Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ общих аспектов и основных проблем автоматизации проектирования систем управления сложными технологическими объектами 13
1.1. Основные задачи и принципы проектирования систем управления сложными технологическими объектами 13
1.2. Состояние, особенности и проблемы автоматизации проектирования систем управления технологическими объектами 24
ГЛАВА 2. Обобщение методов построения систем управления, основанных на математическом моделировании 39
2.1. Анализ общих положений построения математических моделей объектов проектирования 39
2.2. Методы построения математических моделей статических режимов сложных технологических объектов 44
2.3. Анализ методологических аспектов математического моделирования динамики сложных технологических объектов 50
2.4. Основные выводы и постановка задачи исследования 59
ГЛАВА 3. Разработка методологии и машинно- ориентированных алгоритмов анализа динамических режимов сложных систем для сапр су технологическими объектами 62
3.1. Анализ динамических режимов сложных технологических систем как объектов управления 62
3.2. Имитационное моделирование функционирования многомерных сар технологических параметров сложных объектов 98
ГЛАВА 4. Разработка подсистемы автоматизированного анализа динамических режимов сложных объектов и систем для САПР СУ ТО ..Л19
4.1. Формирование общих требований к разработке комплекса syadin 119
4.2. Разработка общей структуры комплекса syadin 125
4.3. Разработка архитектуры программного обеспечения 132
4.4. Исследование и разработка информационного обеспечения 141
4.5. Требования к программно-аппаратным ресурсам 148
4.6. Реализация пользовательского интерфейса 149
4.7. Диагностика информационной базы 155
4.8. Особенности реализации общего алгоритма функционирования комплекса syadin 157
4.9. Оценка эффективности программного комплекса syadin 161
Заключение 165
Литература
- Состояние, особенности и проблемы автоматизации проектирования систем управления технологическими объектами
- Методы построения математических моделей статических режимов сложных технологических объектов
- Имитационное моделирование функционирования многомерных сар технологических параметров сложных объектов
- Разработка общей структуры комплекса syadin
Введение к работе
Актуальность работы. Научно-технический прогресс в области автоматизации технологических объектов (ТО) порождает потребности во все более сложных технических системах, удовлетворяемые по мере развития методов и средств как физической реализации систем, так и проектирования. Наиболее характерным стало построение многоуровневых иерархических систем, широкое использование в системах управления цифровых вычислительных машин, человеко-машинных комплексов, значительное повышение требований к эффективности и надежности.
Определилась тенденция к быстрому обновлению систем. Сложность современных систем автоматического регулирования (САР) и управления (САУ), постоянное ужесточение требований к проектам, чрезвычайно высокая цена ошибочных проектных решений, исключают возможность эффективного их создания с использованием традиционных инструментов и технологий проектирования.
Успешное решение этой проблемы сегодня связывается с разработкой, развитием и использованием новых принципов проектирования, позволяющих комплексно решать эту проблему, внедрением нового инструментария проектировщика - систем автоматизированного проектирования (САПР).
Начиная с 60-х годов автоматизация стала главным выражением научно-технического прогресса в области технического проектирования. Поскольку проект - это среднее звено между научно-технической идеей и её реализацией, а проектирование - специфический вид инженерной деятельности, в основе которой нередко лежат сугубо творческие эвристические процессы, автоматизация проектирования является очередным шагом превращения еще одного вида инженерного искусства в науку. При этом, естественно, возникают новые задачи, для решения которых нужны новые подходы, принципы и модели и широкое применение диалога проектировщика с ЭВМ [1,2].
Проблема автоматизированного проектирования СУ сложными технологическими процессами находится на стадии формулирования и решения важных теоретических и прикладных задач. В настоящее время разработчики систем автоматизированного проектирования (САПР) СУ различного назначения большое внимание уделяют фундаментальным проблемам методологии автоматизированного проектирования отдельных компонентов СУ.
Методы синтеза, хотя и содержат в себе формализованные расчетные . процедуры, но не только не исключают, а, как правило, требуют от проектировщика реальной системы неформальных, творческих усилий. Поэтому особую важность приобретает вопрос о степени автоматизма при выполнении машинных процедур синтеза и о возможности изменения этой степени в зависимости от квалификации проектировщика.
Анализ опыта проектирования технологических объектов позволяет представить весь комплекс работ в виде последовательной схемы получения решений, т.е. определение структуры и параметров ТО на первом этапе и системы автоматического управления (САУ) на втором этапе, исходя из целей функционирования ТО и САУ. При этом, зачастую, ТО получаются плохо приспособленными для автоматического управления, т.к. при их создании технологи и конструкторы, как правило, не рассматривают проблемы динамической организованности ТО. В результате этого СУ часто оказывается излишне сложной, органически не связанной с ТО.
Основной проблемой в области проектирования сложных систем управления ТО является создание методов, рассчитанных на использование ЭВМ и принципов системного анализа. Системный подход в настоящее время становится одним из центральных моментов при проектировании сложных объектов и, в том числе СУ ТО, позволяющим выделять основные подсистемы исследуемого объекта, формализовать задачи, цели и функции этих подсистем и механизмы связей между ними, разрабатывать альтернативные структуры СУ и намечать последовательность действий по выбору опти-
6 мальных вариантов, по реализации проектных решений и оценке результатов их использования.
Задачи проектирования СУ отличаются от задач проектирования технических устройств других видов большим удельным весом так называемых задач динамического расчета, связанных с анализом динамических характеристик объекта управления, выбором структуры и параметров систем регулирования и управления, обеспечивающих заданное качество и точность управления или регулирования, имитационного моделирования СУ в целом -базиса для анализа функционирования разрабатываемой СУ и принятия решений при выборе оптимальных вариантов ее организации. Однако, в САПР СУ, помимо задач динамического расчета, приходится решать задачи, связанные с разработкой СУ, удовлетворяющих целому ряду дополнительных требований, например, по надежности, стоимости и др.
Задача проектирования по существу является многокритериальной, причем некоторая часть критериев, как правило, не формализована полностью. Это вызывает необходимость решения большого круга проблем, связанных с разработкой и усовершенствованием вычислительных методов, алгоритмов и процедур, а также с «включением» человека-оператора в САПР СУ.
Сложность проблемы создания САПР СУ обусловлена как большим объемом работы, так и наличием некоторых научных проблем, не нашедших решения в теории управления, вычислительной математике и т.п., например, проблема сочетания точностных и технических характеристик проектируемых СУ.
Важной характеристикой СУ является её сложность. Совокупность систем автоматического регулирования (САР) параметров ТО, вследствие множества прямых и обратных связей между технологическими элементами ТО, многомерности самих элементов ТО, в общем случае представляет собой сложную многомерную САР (МСАР). Проектирование этих систем требует разработки корректных методов их декомпозиции, упрощающих процесс их синтеза без ущерба для сложности создаваемой системы.
Анализ статических и динамических характеристик сложных многомерных систем с использованием развитых методов и алгоритмов имитационного моделирования функционирования СУ в различных режимах функционирования составляет одну из ключевых задач проектирования - выбора оптимальных вариантов организации СУ, отвечающей заданным требованиям и ограничениям. Полное исследование динамических характеристик сложных ТО возможно только на математических моделях, адекватно описывающих временные связи параметров, законы движения и поведения моделируемого объекта в условиях действия возмущений. Проведенные исследования показали, что непосредственное использование математических моделей, построенных аналитически на основе анализа физико-химических явлений и представляющих собой, обычно, системы нелинейных дифференциальных уравнений, для расчета переходных процессов объектов, даже небольшой размерности, связано со значительными организационными и вычислительными трудностями. Все большее внимание уделяется формализованному анализу динамики сложных ТО с применением топологических моделей в виде сигнальных графов, передаточные функции которых вычисляются, как правило, по универсальной топологической формуле. Но и здесь возникает целый ряд проблем, успешное решение которых сегодня становится актуальным при построении САПР СУ сложных объектов.
Решение проблемы оптимального проектирования СУ сложных ТО в рамках САПР СУ предполагает наличие развитых средств имитационного моделирования функционирования системы в условиях действия возможных возмущений, позволяющего заменить эксперимент с реальным процессом экспериментом с математической моделью этого процесса на ЭВМ. При этом имитационная модель представляется алгоритмом, воспроизводящим существенные свойства исследуемого процесса и реализуемым на ЭВМ.
Своевременность и актуальность решаемых в настоящей работе проблем заключается прежде всего в том, что из всех этапов проектирования СУ сложных технологических объектов в ней поставлена и решена задача иссле-
дования и разработки методологии и эффективных машинно-ориентированных алгоритмов моделирования динамических объектов, ориентированных на использование в рамках САПР СУ сложными ТО, т.к. успешная реализация именно этой проблемы обеспечивает решение всего комплекса задач, связанных с принятием решений на различных этапах синтеза, анализа и оптимизации проектных решений.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка подсистемы анализа динамических режимов сложных систем, ориентированной на использование в рамках САПР СУ сложными технологическими объектами.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
Системный анализ проблем, принципов и особенностей автоматизации проектирования систем управления сложными технологическими объектами; исследование и постановка задачи исследования и разработки методов и алгоритмов автоматизированного исследования динамического поведения сложных ТО и систем управления ими.
Исследование и разработка эффективных машинно-ориентированных алгоритмов расчета и анализа динамических характеристик технологических элементов ТО и на их основе формирования матриц передаточных функций (МПФ) многомерных объектов, ориентированных на использование в САПР СУ ТО.
Разработка методов и алгоритмов имитационного моделирования многомерных автоматических систем регулирования (МСАР) технологических параметров сложных ТО, обеспечивающих эффективное их использование при решении задач совместного проектирования ТО и МСАР.
Разработка структуры средств, информационного и специального программного обеспечения подсистемы автоматизированного расчета и анализа нестационарных режимов сложных динамических объектов и имитационного моделирования поведения систем управления сложными ТО для САПР СУ ТО.
5. Выбор метода и анализ эффективности функционирования разработанного программного комплекса.
Методы исследования. Проводимые исследования базировались на положениях технической кибернетики, методах математического моделирования статического и динамического поведения сложных технологических объектов, методах синтеза и анализа многомерных САР технологических параметров, имитационного компьютерного моделирования функционирования сложных объектов и систем управления, математических методах оптимизации, теории сложности систем и математической статистики.
Научная новизна работы:
Предложен новый подход и разработано специальное методологическое обеспечение реализации проектных этапов расчета и анализа динамики сложных ТО с использованием модифицированных процедур по определению передаточных функций сложных систем на основе предварительно формируемых путей прохождения сигналов в виде совокупности прямых путей и замкнутых контуров.
Разработаны и реализованы новые подходы, методология и машинно-ориентированные алгоритмы автоматизированного анализа динамических режимов сложных ТО с использованием МПФ их элементов, ориентированных на использование в рамках САПР СУ ТО.
Разработаны машинные алгоритмы имитационного моделирования многомерных систем автоматического регулирования (МСАР) технологических параметров сложных ТО, основанные на возможности представления обобщенной структурной схемы моделируемой системы в виде N односторонне влияющих (через каналы объекта) последовательно расположенных многомерных подсистем. Алгоритмы обеспечивают возможность эффективного их использования при решении задач совместного проектирования ТО и МСАР.
Разработана структура средств, информационного и специального программного обеспечения подсистемы автоматизированного расчета и ана-
лиза динамических режимов сложных технологических объектов и имитационного моделирования СУ, ориентированного на использование в рамках САПР СУ сложными ТО.
Практическая значимость работы:
Разработаны машинно-ориентированная методология и алгоритмы расчета и анализа динамических характеристик технологических элементов ТО и на их основе матриц передаточных функций (МПФ) многомерных объектов, ориентированные на эффективное использование в САПР СУ ТО при формировании их структуры.
Разработаны и реализованы эффективная методология и машинно-ориентированные алгоритмы автоматизированного анализа динамических режимов сложных ТО с использованием МПФ их элементов, ориентированные на использование в рамках САПР СУ ТО при принятии оптимальных проектных решений по модификации структуры и параметров проектируемых систем.
Разработаны машинные алгоритмы имитационного моделирования многомерных систем автоматического регулирования (МСАР) технологических параметров сложных ТО, обеспечивающих эффективное их использование при решении задач совместного проектирования ТО и МСАР.
Разработан и реализован универсальный программный комплекс автоматизированного расчета и анализа динамических режимов сложных объектов и имитационного моделирования поведения систем управления сложными ТО для САПР СУ сложных ТО.
Предложенные алгоритмы и программы приняты к использованию при создании САПР СУ ТО, разрабатываемой в СКГТУ в рамках НИР и ОКР. Результаты проведенных исследований в форме прикладных программ анализа сложных систем используются в учебном процессе в СКГТУ при подготовке специалистов в области информационных систем и технологий.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается:
результатами экспериментальных исследований;
результатами вычислительных экспериментов;
соответствием теоретических и экспериментальных исследований;
работоспособностью разработанной подсистемы автоматизированного расчета и анализа динамических режимов сложных систем.
На защиту выносятся:
Новый подход к реализации проектных этапов расчета и анализа динамики сложных ТО с использованием модифицированных процедур по определению передаточных функций сложных систем на основе предварительно формируемых путей прохождения сигналов в виде совокупности прямых путей и замкнутых контуров.
Предложенная методология и машинно-ориентированные алгоритмы автоматизированного анализа динамических режимов сложных ТО с использованием МПФ их элементов, ориентированных на использование в рамках САПР СУ ТО.
Машинные алгоритмы имитационного моделирования многомерных систем автоматического регулирования (МСАР) технологических параметров сложных ТО, основанные на возможности представления обобщенной структурной схемы моделируемой системы в виде N односторонне влияющих (через каналы объекта) последовательно расположенных многомерных подсистем. Алгоритмы обеспечивают эффективное их использование при решении задач совместного проектирования ТО и МСАР.
Структура средств, информационное и специальное универсальное программное обеспечение подсистемы автоматизированного расчета и анализа динамических режимов сложных технологических объектов и имитационного моделирования СУ, ориентированного на использование в рамках САПР СУ ТО.
Апробация работы. Основные результаты проведенных в диссертации исследований были представлены и обсуждены на: Международном форуме по проблемам науки, техники и образования: «III тысячелетие - новый мир», М.,
декабрь 2003, 2004, 2005 гг.; Международной конференции «Устойчивое развитие горных территорий - проблемы и перспективы интеграции науки и образования», Владикавказ, сентябрь 2004 г.; Международной конференции «Новые информационные технологии в науке, образовании и экономике», Владикавказ, 2003 г.; 5-ой Международной многопрофильной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки», Самара, 2004 г.; на ряде научно-технических конференций профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов СКГТУ в 2002-2003 гг.
Личный вклад автора. Основные научные положения, теоретические выводы и рекомендации, содержащиеся в главе 4 диссертационной работы, получены автором самостоятельно. Результаты, приведенные в главах 1, 2 и 3, получены автором в соавторстве.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 11 печатных работах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 185 страниц машинописного текста, 43 рисунка, 2 таблицы и список литературы из 217 наименований.
Состояние, особенности и проблемы автоматизации проектирования систем управления технологическими объектами
Как уже отмечалось выше, прогресс науки и техники, потребности развивающегося общества в новых промышленных изделиях, обусловливают необходимость выполнения проектных работ большого объема. Требования к качеству проектов, к срокам их выполнения оказываются все более жесткими по мере увеличения сложности проектируемых объектов и повышения ответственности выполняемых ими функций. Рассматривая СУ сложными ТО как объект проектирования, необходимо иметь в виду, что стремительный научно-технический прогресс приводит к резкому сокращению сроков морального износа разрабатываемых СУ, а также к увеличению стоимости научных исследований при их создании, особенно на начальных стадиях, когда ошибочные решения влекут за собой тяжкие и трудно исправимые последствия.
СУ ТО может рассматриваться как сложный управляющий комплекс, включающий несколько взаимосвязанных подсистем. В то же время этот комплекс является подсистемой более сложной системы, достижению целей которой должны быть подчинены требования к её проектированию.
Постоянное усложнение самого объекта управления и ужесточение требований к управлению им, многообразие учитываемых при проектировании связей и ограничений, большое количество вариантов технических решений определяет трудности задачи оптимального проектирования, преодоление которых возможно лишь путем создания систем автоматизированного проектирования (САПР), объединяющих творческие усилия человека и большие возможности ЭВМ в выполнении трудоемких операций.
Под автоматизацией проектирования, при этом, понимается такой способ проектирования, при котором все проектные операции и процедуры или их часть осуществляется взаимодействием человека и ЭВМ.
При помощи автоматизации проектирования результаты проектирования объектов, в которых использовались новые идеи и технические средства, могут быстро сообщаться проектировщику в удобной для него форме. Благодаря этому за короткий промежуток времени можно глубоко проникнуть в суть проблем, связанных с проектированием. Кроме облегчения анализа и синтеза автоматизация проектирования позволяет создавать необходимую документацию и проверять полученные результаты.
Можно сказать, что в настоящее время автоматизация проектирования СУ сложными ТО связывается с новым этапом развития - созданием САПР СУ, предназначенных в основном для решения задач научно-исследовательского, эскизного и, частично, технического проектирования.
Основной эффект от внедрения САПР возникает при автоматизации некоторых творческих функций проектировщика на ранних стадиях разработки, когда выбираются принципы действия, структура, оптимальные характеристики проектируемого объекта. Взаимодействие проектировщика с моделью объекта с помощью ЭВМ создает качественно новую ситуацию в проектировании. Проектировщик в процессе диалога с ЭВМ может творчески проанализировать различные варианты, осуществить оптимизацию, промоделировать поведение объекта во внешней среде и обоснованно выбрать лучший вариант проекта.
Общим для всех САПР является то, что они, как это уже указывалось выше, вне зависимости от объекта проектирования могут сами рассматриваться как автоматизированная система управления с обратной связью. Другими словами, можно сказать, что САПР - это человеко-машинная или автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) производства технической документации, необходимой для создания проектируемого объекта. Поэтому развитие общей теории систем автоматизированного управления одновременно является развитием теоретических основ САПР любых объектов. Но САПР систем автоматического и автоматизированного управления технологическими объектами имеет ряд характерных для них особенностей, отличающих их от большинства САПР других технических объектов [5].
Этими особенностями являются:
1. При проектировании СУ основные трудности и наибольшая трудоемкость связаны с выбором структуры, информационных потоков, функциональных, динамических, логических и алгоритмических связей между подсистемами, в отличие от проектирования, например, сооружений, машин и т.д., когда основное внимание сосредоточено на этапах конструкторского и технологического проектирования.
2. Вычислительные машины, люди и потоки информации между ними входят в состав не только САПР СУ, но и являются составными элементами проектируемой системы управления. Поэтому САПР СУ ТО может рассматриваться не только как обобщенная модель процесса проектирования СУ определенного класса, но и как информационно-динамическая модель конкретной системы управления в процессе ее нормальной эксплуатации, так как информационные потоки и необходимость их обработки существуют не только в процессе проектирования, но и при нормальной эксплуатации СУ.
3. В настоящее время практика проектирования СУ сложными ТО состоит в том, что в начале проектируются технологические процессы, а уже потом - управляющая ими система. Поэтому при проектировании последней объект управления необходимо рассматривать как малоизменяемую часть системы, большинство свойств и характеристик которой уже фиксировано. Эта особенность в какой-то мере противоречит системному подходу и будет постепенно устраняться.
4. Математические модели СУ составляются в условиях существенно неполной информации об объекте управления, о действующих на него возмущениях, а также в условиях неполной измерительной информации и при наличии помех.
Методы построения математических моделей статических режимов сложных технологических объектов
В настоящее время для автоматического управления непрерывными технологическими процессами (НТП) наиболее рациональным является применение математических моделей объектов в управляющих устройствах. В этом случае значения управляющих воздействий, обеспечивающих выполнение заданных условий оптимальности, могут быть найдены на модели и далее переданы на объект [76-103]. При этом, как показано в [90], «наилучшим вариантом является применение статической модели, которая может работать в качестве комбинированной системы управления в режиме прогнозирования, что значительно сокращает время работы объектов вне оптимальных режимов. Определение на статических моделях необходимых значений оптимальных управляющих воздействий производится практически мгновенно, т.е. появляется возможность непрерывного получения выходных и промежуточных величин и показателей процесса, что обеспечивает введение требуемых управляющих воздействий на объект еще до того момента, как происходят серьезные отклонения режимов от оптимальных показателей».
С помощью математических моделей также можно наиболее эффективно ставить и проводить исследования закономерностей технологических процессов в широком диапазоне изменения переменных процесса, разрабатывать новую технологию, вести поиск оптимальных режимов и конструкций технологических аппаратов [76-91], что особенно актуально для НТП.
В последние три десятилетия особенно интенсивно проводились работы по построению математических моделей процессов цветной и черной металлургии, химической технологии и ряда смежных областей.
В работах Ю.П.Адлера, А.А.Ашимова, Г.Г.Арунянца, Л.А.Барского, И.М.Борзенко, И.А.Бурового, Е.М.Вигдорчика, М.А.Глинкова, А.М.Давидсона, Л. А.Данилина,. Е.ГДудникова, А.ГДячко, В.А.Иванова, В.Ю.Каганова, Б.В.Кафарова, Г.К.Круга, М.В.Левина, Д.И.Лисовского, В.В.Налимова, Г.М.Островского, Г.Г.Раннева, А.Л.Рутковского, З.Г.Салихова, М.Г.Слинъко, Г.ДСургучева, О.Н.Тихонова, Д.И.Туркенича, В.П.Цымбала, Г.Э.Адамса, Бокса Дж., Ариса Р., ТДж.Вилъямса, Т.Г.Ли, В.Фильбрука, Р.Фрэнкса, Г.Шенка и др. рассмотрены вопросы построения математических моделей металлургических и химических процессов, накоплен большой опыт применения математических моделей, в частности для исследования самого процесса, определения оптимальных режимов, использования для решения различных задач автоматического управления и др.
Однако в настоящее время нельзя считать, что все вопросы, касающиеся теории и практики математического моделирования технологических процессов, и в частности для НТП, решены полностью. К числу таковых следует отнести вопросы разработки информационного и математического обеспечения НТП для прогнозирования и управления режимами технологических процессов. Известные модели, как правило, определяют на основании активных или пассивных экспериментов, проводимых на действующем промышленном объекте.
Аксиоматично, чем быстрее и точнее определяются или уточняются оптимальные значения переменных процессов, чем дольше будет находиться процесс в оптимальной области, тем больше будет технико-экономический эффект от использования АСУ. В большинстве известных АСУТП используются адаптируемые статистические математические модели [104]. При этом очень часто структура уравнений математической модели не отражает истинной формы взаимосвязи переменных процесса.
Определение структуры уравнений моделей процессов НТП из условий максимального приближения ее к истинной, т.е. разработка информационного и математического обеспечения НТП и методов оптимальной параметрической идентификации этих моделей, обеспечивающих наибольшее быстродействие и точность системы идентификации, представляет не только теоретический интерес, но и имеет большое практическое значение.
Можно сделать вывод, что продолжительность работы НТП в оптимальном или близком к нему режиме можно увеличить, если получать в достаточной мере адекватную процессу модель в темпе с процессом, редко и достаточно быстро проводить адаптацию (параметрическую идентификацию) и уточнять оптимальные условия ведения процесса в течение всего времени работы технологического оборудования НТП.
Решение задачи управления, как и проектирование (оптимизация конструктивных параметров) самого процесса, преследует одинаковые конечные цели. Выбор и расчеты аппарата, технологического режима и способа управления должны производиться, прежде всего, на основании сведений о механизме и кинетике процессов НТП и быть взаимосвязанными, т.е. выбор и расчеты аппаратов и технологических режимов должны производиться с учетом особенностей технологического процесса и с учетом возможностей управления, ручного или автоматического.
Имитационное моделирование функционирования многомерных сар технологических параметров сложных объектов
Проектирование СУ ТО в рамках САПР СУ предполагает наличие средств имитационного моделирования функционирования системы управления в условиях действия возможных возмущений, позволяющего заменить эксперимент с реальным процессом экспериментом с математической моделью этого процесса на ЭВМ.
Имитационная модель - это алгоритм, воспроизводящий существенные свойства исследуемого процесса и реализуемый на ЭВМ [170]. Имитационное моделирование рассматривают так же, как управляемый эксперимент [171], в котором определенные математическими моделями части объекта моделирования взаимодействует с имитирующими возмущающие воздействия и некоторые звенья СУ генераторами случайных величин [75].
Ряд исследователей, например Н.Н.Моисеев [172], понимают этот термин более широко, развивая представление об имитационной системе как о специальным образом организованной совокупности, состоящей из: математических моделей; управляющей программы, необходимой для реализации диалога «человек-ЭВМ»; процедур использования всей этой системы.
Другие исследователи отмечают как главную особенность метода не диалог «человек-ЭВМ», а специфику, определяемую используемым инструментом - ЭВМ (точность, гибкость, большую размерность моделей и т.п.).
Основной целью имитационного моделирования является построение траектории движения объекта моделирования [173]. В свою очередь, элементы объекта также могут представлять собой некоторые структуры из подэле-ментов. Процесс детализации элементов может иметь произвольную глубину. Важно лишь, что только элементы самого нижнего уровня представляются своими аппроксимационными моделями.
Процесс проектирования СУ ТО, безусловно относящейся к классу сложных объектов, как об этом говорилось ранее, формируется в результате декомпозиции общей задачи проектирования на отдельные подзадачи. При этом возникают разрывы информационных связей между параметрами объекта. Результат решения отдельной задачи, оптимальной с точки зрения её критерия, может быть недопустимым при учете всех взаимосвязей. Единственный способ проверки допустимости полученных решений отдельных задач заключается в проведении имитационного моделирования объекта проектирования на том уровне детализации, который соответствует текущим знаниям об объекте.
Имитационное моделирование можно назвать наиболее универсальным средством анализа качества принимаемых проектных решений, не зависящим от того, каким путем эти решения получены. Фактически имитационное моделирование - единственное средство, обеспечивающее введение интуиции и опыта проектировщика в процесс автоматизированного проектирования, поскольку позволяет оценить допустимость и качество неформальным путем полученных проектных решений.
Использование в процессе проектирования методов имитации позволяет реализовать основную функцию модели - прогнозирование, т.е. получать на ЭВМ различные решения, соответствующие изменениям в окружающей среде.
Проектирование и исследование динамических систем (САР, САУ, АСУТП и т.д.) основывается на широком использовании цифрового моделирования [53, 158-163, 174-181]. Подсистема имитационного моделирования динамических объектов и систем рассматривается авторами как сложный элемент иерархической структуры САПР СУ, который, наряду со средствами имитационного моделирования, в общем случае может содержать и другой аппарат исследования (например, исследования в частотной области и т.п.).
Можно сказать, что имитационное моделирование должно составлять ядро и основу любой системы исследования динамических объектов, т.к. позволяет значительно упростить процесс её математического описания.
Имитация функционирования сложных систем возможна при наличии адекватных математических моделей динамики отдельных её элементов. Однако при их непосредственном использовании для расчета переходных процессов в условиях изменяющихся структур исследуемых в процессе проектирования СУ возникают значительные трудности, определяемые, прежде всего, размерностью систем. Если в рамках традиционного подхода иметь в виду уравнения для достаточно богатого набора общесистемных характеристик (функционалов), описывающих свойства изучаемого объекта, то для сколько-нибудь сложной модели мы неизбежно столкнемся с трудностями при составлении и решении уравнений. Основным препятствием здесь оказывается сложность непосредственной формализации и математического описания общесистемных ситуаций на базе умозрительного анализа взаимозависимости составляющих их событий и явлений, тем более, что не всегда для этой цели имеются подходящие математические средства (хорошо изученные математические схемы, скорее, пригодны для моделирования элементов сложных систем) [182].
Радикальный способ снижения трудоемкости при увеличении сложности моделируемых объектов - автоматизация процедур, охватывающих построение и реализацию моделей [182].
Сегодня возникла необходимость совершенствования средств автоматизации имитационного моделирования, которое, помимо основной цели -уменьшения трудоемкости ручных работ и охвата систем, представляющих собой сложные структуры из разнородных элементов, - должно иметь в виду также снижение требований к подготовке пользователя по программированию, формализации и методам решения задач на ЭВМ.
Программа имитации должна быть построена по модульному принципу, при котором все элементы системы описываются единообразно в виде некоторой стандартной математической схемы - модуля [15, 182].
Исследование переходных процессов является частью процесса проектирования САР параметров ТО. Оно завершает этап анализа и синтеза системы. На этом этапе разработчик исследует реакцию системы на стандартные входные воздействия и получает непосредственную информацию о протекающих процессах, анализ которой составляет основу процедур принятия решений.
Известен ряд алгоритмов построения и анализа переходных процессов линейных (линеаризированных) и нелинейных систем автоматического регулирования, ориентированных на использование при машинных расчетах [53, 172].
Разработка общей структуры комплекса syadin
Разрабатываемая подсистема SYADIN, как и САПР СУ ТО в целом, по характеру своего функционирования является активной системой «человек-машина». Поэтому при создании подсистемы SYADIN, ориентированной для использования в рамках САПР СУ ТО, большое внимание уделяется обеспечению эффективной связи человека с ЭВМ и рациональному разделению функций между ними. Для создания благоприятных условий для решения этих проблем необходима организация эффективных диалоговых систем.
Рациональное распределение функций в САПР СУ ТО должно базироваться на детальном изучении свойств и возможностей инженеров-проектировщиков СУ, программных и технических средств, применяемых при автоматизации проектирования.
Задача создания подсистемы SYADIN САПР СУ ТО сводится к необходимости решения комплекса взаимосвязанных проблем, разделенных на две группы: разработка математического обеспечения и разработка структуры системы, способной не только обеспечить выполнение заданной последовательности действий, но моделирующей и элементы творчества в процессе исследования (проектирования).
Результаты проведенного анализа основных принципов построения САПР и разработанная методология автоматизированного анализа динамических режимов сложных объектов и имитационного моделирования поведения СУ сложными ТО позволили выявить структуру средств подсистемы SYADIN. Весь комплекс задач, решаемых в рамках подсистемы SYADIN, предусматривает использование в процессе ее функционирования нижеследующих специально разработанных программных модулей и процедур (рис. 4.1, таблица 4.1).
Среди компонентов подсистемы SYADIN особое место занимает программное обеспечение, поскольку в нем нашли отражение все идеи и методы, заложенные в структуру системы. В основу организации программного обеспечения системы положен принцип модульности, который является одним из условий успешного решения многих задач, возникающих при разработке и развитии подсистемы SYADIN, ориентированной на использование средних ЭВМ.
Элементарные программные модули пакета прикладных программ (111111) разделены на основные (решающие), вспомогательные и сервисные. Основные модули предназначены для решения самостоятельных задач. Вспомогательные - для обеспечения необходимой информации основных модулей. Сервисные - для вывода различной дополнительной информации, облегчающей работу проектировщиков.
Основным блоком системы является управляющая программа (DRIVE), которая обеспечивает необходимую последовательность выполнения этапов обработки и координацию информационного обмена между операционной памятью, внешними носителями и устройствами ввода-вывода.
Модульностью системы обеспечивается работа с библиотекой моделей, представляющимися программными модулями, реализующими математические описания модели, и наборами внутренних параметров. Программные и информационные части моделей составляют базу данных, входящую в банк данных системы. Настройка программы проектирования на работу с конкретной моделью заключается в установлении связей по управлению и информации между модулями проектирования, программным модулем модели и набором внутренних параметров.
Системный принцип организации программ проектирования определил необходимость использования единой информационной базы данных, которая обеспечивает возможность автоматической передачи информации между различными задачами. Информационная совместимость достигается использованием всеми модулями проектирования стандартных величин предметной области пакета и реализации информационных связей между модулями проектирования. Информационное обеспечение модулей проектирования, а тем самым и программы проектирования, является функцией управляющей программы.
Операции ввода необходимых исходных данных для выполнения устанавливаемых заданий, корректировки массивов базы данных, контроля и корректировки выполнения заданий со стороны проектировщика (пользователя) осуществляются с помощью периферийных средств связи с ЭВМ.
Все программные модули и процедуры подсистемы SYADIN составлены с учетом возможности их самостоятельного использования при решении отдельных задач проектирования СУ сложными технологическими объектами.
В целом программное обеспечение подсистемы SYADIN разделяется на два уровня: обеспечивающее и функциональное. Обеспечивающее программное обеспечение отвечает за работу основных базовых функций программной системы: организацию ввода-вывода, взаимодействия с пользователем, управления работой подсистем. Функциональное программное обеспечение состоит из подсистем решения всех задач расчета и анализа динамических характеристик элементов ТО и объекта в целом, а также имитации функционирования сложных СУ ТО. Информационное обеспечение подсистемы SYADIN составляет банк данных, состоящий из баз данных функциональных подсистем, базы данных метаинформации и базы данных управляющей программы.
