11.3 Модели автоматизированных систем управления

Всякая система управления с точки зрения ее функционирования решает три основные задачи: сбор и передача информации об управляемом объекте, переработка информации, выдача управляющих воздействий на объект управления.

Различают два основных типа автоматизированных систем управления: системы управления производственными процессами и системы организационно-экономического или административного управления.

Главные отличия этих двух типов – в характере объекта управления и форме передачи информации.

В системах управления технологическими процессами объекты управления – машины, процессы, приборы, устройства, форма передачи информации – различные сигналы (электрические, механические, световые и др.).

В организационно-экономических и административных системах управления объекты управления – человеческие коллективы, форма передачи информации – документы.

Интегрированные системы управления – объединение систем управления предприятием и технологическими процессами. Им присуще организация информационных процессов на предприятии и организация их выполнения. Объект управления – совокупность процессов, свойственных данному предприятию, по преобразованию ресурсов (материалы, оборудование, энергетические, трудовые, финансовые ресурсы) в готовую продукцию.

Особенности таких систем, обуславливающие их сложность: большое число разнородных элементов и высокая степень их взаимосвязи в процессе производства, неопределенность результатов выполнения многих процессов (брак, сбои, несвоевременные поставки, нерегулярность спроса), нестационарность предприятия (постоянное изменение и развитие предприятия. сложность работы с людьми).

Среди систем управления этого типа могут быть выделены системы управления обслуживанием на транспорте (оперативное обслуживание пассажиров, повышение загрузки транспортных средств, контроль операций и др.)., системы контроля (проверка оборудования, диспетчеризация и др.).

Информационные и управляющие системы предприятий и отраслей оперируют интенсивными потоками информации (ввод, переработка, преобразование информации) и структурированы исходя из задач обеспечения информацией и управления.

В рассматриваемых системах функция управления сосредоточена в конкретных устройствах. Впредь будем также различать управляющие устройства и управляемые объекты, работающие под воздействием управляющих сигналов.

В качестве типичной структуры сложной системы, имеющей автоматизированное управление, выберем систему, которая взаимодействует с объектами внешней среды, т. е. получает входные и управляющие сигналы и сама выдает выходные сигналы.

Элементы системы управления в зависимости от их функции в управляющем процессе можно классифицировать следующим образом:

- датчики информации о воздействиях внешней среды,

- датчики информации о состоянии управляемых объектов системы,

- средства передачи информации,

- средства обработки информации и выработки управляющих сигналов,

- исполнительные органы, реализующие управляющие сигналы.

Осведомительная информация о воздействиях внешней среды и состоянии управляемых объектов системы отличается от «истинной» информации за счет представления в другой системе кодирования, недостаточной полноты, наличия аппаратурных помех и ошибок (измерения при помощи датчиков) и т. д. Заметим, что истинная информация не фигурирует внутри системы. Она может быть известна только постороннему наблюдателю, обладающему средствами измерения идеальной точности, способными зафиксировать значения любых величин, связанных с функционированием системы.

Осведомительная информация поступает к средствам передачи информации, которые ее трансформируют (кодирование, декодирование, задержки во времени, внесение дополнительных ошибок и помех и т. д.) и передают средствам обработки информации (центральным или периферийным). Здесь производится первичная сортировка и местная обработка информации и запоминание ее в устройствах памяти системы управления.

Таким образом, средствам обработки информации передается осведомительная информация о состояниях элементов системы и воздействиях внешней среды. Это позволяет провести окончательную обработку информации, решить задачи планирования работы системы и выработать управляющие сигналы для исполнительных органов.

Исполнительные органы изменяют характеристики управляемых объектов в соответствии с сигналами, полученными от средств переработки информации.

Изменение характеристик управляемых объектов обнаруживают и измеряют датчики информации. Эти отклонения вместе с информацией о новых воздействиях внешней среды используются для выработки новых управляющих сигналов и т. д.

В таком виде может быть представлена практически любая из существующих и проектируемых систем управления.

Для математического описания сложной системы с автоматизированным управлением удобно использовать схему агрегатов и агрегативных систем, когда каждый из перечисленных выше элементов (датчики информации, средства передачи и т. д.) описывается в виде агрегата, а система в целом - как агрегативная система. В этом случае исчерпывается и вопрос о методике моделирования системы.

Для частных случаев рассматриваемой системы могут быть построены моделирующие алгоритмы, основанные на частном математическом описании, учитывающем конкретную специфику системы.

Использование частных моделей свидетельствует не только о недостаточной еще популярности унифицированных схем, но и о целесообразности выделения некоторых специальных более узких (чем агрегативные системы) классов сложных систем для углубленного изучения. В этой связи укажем на целесообразность «проблемной ориентации» унифицированных схем, которая позволяет сочетать удобства универсализации с простотой специализации моделей.

Большой интерес представляют автоматизированные системы управления одного класса, которые часто называют информационными системами.

Процессы управления во всех случаях характеризуются наличием информационных потоков; тем не менее название «информационных» получили системы управления, которые связаны с обработкой особенно интенсивных информационных потоков и структура которых приспособлена к обеспечению специальных мероприятий, направленных на оптимальный сбор, хранение, переработку и выдачу больших массивов информации.

На практике, как правило, не включаются в класс информационных системы управления технологическими процессами, работающие в истинном масштабе времени с реальными объектами (управление станками, металлургическими процессами, химическими реакторами и т. д.).

К информационным системам обычно относят системы управления крупными предприятиями в целом, решающие задачи перспективного и текущего планирования, а также задачи оперативного управления производством (скорее не на технологическом, а на организационном уровне). Информационные системы более крупного масштаба могут быть использованы для управления группой предприятий, отраслью или экономикой в целом.

Существуют информационные системы и другого целевого назначения: диагностические (как медицинские, так и технические), библиографические, диспетчерские и т. д.

Обобщенная схема процесса, приводящая к решению задачи планирования, имеет следующий вид.

В отраслевую информационную систему поступают заявки, которые отражают потребность в материально-технических средствах. Эти данные сортируются по видам запрашиваемых номенклатур, суммируются и фиксируются в накопителе системы. Одновременно поступают текущие донесения от потребителей и поставщиков о наличии и движении материально-технических средств, которые также фиксируются в системе.

По имеющимся в системе данным о наличии материально-технических средств производится сопоставление потребностей с имеющимися в наличии материально-техническими средствами на складах, базах, в текущем производстве и у потребителей.

На основе этого сопоставления решается задача о рациональном распределении или перераспределении имеющихся средств, вносятся соответствующие изменения в учетные данные о наличии и движении материально-технических средств, составляется план перевозок, выявляется количество недостающих номенклатур.

На основе информации о производственных предприятиях, функционирующих в сфере данной отрасли, данных об их ресурсах, плане выпуска продукции, снабжении сырьем и т. д. решается задача оптимального распределения заказов по предприятиям.

Решение этой задачи осуществляется с учетом факторов времени, стоимости, размещения и т. д. В некоторых случаях рассматривается вопрос о необходимости подключения дополнительных предприятий или строительстве новых. С учетом запроса потребителей, наличия материально-технических средств и плана заказов производится оптимальное распределение материально-технических средств (план снабжения).

При этом имеется в виду, что информационные задачи, связанные с приемом заявок и донесений, осуществляются в информационной системе непрерывно. Это обеспечивает постоянное обновление информации о состоянии системы и правильное периодическое планирование производства и снабжения.

Особенности моделирования автоматизированных систем управления, определяющие ее громоздкость, обусловлены тремя основными причинами.

В любой сложной системе управление должно способствовать более эффективной работе всех ее элементов. Поэтому для оценки качества управления используются функционалы, зависящие от функционирования не только элементов средств управления, но и управляемых элементов системы. Другими словами, модель, предназначенная для оценки качества управления, должна быть моделью системы в целом, достаточно подробно описывающей функционирование как управляющих, так и управляемых объектов.

Другим обстоятельством, увеличивающим громоздкость моделей автоматизированных систем управления (особенно информационных систем), является сложность моделирования алгоритмов управления (алгоритмов обработки информации и планирования). При моделировании часто приходится воспроизводить реальные алгоритмы планирования и обработки информации алгоритмы полностью, в таком виде, как они фигурируют в реальной системе.

Третье обстоятельство - трудность компактного моделирования информационного поля и информационных процессов.

Эти обстоятельства являются причиной того, что подробные модели сложных автоматизированных систем управления, особенно информационных, представляют собой чрезвычайно сложные алгоритмы.

На практике принимаются специальные меры, связанные с особым построением моделирующих алгоритмов.

Одним из возможных способов упрощения моделирующего алгоритма является замена его набором алгоритмов, включающим подробные модели подсистем и неподробную комплексную модель системы в целом. Это позволяет упростить подалгоритмы, представляющие эти подсистемы в комплексной модели.

Другим приемом упрощения комплексных моделей является применение агрегатного описания автоматизированных систем управления и построение на этой основе моделирующих алгоритмов.