Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методология проектирования технического обеспечения АСУТП 20
1.1. Выбор и характеристики системы управления непрерывной технологической линией по производству малосоленых продуктов как объекта проектирования 20
1.1.1. Описание структуры системы управления технологической линией 20
1.1.2. Критерии управления 26
1.1.3. Способы управления 28
1.2. Анализ процесса проектирования систем управления параметрами на участках технологической линии 32
1.2.1. Задачи проектирования 32
1.2.2. Содержание работ стадий проектирования 34
1.2.3. Проектные процедуры и операции 37
1.3. Анализ существующей методологии проектирования 41
1.3.1. Методология проектирования технического обеспечения АСУТП 41
1.3.2. Обзор систем автоматизированного проектирования АСУТП 49
1.4. Постановка задачи совершенствования методологии проектирования технического обеспечения АСУТП 58
1.4.1. Математические методы, применяемые при разработке САПР технического обеспечения АСУТП 58
1.4.2. Проблема и направления совершенствования методологии 60
1.5. Выводы 66
Глава 2. Концепции разработки моделей для автоматизированного проектирования технического обеспечения АСУТП 70
2.1. Модели технического обеспечения АСУТП 70
2.1.1. Уровни представления технического обеспечения 70
2.1.2. Степени неопределенности моделей 72
2.1.3. Множественность модельных описаний технического обеспечения 73
2.1.4. Модели представления знаний о техническом обеспечении в САПР 78
2.2. Развитие концепций разработки моделей для автоматизации проектирования технического обеспечения АСУТП 83
2.2.1. Концепция извлечения знаний 83
2.2.2. Концепция структуризации и формализации знаний 85
2.3. Алгоритмы извлечения знаний в области проектирования схем технического обеспечения 87
2.3.1. Алгоритм формирования понятий 87
2.3.2.Алгоритмы извлечения, обобщения и расширения знаний 88
2.4. Рассмотрение технического обеспечения на верхним уровне абстракции 95
2.4.1. Обобщение понятий 95
2.4.2. Систематизация отношений 98
2.5. Выводы 102
Глава 3. Модели составляющих технического обеспечения для баз данных и знаний САПР 105
3.1. Теоретико-множественное описание технического обеспечения АСУТП на системном уровне 105
3.1.1. Общесистемное представление 105
3.1.2. Функции технического обеспечения АСУТП 105
3.1.3. Структура технического обеспечения АСУТП 109
3.1.4. Свойства технического обеспечения АСУТП 113
3. 2. Подсистемы технического обеспечения АСУТП 115
3.2.1. Выделение подсистем 115
3.2.2. Представление подсистем совокупностью цепей 117
3.3. Модель элемента технического обеспечения 121
3.3.1 .Таксономия элементов 121
3.3.2. Модель элемента на основе семантической сети 127
3.3.3. Свойства элементов технического обеспечения АСУТП 129
3.4. Примеры теоретико-множественных моделей технических элементов 134
3.4.1. Модель датчика температуры 134
3.4.2. Модель промышленного малоканального контроллера 137
3.4.3. Модель клеммного соединителя 147
3.5. Выводы 150
Глава 4. Методика автоматизированного проектирования технического обеспечения АСУТП 153
4.1. Иерархическое описание процесса проектирования 153
4.1.1. Последовательность действий при эскизном и техническом проектировании АСУТП 153
4.1.2. Представление процесса проектирования дедуктивной системой 160
4.1.3. Положения и утверждения для построения схемных описаний 162
4.2. Методика автоматизированного проектирования технического обеспечения АСУТП 166
4.3. Проектирование схем технического обеспечения АСУТП 169
4.3.1. Граф процесса проектирования схем 169
4.3.2. Модели процесса проектирования функциональных схем на примере технического обеспечения АСУ участком дефростации 172
4.4. Диагностика семантических ошибок на начальных стадиях проектирования 178
4.4.1 .Классификация ошибок при проектировании схем 178
4.4.2. Диагностика семантических ошибок 180
4.5. Выбор альтернатив при проектировании технического обеспечения 183
4.5.1. Формирование целевой функции в задачах анализа и синтеза технической структуры 183
4.5.2. Учет дополнительных свойств технических средств 192
4.6. Выводы 194
Глава 5. Формализация методов проектирования цепей технического обеспечения АСУТП 198
5.1. Задача формализации методов проектирования 198
5.2. Формальная система для проектирования функциональных схем технического обеспечения АСУТП 200
5.2.1. Представление технического обеспечения АСУТП при проектировании в виде функциональной схемы 200
5.2.2. Алфавит формальной системы для проектирования функциональных схем 202
5.2.3. Аксиоматика построения функциональных схем технического обеспечения АСУТП 206
5.2.4. Классы и примеры правил построения функциональных схем 207
5.2.5. Формализация правил синтеза межэлементных связей 211
5.3. Формализация перехода к принципиальным схемам 219
5.4. Алгоритмы построения функциональных и принципиальных схем технического обеспечения АСУТП в частично заданном элементно-параметрическом базисе 228
5.5. Выводы 234
Глава 6. Экспериментальные исследования программных реализаций моделей и алгоритмов для автоматизированного проектирования технического обеспечения АСУТП 239
6.1. Состав компьютерного комплекса для автоматического построения схемных описаний технического обеспечения АСУТП 239
6.1.1. Архитектура и особенности применения компьютерного комплекса 239
6.1.2. Формализация условий и решение задач проектирования в компьютерном комплексе 241
6.2. Программная реализация моделей технического обеспечения и процесса построения межэлементных связей 244
6.2.1. Программные средства для решения прикладных задач проектирования схемных описаний технического обеспечения АСУТП 244
6.2.2. Физическая структура базы данных элементов и программное обеспечение для работы с ней 246
6.2.3. Программная реализация генерации функциональных схем 251
6.3. Верификация программных средств 255
6.3.1. Методика работы с компьютерным комплексом при экспериментальных исследованиях 255
6.3.2. Планирование эксперимента 257
6.3.3. Синтез вариантов технической реализации функциональных цепей 260
6.3.4. Проверка возможности автоматического построения межэлементных связей на принципиальных схемах 264
6.4. Экспериментальные исследования программной реализации составляющих компьютерного комплекса 265
6.4.1. Апробация применения составляющих компьютерных комплексов в учебном проектировании 265
6.4.2. Анализ применения программных реализаций моделей и методов при проектировании систем управления тепловыми объектами 274
6.5. Выводы 277
Заключение 280
Библиографический список 288
- Описание структуры системы управления технологической линией
- Функции технического обеспечения АСУТП
- Формирование целевой функции в задачах анализа и синтеза технической структуры
- Апробация применения составляющих компьютерных комплексов в учебном проектировании
Введение к работе
Актуальность исследования определяется существующими противоречиями в области проектирования технического обеспечения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП):
изменение модификаций составляющих АСУТП программно-технических средств автоматизации происходит за время, соизмеримое со временем проектирования АСУТП и ее технического обеспечения,
совершенствование программно-технических средств обуславливает необходимость постоянной модернизации типовых решений по автоматизации технологических объектов определенного класса, сама же модернизация производится темпами, приводящими к отставанию возможностей проектных решений от принципиально достижимых,
большая номенклатура технических элементов АСУТП соответствует небольшому количеству функциональных элементов,
возрастает число степеней свободы при выборе управляющих воздействий и их технических реализаций за счет: моделирования динамики системы управления, роста информационных массивов баз данных (БД), автоматизированного поиска элементов в БД и сохраняется значительное количество эвристических приемов при разработке принципиальных электрических схем и выборе технической реализации АСУТП,
- методология построения систем автоматизированного проектирования
(САПР) технического обеспечения АСУТП направлена на их использование
как CAD (control aided design) систем для автоматизации процесса разработки и
выпуска технической документации, что позволяет снизить число ошибок, свя
занных с маркировкой и нумерацией элементов в схемных описаниях при от
сутствии диагностики семантических ошибок, связанных с определением на
значения устройства, его входов-выходов и возможных связей в составе техни
ческого обеспечения, в то время как в других областях техники широко приме
няются САЕ (control aided engineering) системы (например, технология и САПР
«СПРУТ»), обеспечивающие автоматическую генерацию отдельных видов про
ектной документации.
Выделенные противоречия позволяют осуществить постановку проблемы, имеющей важное значение для отечественной промышленности и хозяйства -создание систем автоматизированного проектирования технического обеспечения АСУТП и повышение эффективности их функционирования, заключающееся в сокращении времени проектирования, снижении числа ошибок на начальных стадиях проектирования при повышении точности стоимостных оценок в ходе расширения множества допустимых решений по технической реализации различных способов и алгоритмов управления.
В рамках данной проблемы актуальны постановка и решение научной проблемы - создание теоретических основ для построения систем автоматического синтеза схем технического обеспечения АСУТП и применения методов автоматизированного проектирования при его разработке, позволяющих осуществить автоматизацию и интеллектуализацию решения задач технической реализации функциональной структуры АСУТП.
Область исследования - разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов для синтеза и анализа проектных решений по технической реализации различных способов и алгоритмов управления непрерывными технологическими процессами.
Объект исследования - процесс разработки схемных решений на начальных стадиях создания технического обеспечения АСУТП на базе элементов электрической ветви государственной системы приборов, техническое обеспечение АСУТП.
Цель диссертационной работы - совершенствование существующей методологии проектирования технического обеспечения АСУТП на основе разработки совокупности моделей, положений и методов, создающих предпосылки для автоматизации и интеллектуализации начальных стадий создания технического обеспечения АСУТП.
Для достижения цели в работе осуществлялись постановка и решение основных исследовательских задач:
-
выбор и анализ объекта проектирования, анализ существующей методологии и систем автоматизированного проектирования технического обеспечения выделенных АСУТП,
-
анализ моделей технического обеспечения и моделей представления знаний в САПР, разработка методов и алгоритмов построения моделей технического обеспечения с использованием компьютерных систем, систематизация межэлементных отношений,
-
построение иерархического теоретико-множественного описания технического обеспечения для информационных массивов САПР,
-
систематизация эвристик и иерархическое представление процесса проектирования, разработка методики автоматизированного проектирования технического обеспечения АСУТП,
-
формализация эвристических приемов проектирования цепей технического обеспечения, разработка моделей и алгоритмов для автоматического построения и преобразования функциональных и принципиальных схем технического обеспечения в частично выбранном элементно-параметрическом базисе,
-
разработка архитектуры и составляющих компьютерного комплекса как представителя класса интеллектуальных систем, предназначенных для автоматизации решения задач преобразования функциональной структуры системы управления в описания схемных решений при технической реализации с использованием частично заданного элементно-параметрического базиса,
-
программная реализация концепций построения компьютерного комплекса, разработка методик работы с ним и проведение на их базе экспериментальных исследований предложенных моделей и методов при решении задач проектирования подсистем технического обеспечения АСУТП.
Научная новизна. В настоящей работе:
1. Для предложенной и запатентованной автором функциональной структуры системы управления непрерывной технологической линией осуществлена интерпретация задачи синтеза технической структуры АСУТП в виде построения и преобразования графовых моделей функциональной структуры в выбран-
ном базисе, отражающих процесе создания и детализации межэлементных связей при рассмотрении ограничений в виде бинарных запретов на сочетание структурных элементов технического обеспечения АСУТП на разных уровнях иерархического описания.
-
Развита концепция извлечения, структуризации и формализации знаний в области автоматизированного проектирования технического обеспечения АСУТП на основе предложенных: методики создания моделей знаний, предусматривающей использование в качестве эксперта компьютерной системы, осуществляющей синтез вариантов технической структуры; систематизации межэлементных отношений с выделением класса композиционных отношений, характеризующегося вариацией свойств при изменении формы представления проектных описаний.
-
Предложен комплекс моделей технического обеспечения для информационных массивов САПР в виде иерархического описания уровней: системного, подсистем, цепей, приборного с организацией межуровневых переходов на базе отношений «часть-целое» », раскрытием каждого уровня с использованием отношений «род-вид», «иметь свойства», «иметь значения свойств» с введением на системном и приборном уровнях классов свойств, характеризующих удобство проектирования АСУТП, особенности программирования технических средств и выражением функций элементов через свойства передаваемых в цепи сигналов.
-
Разработаны модели технических средств автоматизации, включающие: теоретико-множественное описание свойств, методику снижения размерности пространства свойств на основе статистических методов, логическую систему обобщенных операций при программировании, объектно-ориентированное описание взаимосвязей входов-выходов, определяемое функциональным назначением проектируемой системы, и построенные на их базе интерактивные средства для изучения процедур программирования средств автоматизации.
-
Предложена методика автоматизированного проектирования технического обеспечения, новизна которой заключается в систематизации и формализации эвристических приемов создания проектных описаний технического обеспечения; автоматической генерации вариантов технической реализации различных управляющих воздействий на основе введенных классов правил разработки функциональных схем в частично заданном элементно-параметрическом базисе и модели разработки принципиальных схем; анализе вариаций приведенных затрат на основе принципиальных схем по всем вариантам с учетом критериев управления, свойств АСУТП и ее элементов.
-
Разработаны формальная система для построения функциональных схем, модели и алгоритмы преобразования схем технического обеспечения на основе агрегативно-декомпозиционной технологии, отличающиеся использованием предложенных правил синтеза межэлементных связей, определяемых классами элементов и видами сигналов в цепи, являющихся значениями и аргументами функций элементов.
7. Предложены архитектура, методики применения и программная реализация компьютерного комплекса, отражающие связь прикладного и предста-
вительного уровней САПР с физическим уровнем АСУТП и обеспечивающие автоматизацию и интеллектуализацию решения задач разработки схемных решений по технической реализации функциональных цепей АСУТП, выражающихся в автоматическом построении описаний технического обеспечения, в явном виде не содержащихся в системе.
Методы исследования. В работе используются методы теорий: управления, множеств, графов, формальных систем, баз данных, искусственного интеллекта, а также методы инженерии знаний, системного моделирования, эвристических решений, математической статистики. Работа выполнена в рамках междисциплинарной отрасли научных знаний, охватывающей теорию проектирования, схемотехнику АСУТП и технических средств автоматизации,.
Достоверность полученных результатов подтверждается экспериментальными исследованиями на действующем прототипе компьютерного комплекса, доказывающими сходимость процесса автоматического синтеза описаний межэлементных связей в частично заданном элементно-параметрическом базисе, соответствующих функциональным и принципиальным схемам, существование интерпретации формальной системы для проектирования описаний функциональных схем технического обеспечения АСУТП и правил перехода к принципиальным схемам на булеане универсума предложенной таксономии элементов. Результаты автоматического синтеза межэлементных связей схемных описаний технического обеспечения полностью согласуются с решениями, полученными в ходе проектирования подсистем различных АСУТП в проектных организациях.
Практическая ценность работы заключается в повышении эффективности человеко-машинных систем при проектировании технического обеспечения АСУТП, выражающейся в автоматизации процессов синтеза межэлементных связей и информационной поддержке процессов принятия решений при выборе вариантов. В ходе выполнения исследований:
-
Доказана возможность снижения времени поиска множества допустимых решений при повышении числа учитываемых показателей на базе применения систем автоматизации синтеза межэлементных связей и программных средств для оценки вариантов технической реализации с учетом системных свойств, а также осуществлено снижение роли субъективных оценок при проектировании, выражающееся в использовании набора схем для всех оцениваемых вариантов.
-
Сформированы концептуальная схема и информационная база, зарегистрированные в едином реестре баз данных РФ и используемые при автоматическом синтезе схем технического обеспечения АСУТП, показано, что продукционные правила, использующие данную базу обеспечивают генерацию вариантов связей при организации взаимодействия элементов на физическом уровне, превышающую возможности опытного специалиста.
-
Разработаны интерактивные средства в виде мультимедийных программных приложений, позволяющие использовать знания непрограммирующего специалиста как инструмент при разработке моделей инженерных знаний. Предложена и апробирована методика извлечения экспертных знаний в области проектирования технического обеспечения АСУТП с применением компьютер-
ной системы и набор вопросов для диалога при извлечении знаний и построении моделей.
-
Разработаны алгоритм диагностики семантических ошибок на начальных стадиях проектирования технического обеспечения и набор учебно-тренировочных заданий для обучения начальным стадиям проектирования технического обеспечения АСУТП.
-
Сформирован набор эвристик, используемых на начальных стадиях проектирования технического обеспечения АСУТП, представлены теоретически и практически обоснованные формализованные операции и процедуры, позволяющие автоматически получать проектные описания схемных решений по технической реализации функциональных цепей.
-
Предложено разработку проектных описаний технического обеспечения осуществлять начиная со стадии исследования объекта управления при использовании расширен
-
Представлены примеры моделей для БД САПР, включающие: развернутое описание свойств программируемого контроллера и методику получения обобщенных факторов, определяющих наиболее значимые свойства, по которым осуществляется выбор подкласса и модификации прибора.
-
Доказаны существование интерпретации предложенной формальной системы для автоматического построения функциональных схем в частично заданном элементном базисе на булеане предложенной таксономии элементов и истинность формул в данной интерпретации.
-
Разработаны и переданы в эксплуатацию действующие прототипы компьютерных комплексов, обеспечивающих интеллектуализацию и автоматизацию прикладных задач построения и преобразования схемных решений по технической реализации измерительных и управляющих цепей технического обеспечения с аналоговыми и импульсными сигналами.
На защиту выносятся:
1. Методика создания моделей знаний в области автоматизированного про
ектирования технического обеспечения АСУТП, основанная на применении
компьютерной системы и включающая: алгоритмы обобщения понятий, извле
чения и расширения знаний, систематизацию отношений рассматриваемой об
ласти с выделенным классом композиционных отношений.
2. Совокупность моделей технического обеспечения АСУТП для информа
ционных массивов САПР в виде иерархического описания с использованием
отношений «часть-целое» на уровнях: системном, подсистем, цепей и элемен
тов и раскрытием каждого уровня на основе отношений «род-вид», «иметь
свойства», «иметь значения свойств» с описанием основных функций элемен
тов на основе предложенных шкал для представления сигналов. Модели про
мышленного контроллера, датчика температуры и клеммного соединителя как
примеры моделей элементов.
3. Методика автоматизированного проектирования технического обеспечения АСУТП, основанная на: иерархии положений, обобщающей эвристические приемы проектирования; генерации многообразия вариантов технической реализации способов и алгоритмов управления; расчете оценок для всех рассмат-
риваемых вариантов и учете дополнительных системных свойств, характеризующих особенности программирования элементов и сложность проектирования технического обеспечения.
-
Формальная система для автоматического построения функциональных схем технического обеспечения в частично заданном элементно-параметрическом базисе, правила вывода которой связаны с классами элементов и видами сигналов в цепи. Модели и алгоритмы преобразования функциональных схем технического обеспечения АСУТП в принципиальные, основанные на декомпозиции элементов до контактов разъемов, свойства которых наследуются от компонент верхних иерархических уровней.
-
Архитектура, составляющие и методики применения компьютерного комплекса, являющегося представителем нового класса компьютерных систем, ориентированных на интеллектуализацию и автоматизацию решения задач построения схемных описаний технического обеспечения АСУТП и включающего базу данных на основе многоуровневой модели технического обеспечения, базу знаний на основе правил вывода межэлементных связей, программные средства для анализа дополнительных свойств.
Связь работы с научными темами и программами. Результаты работ получены в ходе проведения: госбюджетных НИР Тверского государственного технического университета (ТГТУ) по теме «Научные основы разработки мультимедиа тренажеров на основе рефлексивного подхода» (2002-2006 гг., направление «Информационная деятельность» научно-исследовательской деятельности Высшей школы РФ), НИР в рамках федеральной целевой программы "Развитие единой образовательной информационной среды" (2001-2005 гг.) и межвузовской комплексной программы «Наукоемкие технологии образования» (2001-2004 гг.).
Апробация работы. Результаты работ докладывались и обсуждались на: международных научно-практических и научно-технических конференциях: "Математические методы в интеллектуальных информационных системах" (г. Смоленск, 2002), "IEEE international conference on advanced learning technologies" (г. Казань, 2002), 2-ой и 4-ой "Дистанционное обучение - образовательная среда XXI века" (г. Минск, 2002, г. Тверь, 2004), «Компьютерные технологии в управлении, диагностике и образовании» (г. Тверь, 2002), «Актуальные проблемы науки и образования» (г. Пенза, 2003), «Information Theories and Applications» и «KDS07» (г. Варна, Болгария, 2004, 2007), 4-ой «Современные сложные системы управления СССУ-HTCS» (г. Тверь, 2004), 19-ой, 22-ой, 23-ей "AIS'04; 07; 09" (п. Дивноморское, 2004, 2007, 2009), 6-ой «Компьютерное моделирование 2005» (г. Санкт-Петербург, 2005), 2-ой конференции по когнитивной науке «CogSci2006» (г. Санкт-Петербург, 2006), Х-ой «Системный анализ в проектировании и управлении» (г. Санкт-Петербург, 2006), конференции федерации по обработке информации (IFIP) «Sorucom2006» (г. Петрозаводск, 2006), 1-ой и 2-ой "Информационные технологии в образовании, технике и медицине" (г. Волгоград, 2006, 2009), ГХ-ой "Интеллектуальные системы и компьютерные науки" (г. Москва, 2006), «Качество образования: системы, технологии, инновации» (г. Барнаул, 2007), 9-ой , 12-ой, 20-ой, 21-ой, 22-ой
"Математические методы в технике и технологиях" (гг. Тверь, 1995, Новгород, 1999, Ярославль, 2007, Саратов 2008, Псков 2009), 4-ой конференции "Методы и средства управления технологическими процессами" (г. Саранск, 2007); 8 симпозиуме «Интеллектуальные системы INTELS 2008» (г. Н. Новгород, 2008), всероссийских научно-технических и научно-методических конференциях: 1-ой "Автоматизация технологических процессов и управление производством на предприятиях пищевой промышленности" (г. Москва, 1996), 9-ой конференции по искусственному интеллекту КИИ 2004 (г. Тверь, 2004), «Повышение качества непрерывного профессионального образования» (г. Красноярск, 2006), 7-ой и 8-ой «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» (г. Улан-Удэ, 2006, 2007), «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения УКИ'08» (г. Москва, 2008), региональных конференциях и семинарах (гг. Киев, Калининград, Рязань, Тверь).
Высокий научно-технический уровень разработок отмечен дипломом 2 степени международного союза машиностроителей на 13 международной конференции «Машиностроение и техносфера XXI века», (г. Донецк, Украина, 2006).
Компьютерные комплексы, реализованные на основе разработанных технологий, моделей и алгоритмов экспонировались на 4 и 5 выставках-ярмарках "Современная образовательная среда" (Москва, ВВЦ, 2002 - 2003 гг.).
Внедрение результатов. Результаты работ используются в ведущих проектных организациях Тверского региона: ООО «ИнтерПромАвтоматика», про-ектно-конструкторском бюро ООО «ПКБ автоматизации производства», ОАО «Редкинское опытно-конструкторское бюро автоматики». Методика автоматизированного проектирования использована при разработке системы управления температурой в канале печи ЗАО «Востек». Результаты работы переданы в эксплуатацию и используются при выполнении НИР и подготовке специалистов по направлению «Автоматизация и управление» в Тверском, Калининградском, Кузбасском государственных технических университетах.
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 70 печатных научных работ, общим объемом около 30 печатных листов, в том числе две монографии. Свыше 70 процентов публикаций выполнены без соавторов.
Структура и объем работы. Диссертация включает: введение, шесть глав, заключение, библиографический список из 197 наименований, изложенных на 303 страницах машинописного текста, включающих 39 рисунков, 29 таблиц; 5 приложений, содержащих 29 рисунков и 15 таблиц.
Описание структуры системы управления технологической линией
Результаты содержательного анализа более 300 локальных задач управления технологическими параметрами в пищевой, рыбной, нефтеперерабатывающей, химической промышленности, в черной и цветной металлургии, теплоэнергетике, сельскохозяйственном производстве показывают ограниченность наборов: математических описаний управляемых объектов не смотря на качественное отличие физической природы автоматизируемых технологических процессов [144]; измеряемых, контролируемых и регулируемых величин (например, число основных регулируемых параметров в пищевой промышленности не превышает шести [148]; решаемых на нижнем уровне управления функциональных задач [119, 154].
Реализуемые АСУТП функции можно представить [139]:
F = F1uF2uF3,F1 = {FlbFi2, ...,FIm},F2 = {F2i,F22, ...,F2k},
F3 = { F31, F32, ..., F3J, где F[ - управляющие, F2- информационные F3 - дополнительные функции.
К множеству Fi относятся: стабилизация переменных технологического процесса посредством их регулирования, программное регулирование технологического параметра, однотактное логическое управление пуском и остановом технологического аппарата, программное логическое управление группой аппаратов, оптимальное управление установками и переходными процессами в аппаратах. При адаптивном управлении к множеству Fj добавляются: идентификация параметров объекта управления, зависящих от времени, принятие решения о переводе системы в заданное состояние; модификация состояния системы (изменение рабочей точки).
Управление как технологическими параметрами, так и пуском-остановом технологического оборудования приводит к решению задачи оптимальной по быстродействию с учетом ограничений на перерегулирование по режимным параметрам.
К множеству F2 относятся: измерение и контроль технологических парамет 21 ров, фиксация времени отклонения параметра, вычисление технико-экономических и внутренних параметров технологического процесса, формирование и выдача данных оперативному персоналу, передача информации в смежные системы управления, сигнализация наступления предаварийных и аварийных си-туаций.
К множеству F3 относятся: оценка и проверка состояния автоматизированного технологического комплекса, блокировка оборудования в случае возникновения непредвиденных и аварийный ситуаций.
По способам выполнения функций из множеств Fi и F2 выделяются [154]:
Сії - АСУТП, функционирующие без вычислительного комплекса,
С12 - АСУТП с вычислительным комплексом, выполняющим информационные функции,
С1з - АСУТП с вычислительным комплексом, выполняющим управляющие функции в режиме советчика,
СЦ - АСУТП с вычислительным комплексом, выполняющим управляющие функции в режиме супервизорного управления,
СІ5 - АСУТП с вычислительным комплексом, выполняющим управляющие функции в режиме непосредственного цифрового управления.
В начале двадцать первого века широкое распространение получили комбинированные АСУТП с вычислительным комплексом, выполняющим информационные функции на основе SCADA систем и управляющие функции в режимах супервизорного и непосредственного цифрового управления [82, 117]:
С1б = С12иС1з С14иС15.
АСУТП последнего класса в настоящее время являются системами управления четвертого поколения (Охтилев М. Ю. с коллегами) [127]. Данная система представляет собой пространственно распределенную неоднородную систему обработки сигналов и данных, обеспечивающую перестройку структуры в зависимости от изменения как локальных, так и глобальных целей функционирования. АСУТП имеют: многоцелевой характер, функциональную избыточность основных элементов, структурное подобие элементов, находящихся на различных уровнях, многовариантную реализацию функций, техническую реализацию алгоритмов управления на основе приборов и устройств разных производителей, наличие пространственно распределенной сети обмена данными, гибкие технологии управле 22 ния.
Всеми перечисленными свойствами обладают автоматизированные системы управления линиями по производству малосоленых рыбных продуктов (пресервов), техническое обеспечение систем управления которыми выбирается в качестве прототипа объекта проектирования в настоящей работе.
Выбор линии по производству малосоленых рыбных продуктов в качестве объекта управления и технического обеспечения системы управления линией в качестве объекта проектирования определяется тем, что:
- в основном для управления параметрами технологических процессов и установок рассматриваемых линий широко применяются замкнутые системы автоматического регулирования, реализующие ПИД закон управления;
- в данном классе объектов управления известны способы управления, предусматривающие как параметрическое управление (изменение физических параметров элементов объекта, режимов функционирования), так и структурное управление (изменение состава элементов и (или) связей между ними) [9, 22, 32, 54] (ранее способы не были технически реализованы вследствие недостаточного уровня развития и надежности средств автоматизации),
- в состав оборудования входят технологические аппараты, требующие измерения и управления всех распространенных физических параметров (температура, расход, уровень, давление, концентрация, масса), а также обеспечения операций пуска-останова технологических аппаратов и связывающего их транспортного оборудования,
- АСУТП оснащается средствами автоматизации и контроля различных изготовителей, выпускаемых в различные периоды времени,
- в ходе технологического цикла возможен широкий диапазон колебаний параметров технологических параметров в сравнении с требованиями технологических инструкций,
- в процессе эксплуатации АСУТП происходит быстрая модернизация приборов как локального, так и верхнего уровня,
- производство малосоленых продуктов осуществляется как на малых предприятиях, где наличие системы управления является залогом технологической дисциплины и экономии ресурсов для выживания и успешной конкуренции на рынке, так и на крупных рыбообрабатывающих комплексах, выпускающих значительную номенклатуру продукции, техническое перевооружение которых характеризуется значительным объемом и стоимостью работ.
Автоматизированная технологическая линия по производству малосоленых продуктов (пресервов) представляет собой многоуровневую техническую систему (рис. 1.1) [50, 52, 54,56].
Нижний уровень включает технологическое оборудование, в состав которого входят преобразующие и передающие технологические агрегаты (10 - 22, 1-1 -7-7). Верхний уровень включает оперативный персонал. Два промежуточных уровня занимает автоматизированная система управления технологическим процессом. На одном располагается вычислительное устройство, регистрирующее возмущения режимных параметров (температуры полупродукта на участке дефростации, на участке набивки, соли, заливки, технологической воды, воздуха в цехе и т. д.) и осуществляющее расчет заданий локальным системам управления второго промежуточного уровня.
В состав локальных систем входят системы управления: участком дефростации (размораживания) (1), набивочной машиной (2), уровнем антисептика (3), процессом дозирования соли (4), машиной для дозирования заливки (5), закаточной машиной 6, температурой воды для мойки закатанных банок (7), дополнительным охлаждением банок с продуктом (8), температурным режимом на складе готовой продукции (9). Все составляющие системы управления связаны линиями передачи информационных сигналов.
Объектом управления при создании АСУТП, отраженной на рис. 1.1, является территориально распределенное технологическое оборудование, связанное транспортными линиями, режимы работы которого зависят от вида сырья и ассортимента готовой продукции [38, 184, 185]. Работа системы управления направлена на стабилизацию основных технологических параметров (режимных): температуры продукта и массового содержания соли в нем [22, 54]. Изменение исходных данных о виде сырья и типе продукта производится технологом и приводит к коррекции модели процесса и вводу характеристик сырья.
Рассматриваемая функциональная структура АСУТП аналогична структурам исследованных автором систем управления в электроэнергетике и сельскохозяйственном производстве [183], сельскохозяйственном машиностроении [38], биомедицинской технике [18], учебно-лабораторном оборудовании [26, 24, 185], в рыбной и пищевой, химической промышленности [117, 5].
Обобщение функциональной структуры АСУТП показывает, что проектируемое техническое обеспечение характеризуется как территориально распределенное, совмещенное с технологическим оборудованием и реализующее заданные функции посредством программирования [169]. Многоуровневая классификация рассматриваемой АСУТП представлена в табл. 1.1.
Функции технического обеспечения АСУТП
На высшем уровне иерархии обобщенное теоретико-множественное описание технического обеспечения представляется в виде пятерки: Su= C,F, S,Atr,H (3.1) где: Su - техническое обеспечение, С - связи с окружающей средой, F - выполняемые функции, S — модель структуры, Atr - совокупность свойств, Н - описание жизненного цикла технического обеспечения в процессе проектирования, настройки и программирования, опытной эксплуатации, после модернизации.
Выражение (3.1) представляет описание технического обеспечения АСУТП как целого, характеризуемого составом системных характеристик. Параметр С определяет целостность системы. В ходе проектирования отделение системы от среды осуществляется на базе совокупности эвристических приемов. Модели каждой системной характеристики описываются для различных уровней расчленения, которое может производиться с применением различных признаков. Определение взаимосвязей составляющих модели затруднено вследствие их высокой размерности, многосвязности и многоаспектности рассмотрения задач представления системы. Основываясь на дуальном выделении параметров можно записать:
Atr- F, F- S, SuFuAtr - AtSu, AtSu- Cr.
При выделении системы из среды техническое обеспечение описывается:
F.S.Atr i1,..., { F,S,Atr },\ (3.2)
где: { F,S,Atr }І - І-Я компонента первого уровня расчленения, { F, S, Atr }ik -1-я компонента k-го уровня расчленения.
Функционально-структурные свойства базовых элементов, составляющих систему, описываются выражением: { F,S }rm. (3.3)
Техническое обеспечение АСУТП со стороны основной функции характеризуется как система качественного и количественного преобразования значений фи 106 зических параметров объекта управления в изменение значений этих же или других параметров. Выполняемая функция лежит в основе классификации АСУТП по функциональному назначению.
Система характеризуется функциональным назначением F, которое можно разбить на составляющие fj (п. 1.1), каждая составляющая определяется наличием в составе системы подсистемы, обеспечивающей ее реализацию [119]:
F- {fbf2,f3,...,fb...fi}- (3.4)
Объем и содержание fj определяется свойствами и структурой как объекта, так и системы управления. Каждая fj соответствует своему структурному элементу. Реализация одной и той же функции может осуществляться с применением различных технических структур, обладающих различными технико-экономическими характеристиками. Это обстоятельство приводит к многовариантности задач синтеза технического обеспечения АСУТП на основе заданной функции (глава 1).
Использование принципов адаптивного управления технологическими процессами ([50, 53]) при проектировании технического обеспечения АСУТП определяет необходимость избыточности набора функций системы на начальных стадиях ее создания.
С учетом двух составляющих критериев управления (1.1) и нескольких режимов работы, функции технического обеспечения могут изменяться в процессе работы [51]: автоматический вывод аппарата на рабочий режим, регулирование режимных параметров, автоматический останов, регулирование производительности по сигналу с верхнего уровня. В системе управления температурой на участках линии по производству малосоленых продуктов для реализации первой функции используются две составляющих технического обеспечения. Первая реализует логическую систему операций управления пуском-остановом. Вторая предназначается для реализации каскадной системы автоматического регулирования или системы управления по модели [51, 55].
Описание функции технического устройства (Половинкин А. И.) состоит из двух частей, которые в свою очередь представляются тройками [131]:
F = Р, Q , Р = D, G, В , Q=( Атн Е Ст), где: Р - потребность в техническом объекте, Q — физическая операция, D - указание действия, производимого объектом, G - предмет, на который направлено дей , 107 ствие, В - условия и ограничения, при которых выполняется действие, Ат- входной поток энергии, вещества или сигналов, Е - операция превращения входного потока в выходной, Ст— выходной поток вещества, энергии или сигналов. В результате подстановки переменных Р, Q получается:
F = D, G, В, Ат- Е- Ст (3.5).
Клейменовым С. А: и Рябовым С. Н. описание функции автоматизированного технологического комплекса представляется [98]:
F = D,G,TT , , (3.6)
где: D — указание действия, приводящего к желаемому результату, G - указание объектов, на которые направлено действие, Тт - технические требования, условия и ограничения, при которых выполняется действие.
Описание отдельного технического требования предлагается представлять четверкой:
TT = W,F,S,B , (3.7)
где: W - указание к какой системе или какому элементу относится требование, F -функция, реализацию которой обеспечивает требование, S - определение качественного состава функции, В - определение ограничений, при которых происходит выполнение функции.
Требования делятся на функциональные и нефункциональные., Нефункциональные требования являются ограничениями, рассматриваемыми при синтезе структуры системы и определении ее функций.
Подставляя (3.7) в (3.6) и предполагая истинным выполнение свойства идемпотентности для полученного выражения:
F = D,G, B,W, S , (3.8)
Сравнивая (3.8) с (3.5) и считая для представленных описаний: F = F, D = D, G = G, W, S = Ат- Е- Ст прнимается истинным допущение о представлении функции технического обеспечения АСУТП набором основных понятий, определяющих: действие, объекта, на который оно направлено, ограничений, при которых оно выполняется и качественный состав выполняемого действия в виде указания входа, выхода и операции преобразования входа в выход. Таким образом, произведено нахождение модели функции технического обеспечения АСУТП в классе обобщенных теоретико-множественных описаний.
Функция F определяется как преобразование Т множества входов {Х,}в множество выходов {Yj} и описывается отображением:
F = T({Xi}- {YJ}). (3.9)
Например, при реализации задачи регулирования функция АСУТП заключается в преобразовании по определенному закону значения сигнала рассогласования между заданным значением параметра и измеренным значением в изменение расхода вещества или энергии. Преобразование (3.9) является сложным. Анализ (3.9) позволяет предложить развернутое представление функции:
F = D, G, В, Sf , D = А, Cr, Alg , G = EnbFlb.. . , (3.10)
B= OgrHb... ,Sf- S(E),E= Atr1,...3Atri,.... ,Atri =1, AtTj - О, где А - цель системы или ее элемента, Сг - критерий достижения цели, Alg - алгоритм настройки и функционирования, Og i - набор ограничений, En - точки раздела системы и ОС, G - характеристики потоков между системой и ОС в точках раздела, Sf - функциональная структура, S(E) - технческая структура для реализации Sf, Е - множество элементов, AtTj - свойства элементов, 1,0- характеристики сигналов входов/выходов средств автоматизации.
Модель (3.10) раскрывает связь функции технического обеспечения АСУТП с характеристиками сигналов входов-выходов элементов технического обеспечения.
В настоящее время можно говорить о переходе технических средств автоматизации в класс программных систем [21]. При этом элементы технического обеспечения приобретают свойство полифункциональности, а целые классы технических средств, выделенных в прошлом (например, корректирующие и задающие устройства) становятся невостребованными. Программируемость технических средств приводит к необходимости рассмотрения их взаимодействия на логическом, аппаратном, программном уровнях, порождая соответствующие иерархии моделей. Недостаток информации об особенностях программирования различных приборов и средств автоматизации на начальной стадии создания АСУТП, возможные ошибки, связанные с невозможностью взаимодействия с некоторыми техническими средствами, приводят к повышенным временным и интеллектуальным затратам при разработке алгоритмов настройки технического средства на заданные функции в составе проектируемой системы.
Формирование целевой функции в задачах анализа и синтеза технической структуры
При создании технического обеспечения АСУТП учитываются затраты по всем стадиям жизненного цикла системы (создание, эксплуатация, утилизация), чем устанавливается его связь с параметром Н в выражении (3.1). Учитывая быстрое обновление микропроцессорной элементной базы и приборов на ее основе за время жизненного цикла технологического оборудования происходит несколько модернизаций технического обеспечения АСУТП.
При выборе вариантов в многокритериальном пространстве обычно считается, что рассматривается задача векторной оптимизации. На начальных стадиях создания технического обеспечения АСУТП в такой постановке решение задачи затруднительно [47]. Определение области эффективных решений по реализации технического обеспечения АСУТП в сложившейся инженерной практике осуществляется с использованием метода прямого перебора [20] .При отсутствии оценки важности критериев используются метод парных сравнений или метод относи 184 тельной важности [34].
Проблема определения конкретного вида критериев связана с выделением набора свойств системы в выражении (3.1). При выявлении комплексного критерия эффективности АСУТП сложно вести учет параметров, характеризующих стратегию развития системы и ее окружения, ситуационную реакцию системы, характеризующую количественно-номенклатурный состав, сохранение и деградацию интегральной целевой эффективности, динамику полных затрат по стадиям жизненного цикла, динамику невосполнимых затрат при моральном и физическом старении, неопределенность наступления цикла деградации.
Эвристические критерии, используемые на всех уровнях проектирования, подбираются таким образом, что исключенные из рассмотрения варианты, как правило, не дают рационального варианта на завершающих этапах проектирования [115].
Выбор варианта реализации системы управления обеспечивается при рассмотрении одного экономического критерия и переводе остальных в разряд ограничений. Так, сравнительный анализ вариантов осуществляется на основе условной цены всех операций, выполняемых системой управления [7]. Сумма прибыли от использования системы управления в виде неявной функции от технической структуры рассматривается в качестве критерия в ходе выбора технических средств при ограничениях на число типов технических средств и число приборов некоторого типа [64]. Данные критерии имеют значительную неопределенность составляющих, что приводит к недостаточному количеству оцениваемых вариантов, увеличению времени проектирования, дополнительным затратам на исправление ошибок при применении экспертных методов на начальных стадиях создания систем управления.
Переход к использованию средств и методов автоматизированного проектирования осуществляется на основе постановки и решения задачи управления процессом проектирования. Рассмотрение процесса перевода заданной функциональной структуры в технический базис при известной топологии объекта можно отнести к классу задач оптимального управления. Исходя из опыта инженерного проектирования можно констатировать, что в большинстве случаев проводится анализ чувствительности критерия эффективности процесса проектирования к изменениям технической структуры системы управления. В ходе анализа осущест 185 вляется поиск эффективных (предпочтительных по мнению проектировщика) на множестве допустимых решений, построенных на основе процедур синтеза системы.
В качестве цели управления процессом проектирования технической структуры системы управления вьщеляется получение экстремума целевой функции при разработке и трансляции описаний создаваемой системы в виде структурной и функциональной схем, а также текстов технического задания и рекламно-коммерческих материалов в комплект проектной документации. Выбор начальной точки поиска осуществляется на основе типового (имеющегося) решения, предпочтений проектировщика и пожеланий заказчика.
Управление рассматривается как сочетание структурного и параметрического управлений. Это проявляется в том; что вначале производится изменение параметров выбранного комплекса технических средств (например, модификаций приборного ряда) и связей между ними, а затем при изменении комплекса технических средств возможны вариации технической и- алгоритмической структур системы управления.
В составе задачи построения и выбора технической реализации систем управления технологическими процессами объектами можно выделить набор частных подзадач. К ним относятся задачи определения:
- множества состояний системы управления,
- множества свойств системы управления и в их составе показателей, которые могут рассматриваться как управляющие воздействия на процесс проектирования системы,
- вида функций, отражающих зависимость состояния от свойств системы,
- связей свойств системы между собой,
- ограничений на изменение рассматриваемых свойств и управляющих воздействий.
Решение задачи анализа технической структуры системы управления может быть рассмотрено как последовательный синтез моделей технических структур, разработка их проектных описаний и анализ предлагаемых вариантов на основе заданной целевой функции. В общем виде задание целевой функции обеспечивается рассмотрением выражения [151]:
Традиционно в качестве (4.1) рассматривается зависимость от технико-экономических показателей из списка: экономические показатели, масса, объем, энергопотребление, показатели надежности [64]. Существующая методология решения задач оптимизации (4.1) заключается в замене неравенств (4.2) равенствами и построении вычислительного алгоритма [5, 64, 151]. В то же время условию репрезентативности выбора Сг и расширенному определению фазового пространства свойств {XJ} уделяется недостаточное внимание.
На основе изучения опыта создания систем управления технологическим оборудованием в химической, пищевой, рыбной, нефтехимической отраслях промышленности, теплоэнергетике предлагается рассмотрение целевой функции в виде аддитивной комбинации капитальных и эксплуатационных затрат
За базовые состояния системы управления Hj принимаются состояния в завершающие моменты этапов жизненного цикла системы: проектирование, монтаж и наладка, эксплуатация, реинжиниринг, утилизация. Каждое базовое состояние в свою очередь может быть детализировано (например: проектирование - на обследование объекта, эскизное, рабочее проектирование, согласование проекта). Два последних состояния расширяют множество состояний и могут вносить неопределенность в составляющие целевой/ функции. Их введение определяется быстротой обновления приборного ряда программно-технических средств, когда время изменения схемотехнической реализации технического устройства соизмеримо со временем проектирования системы управления на его базе.
Предлагается при управлении процессом проектирования в выражении (3.1) (гл. 3): учитывать набор связей С как требования технического задания со стороны объекта и оператора; рассматривать S как набор структур (функциональная, техническая, алгоритмическая, топологическая); построение схем осуществлять для всех вариантов технической структуры; свойства элементов и составляющих системы управления приводить к одной физической размерности для получения единого функционала со скалярным выходом, при этом1 значения свойств должны представляться с одинаковой точностью.
Список свойств отражает как функциональное, так и морфологическое описания системы. Выбор свойств является управляющим воздействием.
На основе принципа абстрагирования в ходе синтеза технической структуры выделяются базовые свойства, определяющие условия совместимости технических элементов. Свойства отражают качественную и количественную совместимости информационных сигналов на входах-выходах непосредственно соединяемых элементов и конструктивную совместимость для обеспечения физического соединения линий связи.
Принимая связи системы с окружающей средой фиксированными, а функциональную структуру определенной вариант технической реализации системы управления технологическим объектом представляется в виде множества состояний, раскрываемых через множество реализуемых функций: V = [{f,:(S, Atr)b..., fi:(S, Atr)b..., fd:(S, Atr)d}b ...,{fb(S, Atr)b..., fc (S, Atr)iv.., fd:(S, Atr)d}5], где V - описание варианта технической реализации, S - набор взаимосвязанных структур, обеспечивающих реализацию функции, Atr - свойства системы, d - заданное число реализуемых функций по подсистемам системы управления.
Апробация применения составляющих компьютерных комплексов в учебном проектировании
В соответствии с моделью усвоения материала, принятой в теории обучения [123], профессиональная подготовка в области автоматизированного проектирования технического обеспечения АСУТП связана с передачей информации в слабоструктурированной области знаний, получением и воспроизведением знаний на аналитическом и творческом уровнях усвоения. В качестве первоочередных для подготовки специалистов в области технического обеспечения АСУТП выделяются навыки построения и преобразования межэлементных связей технического обеспечения АСУТП с применением языков схем и псевдофизических языков компьютерных систем [37].
Целью решения учебной задачи при использовании составляющих комплекса является получение навыков построения систем управления и разработки комплекта технической документации на техническое обеспечение АСУТП. В ходе последовательных сеансов обучения в сознании формируется понимание структуры изучаемой области, характера связей и отношений между составляющими ее объектами. Действия обучаемого включают набор мыслительных операций по построению из отдельных технических средств системы управления, обладающей заданными свойствами. При использовании КК появляется возможность совмещения процесса тренинга с осознанием своих действий при решении конкретной практической задачи. Последовательное прохождение этапов достижения подцелей включает: изучение комплексов технических средств; сравнительный анализ технического обеспечения систем управления; обоснование действий при выборе комплекса технических средств и решение задачи на его базе; построение технического обеспечения системы управления.
Формулировка исходной задачи, решаемой с применением КК, должна содержать: описание объектов, определяемых условиями задачи, функции объектов, желаемые функции создаваемой системы, требования к системе, указания о способах решения задачи.
К описанию объектов следует отнести описания технологического процесса и технических средств автоматизации. Среди указаний на способы решения задачи следует привести перечень вариантов подобных систем.
Технология обучения построению и проектированию технического обеспечения АСУТП с использованием КК базируется на следующих этапах: восприятия, изучения и осмысления информации: учебной и справочной документации комплекса технических средств, технического задания на создание системы управления, руководства по работе с компьютерным тренажером, о результатах анализа вариантов схем технического обеспечения систем управления, представляемых тренажером по запросу обучаемого; тестирования обучаемого: проведение тестирования по комплексу технических средств; проведение тестирования по правильности соединения технических средств для реализации технического обеспечения системы управления; получения практических навыков применения знаний: выбор схемы для практической реализации системы с заданными параметрами; обеспечение конфигурации модулей системы и задание параметров настройки модулей на тренажере.
Каждый этап требует своего набора компонентов КК, используемых в различных активированных состояниях пользователя [59]. За тренажером закрепляются функции: синтеза всех вариантов реализации структурных схем технического обеспечения АСУТП; синтеза вариантов построения принципиальных схем для выбранного комплекса технических средств; компоновки и трассировки кабельных трасс; синтеза вариантов коммутации технических средств и их компоновки в конструктивах; сигнализации обучаемому о совершенных им содержательных и моторных ошибках; анализа вариантов коммутации технических средств, предложенных обучаемым; синтеза реакций систем автоматизации на возмущения, задаваемые обучаемым.
Обобщенная модель учебной деятельности при использовании КК разрабатывается в предположении, что КК имеет m режимов работы, при обучении решается 1 задач, которые имеют п способов решения. Описание процесса обучения при использовании КК может быть представлено с использованием графа, вершины которого представляют собой символы объектов, дуги — переходы от действий с одним объектом к действиям с другим объектом. Каждая вершина может быть представлена в виде нового графа, уточняющего процесс обучения с необходимой степенью полноты.
Модель деятельности имеет вид:
m 1 п D= О [ О ( О Arijfrij)friOZr]frOZ, r=l i=l j=l
m 1 n где о ; О ; О ;0 - символы операций обобщения; m - число режимов работы КК; г
r=l i=l j=l - обозначение режимов работы при перечислении; 1 - число задач, решаемых при обучении; і - обозначение решаемой задачи при перечислении; п - число способов решения і-ой задачи при работе в r-ом режиме; j - обозначение способа решения при перечислении; Arij- - матрица смежности, соответствующая построенному графу; frij - частота реализаций для і -ой задачи в r-ом режиме при j-ом способе решения; Zr - матрица переходов от задачи к задаче для r-ого режима; Z - матрица пере 268 ходов от режима к режиму; fr - частота использования обучаемым r-ого режима работы с КК.
п Выражение о Arijfrij описывает вероятностный алгоритм решения і- ой за j=l дачи в г-ом режиме.
Применяемая в КК схема обучения поиску проектного решения учитывает итерационный характер данного вида деятельности; альтернативность преобразований описаний технического обеспечения АСУТП и существование множества конечных ситуаций (правильных решений); необходимость дополнительного типа тренировки, связанной с распознаванием конечной ситуации. Данная схема должна обеспечивать навыки оперирования объектами на одном уровне представления технического обеспечения и трансформации его характеристик для различных уровней иерархического описания.
Процесс обучения представляется как взаимодействие обучаемого и преподавателя с заменой части действий преподавателя моделью, программно реализованной на КК [166]. Использование КК изменяет характер труда обучаемых и обучающих, переводит процесс получения и усвоения знаний на качественно новый уровень с отличной от традиционной средой обучения, иными ролевыми функциями участников [106].
Методика использования компьютерного комплекса в учебном проектировании включает:
Шаг 1. Выбор блока дисциплин для изучения и определение степени их взаимосвязи с точки зрения применения САПР.
Шаг 2. Разработка составляющих КК и моделей деятельности с их использованием для разработки методических материалов, ориентированных на применение САПР.
Шаг 3. Разработка и тиражирование мультимедийных компонентов.
Шаг 4. -Шаг 12. Использование в учебном проектировании.
Шаг 4. Самостоятельная работа обучаемых с модулями КК.
Шаг 5. Работа с модулями КК под руководством преподавателя.
Шаг 6. Защита выполненных работ.
Шаг 7. Выполнение лабораторных работ на физическом стенде.
Шаг 8. Получение задания на проектирование.
Шаг 9. Выполнение проекта.
Шаг 10. Представление фрагментов проекта в виде файлов для проверки.
Шаг 11. Анализ ошибок проектирования.
Шаг 12. Разработка технической документации и защита проекта. Целесообразно в ходе обучения использования в единстве физического стенда и КК, что дает наилучшие результаты [40, 160]. КК является элементом подготовки к работе с реальным стендом. Физический стенд необходим для построения КК при оценке и выборе возможных ситуаций, возникающих при тренинге.
Главными особенностями методики обучения проектированию технического обеспечения АСУТП на основе КК являются: взаимосвязь проектных решений и результатов выполнения учебно-тренировочных заданий; построение сценариев обучения проектированию на основе модели структурных преобразований описаний технического обеспечения.
Пространство описаний состояний КК разделяется на классы: исходное задание, рабочие варианты, конечные варианты, эталонные варианты. Обычно проверяется область конечных вариантов. Новизна предлагаемого подхода при использовании КК состоит в проверке области рабочих вариантов, сохраняемых несколько раз в течение сеанса обучения. КК является средством мониторинга процесса обучения, предоставляющим информацию для изменения образовательной траектории. План ведения сеанса обучения и оценка обучаемого остается за преподавателем, равно как и выбор УТЗ (хотя с наличием мониторинга это поддается автоматизации).
