книги / Теоретические основы автоматизированного управления

Рис. 1.3. Цикл управления

пригодна для ручного, автоматического и автоматизированного управления.

Хорошо известны системы автоматического управления, работающие без участия человека. В основе автоматического управления лежит управление отдельными объектами на базе заданных алгорит­ мов, реализуемое техническими средствами. Используется три прин­ ципа управления: разомкнутое, замкнутое (обратная связь), компен­ сация возмущений.

По мере развития автоматического управления определились его основные направления: автоматическое регулирование (стабилиза­ ция), программное управление, следящие системы, экстремальное регулирование, поисковые системы, оптимальное управление, само­ настраивающиеся системы.

Однако внедрение автоматических систем управления не позво­ лило исключить человека из контура управления, а тенденции разви­ тия общественного производства, наоборот, усложнили функции, выполняемые им. Эти причины, а также появление ЭВМ способство­ вали бурному развитию автоматизированного управления, отличи­ тельными чертами которого являются автоматизация комплексов процессов или объектов, включение человека в контур управления, информационный и вероятностный подход к процессу управления, использование ЭВМ как основного технического средства, реали­ зующего функции управления.

Схема, приведенная на рис. 1.3, позволяет точнее определить по­ нятие «автоматизированная система» как систему, в которой хотя бы на одном этапе цикла управления используются компьютеры и тех­ нические средства.

Очевидно, что могут быть выделены разные уровни автоматиза­ ции (режимы работы). Наиболее известны информационно-поиско­ вый (рис. 1.4) и информационно-советующий режимы (рис. 1.5).

и

бочных решений. Ошибки оказываются тем масштабнее, чем выше уровень иерархии принятия решений.

4. Для исправления последствий ошибочных решений могут по­ надобиться дополнительные ресурсы и время.

Рыночные отношения связаны следующими особенностями:

• серийностью выпуска (производства) продукции при ее инди­ видуализации в зависимости от запросов потребителей;

•ростом требований к качеству продукции;

•потребностью в создании конкурентоспособной продукции за счет сокращения производственного цикла.

Перечисленные особенности повышают требования к качеству управления.

Улучшить качество управления возможно двумя путями:

•экстенсивным (увеличением численности работающих) — воз­ можности этого пути ограничены как возможностями человека, так и конечным количеством трудовых ресурсов;

•интенсивным — широким использованием в управлении вы­ числительной техники и созданием автоматизированных, челове­ ко-машинных систем управления. Место человека в таких системах определим позднее.

Последние исследования (компании Garter и Standish Group) пока­ зывают, что автоматизация позволяет сократить потребность в мате­ риалах и денежных средствах на 30 %, увеличить прибыль на 5...10 %, сократить время обслуживания клиентов на 20 %.

В то же время успехами во внедрении АСУ могут похвастаться лишь 16 % компаний, причем 53 % из них потратили денег и времени в 1,9 раза больше, чем первоначально планировали, а 31 % проектов провалился. Основная причина неудач — недостаточно умелое про­ ведение автоматизации.

Таким образом, интенсивный путь имеет большие перспективы. Однако для его использования требуется более детально изучить про­ цесс управления.

1.2. ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ

Важнейшими аспектами автоматизированного управления явля­ ются:

•главенствующая роль информации в процессе управления;

•иерархический характер процесса управления;

• системный подход к процессу построения автоматизированных систем.

Все виды деятельности человека по преобразованию природы и общества сопровождались получением новой информации. Логиче­ ская информация, адекватно отображающая объективные законо­ мерности природы, общества и мышления, получила название науч­ ной информации. Ее делят по областям получения или использова­ ния на следующие виды: политическую, техническую, биологиче­ скую, химическую, физическую и т. д.; по назначению — на массовую и специальную. Часть информации, которая занесена на бумажный носитель, получила название документальной. Любое производство при функционировании требует перемещения доку­ ментов, т. е. возникает документооборот. Наряду с научной информа­ цией в сфере техники при решении производственных задач исполь­ зуется техническая информация. Она сопровождает разработку но­ вых изделий, материалов, конструкций, агрегатов, технологических процессов. Научную и техническую информацию объединяют терми­ ном «научно-техническая информация».

Верхним уровнем информации как результата отражения окру­ жающей действительности (результата мышления) являются знания. Знания возникают как итог теоретической и практической деятель­ ности. Информация в виде знаний отличается высокой структуриза­ цией. Это позволяет выделить полезную информацию при анализе окружающих нас физических, химических и прочих процессов и яв­ лений. На основе структуризации информации формируется инфор­ мационная модель объекта. По мере развития общества информация как совокупность научно-технических данных и знаний превращает­ ся в базу системы информационного обслуживания научно-техниче­ ской деятельности общества.

При анализе процесса управления ввиду сложности объекта про­ изводят его расчленение на части по различным признакам. Одним из главных признаков является вид иерархии. Характерны следующие виды иерархии: временная, пространственная, функциональная, си­ туационная и информационная. Следует отметить, что деление ка­ кой-либо системы на части не может быть однозначным, так как вы­ деление границ между частями всегда является в какой-либо мере субъективным. Выбор того или иного принципа выделения состав­ ных частей должен удовлетворять следующим основным условиям: обеспечивать их максимальную автономность, учитывать необходи­ мость координации их действий для достижения общей цели функ­ ционирования, а также совместимость отдельных частей.

Временная иерархия. Признаком деления здесь является интервал времени от момента поступления информации о состоянии объекта управления до выдачи управляющего воздействия. Чем больше ин­ тервал, тем выше уровень (ранг) элемента. Управление может осуще­ ствляться в реальном времени, с интервалом сутки, декада, месяц, квартал и т. д. Причем управляющий интервал выбирается не произ­ вольно, а исходя из критериев, определяющих устойчивость и эффек­ тивность функционирования всей системы.

Пространственная иерархия. Признаком деления здесь является площадь, занимаемая объектом управления. Чем больше площадь объекта, тем выше его ранг. Данный признак — субъективный, так как не всегда площадь, занимаемая объектом, соответствует его зна­ чимости, и его можно использовать в случае аналогичности парамет­ ров элементов одного уровня.

Функциональная иерархия. В основе лежит функциональная зави­ симость (подчиненность) элементов системы. Такое разделение так­ же является субъективным, так как в этом случае трудно выделить границы между элементами системы.

Ситуационная иерархия. Деление на уровни в данном случае про­ изводится в зависимости от эффекта, вызываемого той или иной си­ туацией, например от ущерба, возникающего в результате аварии или выхода из строя оборудования.

Информационная иерархия. В настоящее время этот вид иерархии является очень существенным в связи с возросшим значением ин­ формации для управления. В основе деления на уровни лежат опера­ тивность и обновляемость информации. Именно через эти характе­ ристики прослеживается иерархия информации по уровням управле­ ния предприятием.

На первом уровне хранится и обрабатывается повторяющаяся, часто обновляющаяся информация, необходимая для повседневной деятельности, т.е. для оперативного управления. Следующий уровень составляет информация более обобщенная, чем оперативная, и ис­ пользуемая не так часто. Информация группируется по функцио­ нальным областям и применяется для поддержки принятия решения по управлению производством. На верхнем уровне хранится и обра­ батывается стратегическая информация для долгосрочного планиро­ вания. Для нее характерны высокая степень обобщенности, неповторяемость, непредсказуемость и редкое использование.

В общем виде функциональная модель процесса управления представлена на рис. 1.6. Учет информации об объекте управления состоит в регистрации, классификации и идентификации. На основе разнообразных математических моделей, описывающих реальное и

Рис 1.6. Функциональная модель системы управления

требуемое состояние объекта, и критериев оптимальности анализи­ руют информацию о состоянии объекта управления. Окончательную модель прогнозируемого состояния объекта управления формируют в виде плана. Возникающие за счет внешних воздействий отклонения от плана корректируют путем сравнения учетной и плановой инфор­ мации, нового анализа и формирования управляющих воздействий (регулирования).

В большинстве случаев при информационном анализе процесса управления обычно рассматривают пассивную форму проявления информации, отражающую свойства внешней среды, объекта управ­ ления и самой управляющей системы. Однако не менее важное значе­ ние имеет и активная форма информации, являющаяся причиной из­ менения состояния управляемого объекта.

Принято выделять следующие качественно различимые формы проявления информации: осведомляющую /ос, преобразующую /п, принятия решения 1пр и управляющую /у.

К осведомляющей относят информацию о состоянии внешней среды, объекта управления и управляющей системы. Преобразующая включает информацию, содержащуюся в алгоритмах управления. Информация принятия решения является отражением образов и це­ лей на конечное множество принимаемых решений. Управляющая информация вызывает целенаправленное изменение состояния объ­ екта управления.

В любой системе управления можно выделить два информацион­ ных канала: целевой и рабочий. В целевом канале на основе инфор­ мационных процессов происходит выбор цели и принятие решения по выбору управляющего воздействия. В рабочем канале формирует­ ся информация, реализуемая исполнительным органом, осуществ­ ляющим целенаправленное изменение состояния объекта управле­

используемых моделей проектирования и закрытость создаваемых автоматизированных систем.

Следствием недостатков классических методов проектирования стал переход к системному проектированию.

Системный подход оперирует рядом категориальных понятий. Фундаментальным понятием системного подхода является понятие системы, при определении которой необходимо преследовать кон­ кретную цель. Если целью является познание уже существующей сис­ темы, то вполне пригодным оказывается ее дескриптивное определе­ ние, которое заключается в следующем: система — это совокупность объектов, свойства которой определяются отношением между этими объектами [45]. Объекты называют подсистемами или элементами системы. Каждый объект при самостоятельном исследовании может рассматриваться как система. Функции объекта определяются внут­ ренним устройством объекта. Таким образом, дескриптивное опреде­ ление системы играет познавательную роль для объяснения функ­ ций, реализуемых системой. Функции системы проявляются в про­ цессе взаимодействия ее с внешней средой. При этом важно опреде­ лить границу между внешней средой и создаваемой системой на основе конструктивного определения системы. Для технических сис­ тем особое значение имеет конструктивный подход. Любая техниче­ ская система создается под заранее известную цель. Цель такой систе­ мы обычно является субъективной, поскольку она предлагается раз­ работчиком, но эта цель должна исходить из объективных потребно­ стей общества. Таким образом, можно считать, что цель формируется в процессе взаимодействия между явлениями окружающей действи­ тельности. При этом возникает ситуация, которая заставляет строить новую систему. Ситуация может стать проблемной, если она не разре­ шается имеющимися средствами и приводит к необходимости созда­ ния новых недостающих средств.

Все, что не вошло в состав системы, относят к окружающей среде. Очевидно, что окружающая среда включает в себя другие системы, которые реализуют свои цели функционирования. Входы и выходы системы связаны с внешней средой. На модельном уровне выделяют модель системы, модель внешней среды на входе системы, модель внешней среды на выходе системы и модели связей между системой и внешней средой на входе и выходе.

Дескриптивный подход реализуется путем изучения функции либо структуры системы. В соответствии с этим в теории систем полу­ чили применение функциональный и структурный подходы.

Учитывая, что структура отображает связи между элементами системы с учетом их взаимодействия в пространстве и во времени,

можно утверждать, что структурный подход есть развитие дескрип­ тивного подхода. Он служит для изучения (познавания) какой-то су­ ществующей системы. Функциональный подход отображает функции системы, реализуемые в соответствии с поставленной перед ней це­ лью. Поэтому функциональный подход есть развитие конструктив­ ного. Функции системы должны быть заданы при ее построении и должны реализовываться при функционировании системы.

Структура системы описывается на концептуальном, логическом и физическом уровнях. Концептуальный уровень позволяет качест­ венно определить основные подсистемы, элементы и связи между ними. На логическом уровне могут быть сформированы модели, опи­ сывающие структуру отдельных подсистем и взаимодействия между ними. Физический уровень означает реализацию структуры на из­ вестных программно-аппаратных средствах. Так как техническая система создается искусственно, цель ее функционирования заранее субъективно известна. Можно считать, что этой цели соответствуют определенный перечень функций и некоторая оптимальная структу­ ра системы. Такая структура получила название формальной. Под ней понимают совокупность функциональных элементов и отношений между ними, необходимых и достаточных для достижения системой заданной цели. Формальная структура есть некоторая идеальная, не имеющая физического наполнения. Эта структура реализуется раз­ личными средствами, поэтому формальной структуре может соответ­ ствовать ряд материальных как реальных наполнений формальной структуры. Внешняя среда, взаимодействуя с информационной тех­ нологией как с системой, может выступать как метасистема, ставя пе­ ред ней определенные задачи и формулируя цели. Внедрение инфор­ мационных технологий в жизнь общества за конечный временнбй интервал будет иметь эффект, если будут типизированы системы, в которые внедряются информационные технологии, и определены типовые структуры информационной технологии. В зависимости от системы, в которую внедряются информационные технологии, воз­ можно различное пространственное распределение пользователей и средств информационной технологии. Разным может быть и ком­ плекс решаемых задач. Характер и временнбй интервал реализации целей автоматизированного управления также зависят от того, в ка­ кой области оно используется, т.е. в промышленности, научных ис­ следованиях, проектировании, обучении и т. д. Весьма важно согла­ сование структуры информационных технологий с организационной структурой той системы, в которой она используется.