при­нятия и выполнения решений, целенаправленно воздействующих на трудо­вую деятельность людей. АСУ позволяет основывать этот процесс на экономических предпосылках, создающих возможности более действенной реализации функций управления при использовании экономико-математи­ческих методов и современных технических средств.

Определим формализованную постановку задачи управления.

С
истема принятия решений состоит из процессора и реализатора (рис.4).
рис.4.
Системе задано множество задач управления γ. Процессор реализует отображение (на основе φ алгоритмов)
^

φ: γ → U*.


Реализатор представляет собой отображение:

ψ : γ : U*→U


Здесь γ – входная информация (I=<X,Y>,Z); U* - выход машинной части (план, нормативные параметры, рекомендации, исходные данные для принятия решений); U - выход реализатора (команда; решение, принятое оперативным персоналом).

Алгоритм функционирования системы принятия решений (СПР) обозначим как
^

U= ψ (γ,U*)= ψ ( γ, φ (γ))=S(γ).


Для синтеза U* (решение задачи В) необходимо иметь модель управляемого объекта

X=F(Y,U*).

5.4. Этапы управления сложным объектом


Управление сложным объектом состоит из следующих этапов (рис.5)




Рис.5. Этапы управления сложным объектом


I. Формулировка целей управления Z*. На этом этапе определяются цели, которые должны быть реализованы в процессе управления. Слово "цель" здесь используется в смысле "модели будущего", т.е. некоторого предполагаемого состояния объекта, которое желательно субъекту (пот­ребителю) и которое в определенном смысле "неестественно", т.е. не реализуется естественным образом без вмешательства из вне, без управления. Так, поддерживать температуру t в помещении на необходи­мом уровне t* независимо от состояния погоды можно только с помощь управления, следовательно, цель управления может быть сформулирована следующим образом:
^

Z: t = t* = const;


2. Определение объекта управления. Этот этап связан с выделением той части среды потребителя, состояние которой его интересует в связи с реализацией сформированных им целей.

Последующие три этапа управления связаны с созданием модели объекта управления, которая нужна для синтеза управления. Только с помощью модели объекта можно построить управление U, переводящее сложный объект в требуемое (целевое) состояние Z*.
Под моделью объекта управления будем понимать зависимость F , связывающую состояние Х объекта с его входами - неуправляемым У и управляемым U :

X=F(Y,U);


В отличие от оператора F0 , который неизвестен, модель представляет собой высказывание относительно связи между входами У и U модели и ее выходом на любом удобном языке. Процесс синтеза модели объекта обычно происходит в три этапа.

3. Структурный синтез модели. На этом этапе определяется вид зависи­мости F без учета знаний ее параметров. Приведем условно следующую операцию: "расщепим" модель на ее структуру St и параметры C1..Сk, т.е. представим модель в виде пары:
^

F=<St, C>;


где С=(С1,…,Сk) - вектор параметров модели.

Под структурой в общем случае принято понимать вид элементов, из которых состоит объект, и отношений между элементами. Описывать структуру удобнее всего графом, вершины которого - элементы объекта, а дуги - отношения, в которые вступают элементы объекта.

Структура объекта управления может быть различной в зависимости от целей управления. Проиллюстрируем эту мысль на следующем примере, один и тот же объект - завод, имеет различную структуру в зависимости от целей управления. Так с точки зрения целей министерства завод является преобразователем выделяемых фондов (денежных и материальных) в готовую продукцию...

Существует много разнообразных структур моделей объекта управления. Линейность, статичность, детерминированость (определенность, обусловленность), дискретность (прерывность) и т.д. являются структурными категориями. Например, линейная статическая непрерывная детерминированная структура объекта однозначно определяет следующий вид для F :
^

X = F(Y,U) = C0+C1*Y+C2*U;


где конкретные значения параметров C0, C1, C2 пока не важны, важен лишь вид зависимости F , т.е. линейность структуры St.

Таким образом, на этапе структурного синтеза определяется лишь вид и характер модели F, а ее параметры С определяются на последующих двух этапах управления.

4. Идентификация параметров модели объекта связана с определением численных значений параметров С = (С1,…,Сk) в режиме нормального функционирования, т.е. без организации специальных управляющих воз­действий на объект (пассивная идентификация). Исходной информацией для идентификации являются структура St и наблюдения за поведением входа Y(t) и выхода X(t) объекта при его взаимодействии со средой. Таким образом, пара
^

I(t) = <X(t), Y(t)>;


является в общем случае основным источником информации при идентифи­кации. Искусство идентификации - это искусство пассивного наблюдения.

Как легко заметить, информация позволяет определить зависимость состояния объекта лишь от входа У: X = F(Y), которая отличается от искомой модели. Для выяснения зависимости выхода объекта от управляемых входов необходимо преднамеренно их изме­нять, т.е. "поэкспериментировать" с объектом. Эксперимент, которого нельзя избежать следует проводить, минимально возмущая объект, но так, чтобы получить при этом максимальную информацию о влиянии варьируемых параметров на выход объекта. Этому служит следующий этап - планирова­ние экспериментов.

5. Планирование экспериментов. На этом этапе главным является синтез плана эксперимента, позволяющего с максимальной эффективностью опреде­лить параметры модели объекта управления.

6. Синтез управления. Этот этап связан с принятием решения о том, каково должно быть управление U, чтобы достигнуть заданной цели Z* управления объектом. Это решение опирается на имеющуюся модель F объек­та, заданную цель Z*, полученную информацию о состоянии среды У и вы­деленный ресурс управления R, который чаще всего представляет собой ограничения, накладываемые на управление U в связи со спецификой объек­та и возможностями системы управления (временными, энергетическими, материальными и т.д.). В общем случае управление представляет собой программу изменения управляемых параметров во времени, т.е.

U* = U*(t);


7. Реализация управления связана с реализацией. Этот процесс не вызывает затруднений, если сведения о состоянии среды Y, объекта X и его модели F были достоверны. Однако к моменту реализации все могло измениться. Для учета такого рода изменений требуется соответствующая коррекция управления U в процессе его реализации. Если объект активный, т.е., содержит людей, цели которых могут не совпадать с целями управле­ния, то в процессе реализации управления следует учитывать это обстоя­тельство. В этом случае, очевидно, не удастся в полной мере достичь поставленных целей, но следует действовать так, чтобы отклонение от них было минимальным (см. стрелку 1 на рис.5).

Поэтому план оптимального управления U*(t) и его реализация часто отличаются так же, как благие намерения в жизни от их осуществления. Реализовать управление часто бывает труднее, чем синтезировать.

Например, планы всех оптимальных диет для похудания нарушаются потому, что они требуют реализации, т.е. каких-то ограничений в еде, что прос­то невыносимо для толстяков.

8. Коррекция. Этот этап обусловлен спецификой сложного объекта управ­ления и заключается в возвращении к одному из предыдущих этапов управ­ления (см. стрелку 2-5 на рис.5). Простейшая коррекция связана с подстройкой параметров С модели. Такого рода коррекцию обычно называют адаптацией модели. Иногда может оказаться, что оптимальное управление U*(t) не обеспечивает необходимой вариабельности (разнообразия) управ­ляемого входа объекта для эффективной последующей коррекции параметров модели С. Тогда приходится обращаться к планированию экспериментов в процессе управления им путем добавления специальных типовых сигналов к управлению (см. стрелку 2). Такое управление называют дуаль­ным, т.е. двойственным, так как его задачей является не только дости­жение целей управления, но и коррекция параметров модели объекта.

Однако коррекция параметров С модели может оказаться недостаточно, если изменилась структура объекта. Поэтому время от времени необходима коррекция структуры модели S(t).

Далее коррекция может коснуться самого объекта, точнее, границы раздела объекта и среды. Это бывает необходимо при значительном изме­нении (эволюции) объекта и окружающей среды, и последнее… Созданная система управления по ряду причин может не реализовать все исходное множество целей управления Z*. Которые породили эту систему, или реализовать их недостаточно эффективно. Тогда возникает необходимость коррекции целей управления, которая заключается в определении нового множества целей, достигаемых с помощью этой системы управления.

Реализация указанных мер и образует адаптивную систему управле­ния, которая приспосабливается к изменяющимся свойствам среды, объекта и потребностям потребителя. Система управления как бы эволюционирует вместе с объектом и средой.

Очевидно, что не все описанные выше восемь этапов управления всегда присутствуют при синтезе системы управления.





Скачать файл (590.3 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации