МОДЕЛИ И МЕТОДЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ

Опыт, накопленный при разработке АСУ в нашей стране, свидетельствует о том, что двух одинаковых объектов нет и быть не может. Искусственная привязка проектных решений, принятых для одного объекта, к другому уже неэффективна и по затратам может быть сопоставима с самостоятельной разработкой

Структурная схема технологического процесса изготовления видеоконтрольного устройства (ВКУ)

Рис. 4.2. Структурная схема технологического процесса изготовления видеоконтрольного устройства (ВКУ)

Здесь: % j - совокупность параметров комплектующих элементов;

X 2 - совокупность контролируемых параметров модулей ВКУ и показателей надёжности собранного прибора до регулировки;

X 3 - совокупность показателей надёжности готового ВКУ после регулировки;

- вектор выходных показателей надёжности после испытаний;

Z1 , Z 2 , Z 3 - векторы неконтролируемых возмущений, воздействующих на технологические операции, соответственно, сборки, регулировки и испытаний, например, неконтролируемые параметры технологического оборудования, внешней среды;

U Т, U 2 , U 3 - векторы контролируемых воздействий на технологические операции сборки, регулировки испытаний, например, подаваемые напряжения, токи.

Поэтому в работах по проектированию необходимо ориентироваться на разработку системы управления для конкретного объекта, а не на модернизацию объекта для конкретной системы управления (СУ) [4.4,4.6].

На рисунке показан пример определения контрольных точек и контролируемых параметров по ходу ведения технологического процесса

(YT ’TJ ,ТТ).

Информация, собранная в течение заданного времени, используется для построения математической модели в виде уравнения или системы уравнений регрессии.

Система управления технологическим процессом (СУТП) представляет собой человеко-машинный комплекс, причём функции человека- оператора в этой системе жёстко регламентированы. Это приводит к регламентации организационных правил, определяющих деятельность человека в данной системе.

Рассмотрим общую схему контура управления ТП (рис. 4.3).

Одним из элементов схемы является объект управления. В данном случае под объектом управления понимается технологический процесс, гечение которого должно удовлетворять некоторым требованиям. Одни из этих требований являются ограничениями, а другие - критериями эффективности, однако с течением времени они могут меняться местами. Недостатком большинства существующих систем управления (СУ) является жёсткая постановка задач управления, в то время как изменения в состояниях как самого технологического процесса, так и внешних по отношению к нему элементов могут потребовать изменение целей функционирования ТП, а значит, и используемого критерия.

Схема контура управления

Рис. 4.3. Схема контура управления

СУ предназначена для анализа состояния объекта управления (изменение величин X 2 и р* ) и формирования управляющих воздействий, поддерживающих желаемое состояние выходного изделия р .

Задачи управления ТП и, прежде всего, оперативного управления и планирования должны решаться в ритме управляемого технологического процесса; их техническое обеспечение существенно зависит от его инертности.

Если интервал выработки управляющих воздействий достаточно мал в связи с тем, что ситуация быстро меняется, то необходимо задействовать ЭВМ в режиме реального времени, когда она за один такт должна выработать текущие управляющие воздействия. Если же технологический процесс инерционен, то можно использовать режим разделения времени, когда одна ЭВМ управляет несколькими процессами, или обычный пакетный режим, когда речь идёт, например, об оперативном планировании на смену [4.13].

Система управления непрерывным производством ориентирована на управление процессами, протекающими непрерывно во времени.

Спецификой этих процессов является необходимость непрерывного определения значений выходных и управляющих параметров (химические, металлургические, энергетические и другие процессы).

В случае, когда производственный процесс является дискретным, СУ оперирует отношениями объектов производства, объектов оборудования, фактами начала, конца, временем протекания. Здесь большое значение имеет организационная сторона процесса производства.

Этапы проектирования АСУ ТП регламентируются стандартами и методическими указаниями. Предусмотрены следующие обязательные виды предпроектных работ:

  • • анализ технологического процесса как объекта управления;
  • • анализ информационных потоков;
  • • формулирование критериев управления и ограничений;
  • • разработка предварительных математических моделей технологического процесса;
  • • идентификация моделей по экспериментальным данным;
  • • выбор метода разработки алгоритмов контроля и управления;
  • • разработка функционально-алгоритмической структуры системы;
  • • синтез алгоритмов контроля и управления и их экспериментальная проверка;
  • • выбор технических средств системы и их обоснование;
  • • определение задач по модернизации технологического оборудования;
  • • сравнительный анализ разрабатываемой системы и её известных аналогов.

Исходя из положения, что проектирование технологического процесса и системы управления этим процессом должны осуществляться одновременно и параллельно (создание автоматизированного технологического комплекса - АТК), основная часть этих положений должна быть решена на стадиях совместных научно-исследовательских и опытноконструкторских работ (НИР и ОКР).

Решение задачи проектирования оперативного управления технологическим процессом должно исходить из общей идеологии системного анализа и синтеза, с привлечением того же математического аппарата моделирования и оптимизации, который является базой, основой для проектирования ОУ.

Однако для окончательного решения указанной задачи и внедрения разработок в производство необходимо учесть ещё некоторые специфические особенности и затем уже выбрать окончательный алгоритм для оперативного управления ТП.

Оперативное управление основано на непрерывном или регламентированном слежении за выходными параметрами объекта управления.

Для технологических объектов измерение этих параметров производится в большинстве случаев автоматически. Для фиксации состояний дискретного производства в силу того, что здесь существенную роль играет человек, производится документальное оформление состояния производства.

Первичная обработка измерений с целью получения величин, непосредственно участвующих в алгоритмах управления, обычно связывается с задачами контроля и учёта.

При проектировании системы оперативного управления необходимо предусмотреть такую важную характеристику СУ, как стадийность. При этом выделяют три основных стадии:

  • • планирование или прогнозирование желаемого состояния ОУ и фиксирование основных управляющих воздействий;
  • • регулирование: конкретизирование всех управляющих воздействий в соответствии с текущим состоянием объекта управления;
  • • учёт, сбор и анализ информации о прошлых и текущих состояниях объектов управления.

Деление процесса оперативного управления на стадии условно, т.к. работы по планированию, регулированию и учёту ведутся непрерывно, в то же время классификация по признаку стадийности даёт укрупненное разбиение СОУ по функциям управления, что очень важно для понимания её работы.

При проектировании и исследовании СОУ принципиально важным моментом является её разбиение на некоторые части, реализация которых может рассматриваться в достаточной степени независимо. В настоящее время классическим является разбиение СОУ на подсистемы.

При проектировании СОУ в центре внимания должен находиться основной производственный процесс и проблема управления им в структурных подразделениях предприятия.

Одним из важнейших понятий СОУ является понятие модели объекта - описания объекта на зафиксированном уровне детализации, в разрезе некоторой выбранной функции (некоторых функций), осуществляемой им. Модель служит для выявления новых сведений о моделируемом объекте. При этом необходима мера оценки качества функционирования объекта: надёжность, трудоёмкость управления, оперативность управления, точность решения задачи.

Структура ТП не зависит от системы управления им и поэтому в дальнейшем изменению не подлежит. Эта структура используется при имитационном моделировании вариантов СУ на всех последующих этапах проектирования. Структура СУ технологическим процессом обычно также не изменяется; это связано с традиционным подходом к проектированию СУ, требующим сохранения соответствующей структуры управления.

Сначала определяются параметры СУ, чтобы путём имитационного моделирования было определено, значения каких из них должны быть изменены. Цель изменений - достигнуть заданного уровня эффективности СУ. При этом предполагается, что статистические характеристики внешних воздействий, существенные для функционирования технологических процессов, останутся неизменными в будущем.

Затем осуществляется имитационное моделирование контура управления.

При автоматизированном проектировании программы моделирования корректируются автоматически по результатам организационноэкономического обследования. В результате моделирования вычисляются значения критерия качества СУ.

При достижении оптимального значения критерия качества процесс моделирования прекращается и фиксируется, какие именно функции управления должны быть автоматизированы.

Заключительным этапом рассматриваемой части процесса проектирования является формирование технического задания (ТЗ) на СУ. В ТЗ должно быть описано, деятельность каких управляющих подразделений и в каком объёме необходимо автоматизировать, и приведены контрольные числа по надёжности, трудоёмкости, оперативности и точности решения для каждой из автоматизируемых задач управления.

Использование этих контрольных цифр позволит определить, обеспечивает ли конкретная реализация СУ достижение поставленных перед началом её проектирования целей.

Проектирование в динамике представляет собой итерационный процесс. Отдельный итерационный цикл состоит из следующих этапов: формирование целей анализа, обследование объекта, моделирование, анализ, синтез.

Полученный в результате синтеза проект представляет собой вариант будущей системы; для оценки его можно использовать те же методы анализа, которые применялись при оценке эффективности существующей СОУ. Поэтому проектирование представляет собой процесс корректировки исходной модели системы управления. Далее цикл замыкается на этапе анализа; после анализа и оценки нового варианта системы с позиции выбранных критериев (оперативность решения задач, надёжность СОУ, точность решения задач, трудоёмкость) принимается решение «улучшить» модель системы на данном уровне либо перейти на следующий уровень - к более детальному раскрытию полученного проекта.

Формы автоматизации проектирования СОУ могут быть различными. Наиболее простая из них - создание и использование типовых проектных решений. Несколько более сложной формой является предварительная разработка прикладных пакетов, способных настраиваться на конкретное применение по соответствующему описанию. Наиболее сложной формой автоматизации проектирования СОУ является подготовка описаний необходимых частей СОУ непосредственно по описаниям контура управления. Поскольку эти формы не являются взаимоисключающими, считается целесообразным использование всех перечисленных форм с последующим анализом эффективности полученных вариантов.

В задачах оперативного управления критерий оптимальности выбираемых решений иногда может совсем отсутствовать в явной форме (задачи диспетчерского управления обычно решают, задавая набор правил целесообразного поведения), может представлять собой алгебраическое выражение, линейное или нелинейное, или функционал.

Построение математической модели является основной задачей этапа информационного обследования - второй части процесса проектирования СУ. Информация, собранная в результате обследования, обрабатывается с целью использования её при выборе вида математической модели.

При построении модели для оперативного управления проводится планируемый эксперимент. Несмотря на то, что активные (планируемые) эксперименты над промышленными технологическими процессами оказываются достаточно дорогими, использование их приводит к значительной экономии времени и, в конечном итоге, может оказаться экономически эффективным.

Высокая практическая эффективность алгоритмов и методов планирования экспериментов обусловлена многими причинами и, прежде всего, тем, что планирование эксперимента является единственным систематическим подходом для решения задач по изучению новых процессов или получения информации о количественных соотношениях для известных процессов и явлений, описание которых другими методами невозможно.

Планирование эксперимента может быть применено для выделения существенных переменных, получения оценок аналитически выбранной модели, получения эмпирической модели, непосредственной экспериментальной оптимизации. В результате проведения планируемого эксперимента проводится корректировка математических моделей, т.е. нахождение параметров модели путём обработки результатов измерений параметров процесса.

Математический аппарат планирования эксперимента достаточно полно изложен в литературе. В настоящее время достаточно формализованными являются этапы математического планирования эксперимента, математического моделирования и регрессионного анализа. Более того, трудами Адлера и других детально разработаны рекомендации к поведению исследователя на каждом шаге: выбор основного уровня и интервалов варьирования, движение по градиенту при адекватной модели, достройка планов при неадекватной модели, проверка значимости эффектов взаимодействия, выделение перспективных комбинаций качественно варьируемых факторов, выбор контрольных составов и т.д.

Обработка результатов измерений параметров процесса, полученных в результате проведения планируемого эксперимента, может быть разделена на несколько стадий.

Первая стадия связана с вычислением статистических характеристик каждого из параметров (математическое ожидание, дисперсия, плотность распределения, корреляционные функции). Статистические характеристики могут использоваться также при анализе свойств процесса.

Следующая стадия заключается в определении тех параметров и их взаимодействий, которые должны быть включены в математическую модель. Одним из наиболее распространённых методов оценки влияния входных параметров на выходные является дисперсионный анализ, в котором с помощью многократного использования критерия Фишера определяется не только целесообразность учёта влияния каждого из параметров или их взаимодействия, но и полнота построенной системы параметров вместе с их взаимодействиями.

На следующей стадии определяются коэффициенты математической модели процесса. Если данные о процессе образуют ортогональный план, то вычисление коэффициентов осуществляется достаточно простым и эффективным алгоритмом метода наименьших квадратов. Если коэффициенты образуют неортогональный план, то задача построения модели сводится к задаче нелинейного программирования, возможно, с большим числом параметров.

Следующей стадией является анализ значимости коэффициентов модели и адекватности модели процесса в целом. Для этого используются критерии Кохрана, Стьюдента и Фишера.

Если модель обеспечивает точность предсказания при проведении процесса, задача построения модели считается решённой. В противном случае следует скорректировать математическую модель, используя, если это возможно, уже накопленные результаты о данном процессе. Следует либо увеличить число исследуемых параметров, либо увеличить количество полиномов в модели, например, ввести квадратичные члены и коэффициенты взаимодействия. При этом в процессе корректировки необходимо стремиться к тому, чтобы получить требуемые значения адекватности и точности. Пока формальных методов такой корректировки не существует, поэтому на практике прибегают (помимо указанных выше примеров) к графическому анализу зависимостей остатков от различных параметров.

В процессе функционирования СУ постоянно развивается. Совершенствуется её структура, методы и средства управления. Переходу от одного состояния к другому в процессе его развития предшествует этап проектирования. Таким образом, работы по проектированию новой СУ являются неотъемлемыми и постоянно сопровождающими деятельность объекта.

При создании эффективной модели для оперативного управления ТП необходимо последовательно рассматривать и решать следующие вопросы:

  • • установить задачи и цели моделирования;
  • • установить границы моделируемой системы;
  • • выбрать основные переменные;
  • • сформулировать гипотезы, определяющие взаимодействие основных переменных;
  • • установить и выбрать значения параметров, удовлетворяющих условиям работы системы.

На основании результатов обследования объекта начинаются работы по проектированию новой, более совершенной СУ (автоматизированной).

Основой изучения существующей СУ является исследование потоков информации, которые объединяют в единое целое отдельные структурные элементы СУ и обеспечивают их функционирование.

Основные задачи исследования информационных потоков сводятся к определению:

  • • организационной структуры СУ и её элементов;
  • • функций управления, реализуемых элементами и СУ;
  • • задач управления, решаемых СУ в процессе реализации функций управления;
  • • взаимосвязей между функциями и задачами управления;
  • • характеристик и элементов потока информации;
  • • отношений между элементами потоков информации и процедурами их преобразования;
  • • уровня автоматизации обработки данных и характеристик используемых технических средств.

Результатом информационного обследования является информационная модель. Структура информационной модели задается тремя взаимосвязанными уровнями детализации объекта: информационных узлов, документов и показателей. Каждый уровень, в свою очередь, может быть также детализирован. Так, для уровня информационных узлов можно ввести следующие единицы: подразделение, группа, исполнитель. Для уровня документов: документ, раздел документа, глава документа, параграф и т.д.

Структура каждого уровня детализации задаётся ориентированным графом (орграфом). Вершины орграфа отождествляются с описываемой на данном уровне информационной единицей, а дуга соответствует направленному отношению между информационными единицами уровней. Поскольку орграфы информационных процессов на уровне документов и показателей в принципе не имеют контуров и петель, то их структуру удобно преобразовать к ярусно-параллельной форме (рис. 4.4).

Ярусно - параллельная форма представления орграфа

Рис. 4.4. Ярусно - параллельная форма представления орграфа

Характер такого преобразования определяется группированием информационных единиц соответствующего описания на ярусы. При этом правило группирования формулируется в следующем виде: вершина принадлежит ярусу с номером «i» в том и только в том случае, если она имеет хотя бы одну входящую дугу из вершины, принадлежащей ярусу с номером (i-1), и не имеет ни одной входящей дуги, связывающей её с ярусами, номера которых больше или равны «i».

Кроме описанной модели была предложена для изучения информационных потоков модель в виде матрицы. Вследствие наличия формального аппарата для взаимного преобразования матрица-граф и граф-матрица возможности этих моделей в принципе эквивалентны. Однако представление в виде графа позволяет повысить наглядность структуры.

Исходные данные для составления модели собираются с помощью специальных форм. Методика заполнения форм определяется системой правил. Бланки форм обследования выдаются с помощью ЭВМ в виде заданий на проведение работы. ЭВМ контролирует результаты обследования и формирует задание на проведение следующей работы. Это задание связано либо с корректировкой ранее введённых описаний, либо с подготовкой новых.

Степень эффективности решений при проектировании системы оперативного управления СОУ может быть оценена только экспериментальным путём. Эксперимент с реализацией системы является самым надёжным способом проверки как допустимости, так и эффективности методики проектирования.

Экспериментальное исследование автоматизированной системы подразумевает проведение двух типов работ. Первый из них связан с созданием самой системы, проверкой её работоспособности и степени удобства взаимодействия с ней. Работы второго типа связаны с апробированием системы в реальных условиях.

Основной проблемой, решаемой при проведении эксперимента, при реализации автоматизированной системы проектирования СОУ (АСП СОУ) является проверка допустимости и эффективности рассмотренной методики проектирования. Многие задачи этой методики сформулированы без экспериментальной оценки адекватности используемых моделей, поэтому допустимость получаемых решений может быть проверена исключительно опытным путём.

Реализация АСП во многом зависит от используемых средств. К этим средствам относятся элементы технического комплекса и общего математического обеспечения. Элементы технического комплекса при создании АСП СОУ выбираются лишь из выпускаемых промышленностью серий, но никаких уникальных технических средств обычно не предусматривается.

Предполагается, что структура операционной системы и языки программирования также стандартные. Используемые средства (технические и программные) влияют на структуру программного обеспечения АСП СОУ.

Существенная особенность реализации АСП СОУ связана с необходимостью использования в процессе последующей эксплуатации специа- листа-проектировщика. Это приводит к необходимости диалогового режима взаимодействия пользователя с программным комплексом АСП. Поэтому многие программы, входящие в состав системы проектирования, требуют оперативного взаимодействия с проектировщиком. Этим объясняется особое внимание, уделяемое при реализации сервисным средствам, упрощающим и ускоряющим обмен информацией между проектировщиками и АСП.

При выборе рассматриваемых основных частей АСП (рис.4.5) основное внимание должно уделяться разнообразию и представительности описываемых программных комплексов. В структуру основных проблем следует включить проектирование банка данных. Однако по составу задач и особенностям их реализации эта система во многом подобна системе автоматизированного синтеза программ.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >