книги из ГПНТБ / Лоскутов В.И. Основы современной техники управления

в условиях случайных возмущений, системы НЦУ позволяют вести управление в динамическом режиме, с учетом решения задач пуска и останова технологических агрегатов.

Автоматизированные системы управления

Процессы управления значительно усложняются в усло­ виях функционирования больших систем. Полная автомати­ зация их, особенно на первых этапах внедрения, связана с непреодолимыми трудностями из-за большого количества объектов, а также из-за сложности образующихся при этом взаимосвязей.

Поэтому в настоящее время особое значение имеют автома­ тизированные системы управления.

Под автоматизированной системой управления понимается совокупность технических средств, математических методов, инструкций и форм организации сбора, передачи и обработки информации, позволяющей осуществлять наиболее рациональ­ ное ведение контролируемых процессов.

Автоматизированные системы управления строятся на ос­ нове информационных потоков, описывающих сущность и состояние контролируемых процессов. АСУ создаются с уче­ том некоторых общих закономерностей при их функциониро­ вании, что определяет соответствующее построение структур­ ных схем и организацию взаимосвязей между отдельными элементами управляемого комплекса и внешней средой.

Наличие единых информационных основ при построении АСУ различного назначения позволяет выработать общие ме­ тоды проектирования и создания таких систем.

Каждая из них определяется структурной схемой своего построения, информационными потоками между ее элемен­ тами и принятыми алгоритмами управления как для локаль­ ных объектов, так и для всего управляемого комплекса.

Как правило, большинство из них не имеют в целом адек­ ватного детерминированного математического описания, и по­ этому часть управляющих функций выполняет соответствую­ щий технический персонал. Этому способствует и отсутствие в ряде случаев полной информации о контролируемых про­ цессах и внешних возмущениях.

Наивыгоднейшее распределение функций между человеком и элементами автоматизированной системы управления осно­ вывается на анализе их свойств и особенностей: человек лучше машины решает задачи, не поддающиеся формализации и не имеющие полного набора исходной информации. Для решения

59

таких задач человек широко использует эвристические алго­ ритмы, обеспечивающие принятие сложных решений за счет использования сравнительно простых приемов. К числу суще­ ственных недостатков человеческого организма относятся: не­ большая скорость восприятия и переработки информации, низ­ кая помехоустойчивость, резкое снижение надежности при вы ­ полнении массовых однообразных операций.

Электронно-вычислительные машины, уступая человеку в гибкости и широте оценок возможных ситуаций, превосходят его в быстроте по переработке информации, по наличию не­ утомляемости, по четкому циклическому восприятию исход­ ных данных и других факторов при решении строго форма­ лизованных задач.

Оптимальное распределение функций управления между человеком и машинами в сложных системах определяется максимальным упрощением самой задачи и наилучшим при­ ближением ее к искомому результату. Достигается это за счет строго сформулированных критериев качества управления и обеспечения человека соответствующими данными для при­ нятия решения.

Проблему наиболее гармоничного сочетания функций че­ ловека и автоматической системы можно считать решенной только в том случае, когда участвующий в процессах управ­ ления персонал будет располагать информацией, позволяющей в любой ситуации выбирать наиболее рациональное решение. Постановка этой задачи требует своевременного и детального знания рабочего состояния всей системы и точного распре­ деления функций управления между автоматической частью и человеком. При этом приходится сталкиваться с факторами различной значимости по отношению к конечным результатам и учитывать тенденции при дальнейшем развитии процессов. В этом случае оценка принимаемого решения может осуще­ ствляться на основе выражения

основе определенного объема исходных данных, каждый ин­ формационный поток должен замыкаться на том уровне, где он используется.

60

Применение эвристических методов в условиях ручного управления основано на минимизации ветвей лабиринта, со­ ставляющего задачу. Это сокращает число возможных вари­ антов и позволяет осуществлять функции управления в усло­ виях недостаточности исходных данных. Особую ценность эти

Министерство

Мелкие предприятия

функции приобретают при резком отклонении функциониро­ вания системы от заданного режима.

Технические средства в АСУ состоят из рабочего, измери­ тельного, вводного, передающего, накопительного оборудова­ ния, а также из средств по переработке информации и средств отображения получаемых при этом результатов.

Все технические средства системы и остающийся в ней пер­ сонал связываются соответствующими информационными ка­ налами, образуя в своем составе единое целое для организации

61

3.

О НЕКОТОРЫХ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ АСПЕКТАХ СОЗДАНИЯ АСУ

Создание автоматизированных систем управления произво­ дится с учетом реализации взаимосвязанного круга управлен­ ческих задач, охватывающих различные стороны функциони­ рования управляемого комплекса.

Рассмотрим некоторую систему, функционирование кото­ рой определяется совокупностью протекающих в ней процес­ сов, наличием влияния окружающей среды и комплексом уп­ равляющих воздействий. Особенностью таких систем является их способность изменять свое состояние под воздействием как внешних возмущений, так и развивающихся внутренних яв ­ лений.

Природа системы может быть различной: инженерно-тех­ нической, экономической, социальной. Но во всех случаях в ней можно выделить управляющую часть, управляемый комплекс, наличие контрольно-измерительных и задающих устройств или методов учета и управления.

Сложная система состоит из отдельных функциональных объектов и локальных процессов, связанных между собой еди­ ной целенаправленностью для достижения всем комплексом определенных результатов.

Общий подход к проектированию и созданию таких систем обеспечивается единой формально-методологической базой ис­ следования объектов различной природы и последующего объединения их в единое целое. Характерной особенностью управляющих систем является их разнообразие, т. е. количе­ ство различимых состояний, которое система может прини­ мать под воздействием внешних возмущений или внутренних причин.

63

Управление сложной системой основано на отыскании оп­ тимума целевой функции для всего контролируемого комп­ лекса по отдельным показателям, учитывающим результаты функционирования локальных процессов и объектов.

Систему можно рассматривать как некоторое множество объектов, объединенных между собою присущими им атрибу­ тами (свойствами) и определенными взаимоотношениями. Оче­ видно, что в этом случае система 5 представляет некоторую совокупность из соответствующих проявлений входящих в нее реальных объектов.

В соответствии с этим систему 5 можно определить как отношение на х, т. е.

S CI Х\ X x<i X • • • X Xnj

где X обозначает декартово произведение множеств, а каждое ХІ представляет собой объект, обладающий проявлением неко­ торого свойства (атрибута).

Входящие в систему объекты можно расчленить на две са­ мостоятельные группы. Тогда предыдущее выражение можно представить в виде двух составляющих:

X = х-± X . . • X хт,

Объекты X являются входными, связанными со стимулами контролируемого явления (процесса). Объекты £Л представ­

щего воспроизведения исходной системы 5.

Для изучаемой системы большое значение имеет окружаю­ щая среда. Последняя представляет собой совокупность всех окружающих объектов, изменение свойств которых влияет на

Если система характеризуется п переменными, то ее со­ стояние определяется множеством п чисел, являющихся коор­ динатами как бы некоторого гипотетического пространства состояний.

Системы управления с применением ЭВМ обеспечивают ре­ шение взаимосвязанного круга управленческих задач, всесто-

64

ронне охватывающих различные стороны функционирования соответствующего объекта. Эффективность их использования обусловливается широким применением математических ме­ тодов, моделей и современных средств вычислительной тех­ ники. В правильно организованной системе процесс управле­ ния должен обеспечивать наилучший режим функционирова­ ния управляемого комплекса по установленному критерию оптимальности и заданным ограничениям. Наилучшее состоя­ ние системы, обеспечивающее достижение цели, достигается с помощью оптимизации, т. е. выбора на множестве M такого значения целевой функции f(x), которое удовлетворяло бы

оптимума f{x) на множестве M в ряде случаев является одной из точек экстремума этой функции на том же множестве. При наличии в одной точке глобального экстремума задача назы­ вается одиоэкстремалъной. Если же функция f(x) имеет на M более одной точки локальных минимумов, задача называется многоэкстремальной. Следует отметить, что оптимум течения процесса не всегда совпадает с экстремумом целевой функции \{х). В этом случае определение экстремума функции f(x) яв ­ ляется крайне затруднительным. Тогда задача оптимизации решается методом перебора возможных вариантов.

Рассмотрим одну из задач управления, построенную на процессе отыскания глобального минимума (максимума функ­

Решение экстремальной задачи сводится к нахождению глобального минимума f(x°) целевой функции f(x) на множе­ стве M, а следовательно, и к нахождению самой точки.

Функционирование реальных систем ограничивается об­ ластью пространства состояний как в части ее многомерности, гак и в части количественных значений, которые может при­ нимать каждая из контролируемых переменных. Эти области допустимых состояний являются неотъемлемым внутренним

65

свойством системы и определяются соответствующими огра­ ничениями при постановке задачи управления, исходя из ус­ ловий поведения системы.

Различают системы с непрерывным изменением своих со­ стояний и системы, состояние которых изменяется дискрет­ ным образом.

Для наглядности рабочий процесс управляемого объекта может быть представлен в геометрической форме.

Изобразим рабочий режим контролируемой системы в виде

гиперповерхность, характеризующая изменение значений Е от

66

и выходы, с помощью которых осуществляется контакт с воз­ действующими на них факторами и реализуется контроль за их состоянием. Из общего количества возможных исходов осо­ бое значение имеют лишь те, при которых достигается постав­ ленная цель управления.

Количество связей в управляемом комплексе может быть уменьшено за счет объединения его элементов в группы по однородным признакам и образования за счет этого соответ­ ствующих функциональных подсистем.

Управление состоит в активизации ряда протекающих внутри системы процессов для перевода ее в новое, более организованное состояние. Любой управляемый комплекс можно рассматривать как систему, на вход которой воздей­ ствует обобщенный вектор С (операнд). С помощью оператора перехода Т вектор С преобразуется на выходе в соответ­ ствующий образ Е, определяемый результирующим вектором выхода.

В качестве слагающих вектора С на входе объекта могут действовать некоторые регулярные возмущения, как, напри­ мер, производственные ресурсы (сырье, энергия, экономиче­ ские факторы), а также управляющие воздействия, обеспечи­ вающие течение внутренних процессов в наиболее благопри­ ятных для них режимах.

На выходе объекта получается обобщенный вектор в виде образа Е, с помощью которого осуществляется контроль за протекающими процессами.

Изменение состояний системы воспринимается как цепь преобразований, последовательно изменяющихся на выходе образов Е.

Учитывая, что исходный операнд С обеспечивает п повтор­ ных изменений в объекте, можно получаемые при этом ре­ зультаты записать в виде Г"(С) — у Е, где Т — оператор пере­ хода, определяемый протекающими внутри объекта процес­ сами и значением вектора Е, характеризующего выполнение установленной программы.

Процесс преобразований, определяемых указанным соот­ ношением, можно представить в виде схемы, показанной на рис. 17. На схеме обозначаются главным образом стационар­ ные процессы со строго определенным режимом. Такого рода

67

системы не испытывают дополнительных возмущении и не имеют в силу этого в своем составе регулирующих устройств. Управление такой системой может осуществляться за счет со­

щие на входы системы и на саму систему Т. Воздействие внешних факторов приводит к дезорганизации системы. Нару­ шаются соотношения операндов, изменяются операторы пере­ хода Т, а следовательно, нарушается и порядок совершаю­

мого объекта.

При г переменных и N возможных состояний связи между ними количество разнообразий возможных исходов опреде­ ляется показательной функцией вида

ЛМ<--1>.

Количество исходов в этом случае будет равно разнооб­ разию, которым располагает вектор состояний D и источник возмущений, дезорганизующий систему.

Управление должно противопоставить тенденциям к дезор­ ганизации со стороны вектора состояния D факторы упорядо-

68