Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ основных аспектов проектирования систем управления сложными технологическими объектами 15
1.1. Основные задачи и принципы проектирования су сложными то... 15
1.2. Основные проблемы автоматизации проектирования су сложными то 26
1.3. Основные аспекты использования принципа сложности в задачах автоматизированного проектирования систем управления 33
1.4. Основные выводы и постановка задачи исследования 44
Глава 2. Разработка методологии и машинных алгоритмов автоматизированной оценки сложности сар технологических параметров в процессе их структурного синтеза 47
2.1. Формализация задачи проектирования сар параметров сложных технологических объектов 47
2.2. Анализ основных методологических и алгоритмических решений автоматизированного синтеза сар технологических параметров сложных то 61
2.3. Разработка стратегии оптимального проектирования сар параметров сложных то с использованием критерия сложности 72
2.4. Выводы по главе 96
Глава 3. Разработка программного комплекса автоматизированной оценки сложности многомерных сар для сапр су то 98
3.1. Исследование проблем и выбор концепции повышения эффективности взаимодействия средств сапр су то в условиях ее эволюционного развития 98
3.2. Формирование требований и разработка общей структуры программного комплекса СОМРПО
3.3. Разработка структуры программного обеспечения 120
3.4. Основные решения по разработке информационного обеспечения 126
3.5. Разработка и реализация общесистемного и пользовательского интерфейсов 129
Заключение 140
Список использованной литературы
- Основные проблемы автоматизации проектирования су сложными то
- Основные аспекты использования принципа сложности в задачах автоматизированного проектирования систем управления
- Анализ основных методологических и алгоритмических решений автоматизированного синтеза сар технологических параметров сложных то
- Формирование требований и разработка общей структуры программного комплекса СОМРПО
Введение к работе
Наряду с возросшей в последнее время потребностью во все более сложных технических системам, удовлетворяемых по мере развития методов и средств как физической реализации систем, так и проектирования, появлением широкой номенклатуры приборов и средств автоматизации, быстродействующей вычислительной техники и совершенных математических методов переработки информации, в корне изменивших системы управления (СУ), определилась тенденция к быстрому обновлению систем. В то же время, в силу несовершенства процесса проектирования, разработка СУ сложными объектами и её реализация занимают, как правило, более 2-х лет. Сложность современных СУ в целом и систем автоматического регулирования (САР) параметров сложных технологических объектов сегодня требует принципиально новых подходов и систем их проектирования, основанных на современных программно-технических средствах и развитых информационных технологиях, входят в противоречие с традиционными инструментами и технологией проектирования.
Все это определяет необходимость использования новых принципов проектирования, позволяющих комплексно решать эту проблему, разработка и внедрение нового инструментария проектировщика - системы автоматизированного проектирования (САПР). При этом, естественно, возникают новые задачи, для решения которых нужны новые подходы, принципы и модели и широкое применение диалога проектировщика с ЭВМ [1,2].
В настоящее время разработчики систем автоматизированного проектирования (САПР) СУ различного назначения большое внимание уделяют фундаментальным проблемам методологии автоматизированного проектирования отдельных компонентов СУ. Несмотря на достаточную развитость существующих сегодня методов синтеза и анализа САР, предполагающих использование в процессе их реализации развитых формализованных
расчетных процедур, сегодня не только не исключается, а, наоборот, требуется от проектировщика реальное повышение уровня неформальных, творческих усилий. Поэтому особую важность приобретает вопрос" об уровне автоматизации самого процесса проектирования СУ сложными технологическими объектами (ТО) при выполнении машинных процедур синтеза и поиска оптимального распределения функций человека и ЭВМ в процессе решения ими задач в рамках САПР.
Принято считать, что проектирование ТО можно представить в виде последовательной схемы получения решений, включающей основные этапы: выбор структуры и параметров ТО; систем автоматического управления (САУ) и регулирования (САР), исходя из целей функционирования ТО и САУ (САР). При этом, в условиях традиционного проектирования технологи и конструкторы, как правило, не рассматривают проблемы динамической организованности ТО. В результате ТО получаются плохо приспособленными для автоматического управления, а СУ часто оказывается излишне сложной. Развиваемые в последнее время подходы к реализации совместного проектирования СУ с ТО предполагают обеспечение условий полного их соответствия друг к другу. Основными задачами при реализации такого подхода становятся развитие методов оптимального автоматизированного проектирования ТО и СУ, базирующихся на принципах системного подхода.
Известно, что основной особенностью проектирования иерархических СУ сложными ТО является решение практически на всех этапах задач динамического расчета, связанных со структурным и параметрическим синтезом локальных САР (САУ) нижнего (исполнительного) уровня, обеспечивающих заданное качество и точность управления или регулирования. Однако, в рамках САПР СУ сложными ТО приходится решать еще и задачи, связанные с разработкой СУ, удовлетворяющих целому ряду дополнительных требований, например, по надежности, стоимости и др. По существу проектирование в этих условиях представляется многокритериальной задачей, требующей
научного решения широкого круга проблем (например, сочетания точностных и технических характеристик проектируемых СУ), связанных с разработкой новых машинно-ориентированных методов, алгоритмов и процедур, не нашедших решения в теории управления.
Принято считать, что сегодня область теории автоматического управления ограничена в основном алгоритмизацией динамических расчетов. Расширение этой области связывается, прежде всего, с включением в нее алгоритмизации процессов проектирования САР параметров сложных ТО и автоматизированных систем управления (АСУ), при которой кроме качества и точности управления учитываются основные технические требования (надежность, стоимость, вес, габариты и т.д.), предъявляемые к системе. Очевидно, что такого рода расширение необходимо для решения чрезвычайно актуальной сейчас проблемы автоматизации проектирования. Это достигается при помощи теории сложности, основанной на понятии сложности и принципах сложности.
Проектирование таких крупных объектов, как например АСУ сложным металлургическим или химико-технологическим объектом (ХТО), требует не менее 3-6 лет. Возрастающая сложность объектов проектирования вызывает увеличение стоимости, времени проектирования и штата проектировщиков. Именно темпы проектирования становятся сейчас узким местом в развитии и внедрении новой техники. Все сказанное подчеркивает большую актуальность проблемы автоматизации проектирования, т.е. формализации и переложении значительного числа функций, выполняемых проектировщиком, на ЭВМ. Кроме того, автоматизация проектирования уменьшает его стоимость.
Так как процесс проектирования представляет собой получение, сбор, передачу и переработку информации для принятия решений, направленных на устранение отклонений от цели проектирования, то он может рассматриваться как процесс управления по замкнутому циклу.
Задача проектирования, создания любой машины или технической системы есть разумный компромисс между ее качеством и сложностью. При этом сложность всегда является ограничивающим фактором для качества. Без учета этого ограничения задачу достижения наивысшего качества конструкции или функционирования системы нельзя считать правильно поставленной, так как современные технические средства в принципе позволяют достигнуть почти любого качества, а практически его приходится ограничивать. Сложность является одним из кардинальных свойств, которым характеризуются системы управления. Согласно Р. Эшби назначение кибернетики как науки именно в том и состоит, чтобы разрабатывать методы научного исследования очень сложных систем. Требования к качеству управления и к сложности являются антагонистическими в том смысле, что обычно требуется, чтобы качество управления было как можно более высоким, а сложность системы как можно более низкой. Поэтому для учета сложности уже на этапе проектирования необходимо вводить в рассмотрение требования, предъявляемые не только к динамическим и точностным характеристикам системы, в зависимости от которых выбирается функционал качества управления, но и по крайней мере к таким важнейшим техническим характеристикам системы управления, как надежность, стоимость, вес, габариты и т.д.
Именно такая постановки задачи оптимизации систем управления, удовлетворяющая указанному выше требованию учета не только качества, но и сложности реализации, называется «технически корректной» [3].
Кроме того, необходимо учитывать, что основным техническим свойством автоматизации проектирования и расчета СУ в настоящее время являются ЭВМ. Поэтому методы проектирования должны приводить к алгоритмам, которые возможно и удобно реализовать при помощи вычислительных машин, все шире используемых не только для расчета и проектирования, но и в качестве элемента контура управления для непосредственного управления в реальном масштабе времени. При этом оказывается, что с данной точки
зрения известные методы решения задач теории управления нередко являются некорректными, прежде всего потому, что они не обеспечивают устойчивости решения в связи с неизбежными ошибками реализации алгоритмических процедур на ЭВМ и из-за погрешности входных данных.
Таким образом, возникает проблема обеспечения не только «технической», но и «математической» корректности постановок задач управления. Принцип или подход, направленный на то, чтобы при постановке проблем управления в первую очередь учитывать требования технической корректности, был назван принципом сложности [3]. При обеспечении технической корректности целесообразно стремиться одновременно обеспечить и математическую корректность.
Первые попытки учесть сложность при проектировании систем автоматического регулирования были сделаны в самом начале 50-х годов прошлого столетия при разработке частотного метода синтеза корректирующих устройств [4]. Метод, предложенный в [4], позволяет учитывать динамические свойства объекта регулирования и находить такие характеристики корректирующих устройств, которые были бы возможно более просто осуществимы и приближались к характеристикам, обеспечивающим протекание переходного процесса, принятое за оптимальное. Мера сложности при этом характеризовалась порядком числителя и знаменателя передаточной функции корректирующего устройства.
Можно с определенным приближением сказать, что понятие сложности для СУ является таким же кардинальным понятием, как и информация.
Первая попытка абстрактной математической формулировки понятия сложности в задачах оптимизации систем автоматического управления (САУ) в отечественной литературе была дана в работе [5]. Примерно годом раньше основные положения принципа сложности были опубликованы теми же авторами в работе [6]. Принятый в этих работах подход основан на введенном там же понятия сравнения по сложности операторов САУ. Причем в
основу сравнения по сложности операторов САУ было положено понятие широты множества (класса операторов), показана естественность использования этого понятия.
Принцип сложности получил свое дальнейшее развитие в работах [7-14] применительно к различным задачам статистической динамики и задачам измерений. В [15] принцип сложности был применен к задачам оптимизации управлений. Этот принцип также использовался для алгоритмизации функциональных задач АСУ и автоматизации начальных этапов проектирования некоторых классов САУ.
Проведенный анализ работ, связанных с развитием принципа сложности и его использования в различных задачах проектирования систем управления (СУ), особенно на ранних этапах, позволил выявить основные трудности, стоящие на пути решения проблемы автоматизации расчета и проектирования СУ:
1.В теории автоматического управления до сего времени не создано машинно-ориентированных алгоритмических методов оптимизации, учитывающих требования не только к качеству (точности) управления, но и к основным техническим и экономическим характеристикам СУ (сложность, надежность, стоимость и т. д.).
2. Многие из типовых задач теории управления в их обычной постановке являются математически некорректными, а поэтому автоматизация расчета и проектирования СУ при помощи ЭВМ без принятия специальных мер либо затруднительно, либо вообще невозможна.
Своевременность и актуальность решаемых в настоящей работе проблем заключается, прежде всего, в том, что в ней поставлена и решена задача оптимального проектирования САР параметров ТО с использованием показателей сложности на различных этапах их структурного синтеза. Такая постановка определялась известным положением о том, что именно на этом раннем этапе проектирования СУ сложными ТО решаются базо-
вые проблемы проектирования САР: обеспечение устойчивости, задаваемого качества и надежности управления (регулирования) технологических параметров сложных ТО при минимально возможной сложности СУ в целом.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка подсистемы автоматизированной оценки сложности САР параметров многомерных технологических объектов для САПР систем управления.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
Системный анализ основных проблем, принципов и особенностей проектирования СУ сложными ТО; исследование и постановка задачи разработки подсистемы автоматизированной оценки сложности САР параметров ТО в процессе их структурного синтеза с использованием критерия сложности.
Разработка методологической основы и выбор стратегии оптимального проектирования САР параметров сложных ТО с использованием показателей сложности на различных этапах их структурного синтеза.
Исследование и разработка машинно-ориентированных алгоритмов оценки сложности САР параметров ТО в процессе их структурного синтеза в рамках САПР СУ ТО.
Разработка структуры средств, информационного и специального программного обеспечения подсистемы автоматизированной оценки сложности многомерных САР технологических параметров для САПР СУ ТО. Анализ эффективности функционирования разработанной подсистемы автоматизированной оценки сложности САР для САПР СУ ТО.
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:
На основе результатов проведенного анализа различных подходов к применению принципа сложности при проектирования различных СУ выбран подход к оценке сложности САР параметров ТО соизмерением этой характеристики с затратами на их наладку, позволяющий сопоставлять по сложности различные варианты структурной организации САР одного и того же ТО в процессе их структурного синтеза.
Разработан новый подход и стратегия реализации эволюционного принципа синтеза оптимальной структуры САР параметров многомерных ТО с использованием предложенной оценки сложности, обеспечивающий выбор вариантов организации САР, удовлетворяющих требованиям устойчивости, точности и надежности при минимально возможной сложности.
Разработаны машинные алгоритмы для подсистемы оперативной оценки сложности анализируемых в процессе автоматизированного выбора оптимальной организации контуров регулирования минимально возможной сложности в условиях многомерности объекта управления.
С использованием разработанных алгоритмов и предложенной концепции повышения эффективности взаимодействия средств САПР в условиях ее эволюционного развития разработана структура средств, информационное и специальное программное обеспечение программного комплекса СОМР-1 автоматизированной оценки сложности многомерных САР технологических параметров сложных ТО и алгоритмы его функционирования в условиях САПР СУ ТО.
Практическая значимость работы:
1. Выбрана машинно-ориентированная методология и предложена эволюционная стратегия оптимального структурного синтеза САР параметров
сложных ТО с использованием оценок сложности анализируемых вариантов организации САР.
В соответствии с выбранной методологией и стратегией проектирования САР, предложенными алгоритмами оценки сложности анализируемых вариантов организации САР и концепцией повышения эффективности взаимодействия средств САПР, выявлен состав программных средств и разработан программный комплекс СОМР-1 автоматизированной оценки сложности многомерных САР параметров ТО для САПР СУ сложных ТО.
Разработанные в диссертации машинные алгоритмы и комплекс программ приняты к использованию в НПК «Югцветметавтоматика» (г. Владикавказ) при разработке систем управления технологическими процессами и производствами металлургической отрасли.
Предложенные алгоритмы оценки сложности приняты к использованию при создании САПР СУ ТО, разрабатываемой в СКГМИ (ГТУ) в рамках НИР и ОКР. Результаты проведенных исследований в форме прикладных программ анализа сложных систем используются в учебном процессе в СКГМИ (ГТУ) при подготовке специалистов в области САПР.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается:
результатами экспериментальных исследований;
результатами вычислительных экспериментов;
соответствием теоретических и экспериментальных исследований;
работоспособностью разработанной универсальной подсистемы автоматизированной оценки сложности многомерных САР технологических параметров ТО.
На защиту выносятся:
1. Результаты системных исследований различных подходов к применению принципа сложности при проектирования различных СУ и выбора подхода к оценке сложности САР параметров ТО соизмерением этой харак-
теристики с затратами на их наладку, позволяющий сопоставлять по сложности различные варианты структурной организации САР одного и того же ТО в процессе их структурного синтеза.
2. Новый подход и стратегия реализации эволюционного принципа
структурного синтеза САР параметров многомерных ТО с использованием
предложенной оценки сложности, обеспечивающий выбор вариантов опти
мальной организации САР, удовлетворяющих требованиям устойчивости,
точности и надежности при минимально возможной сложности.
Разработанные машинные алгоритмы оперативного расчета показателя сложности анализируемых в процессе проектирования вариантов структурной организации САР, обеспечивающие выбор оптимальной организации контуров регулирования минимально возможной сложности в условиях мно-госвязанности и многомерности динамического объекта управления.
Предложенные принципы структурной организации и функционирования комплекса СОМР-У, обеспечивающие повышение эффективности взаимодействия средств САПР в условиях ее эволюционного развития, структура средств, информационное и специальное программное обеспечение программного комплекса СОМР-1 автоматизированной оценки сложности многомерных САР технологических параметров сложных ТО и алгоритмы ее функционирования в условиях САПР СУ ТО.
Апробация работы. Основные результаты проведенных в диссертации исследований были представлены и обсуждены на: V Международной конференции «Устойчивое развитие горных территорий: проблемы и перспективы интеграции науки и образования», Владикавказ, 2004; Международном форуме по проблемам науки, техники и образования «III тысячелетие - новый мир». - Москва, 2005; на ряде научно-технических конференций профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов СКГМИ в 2003-2004 гг.
Личный вклад автора. Основные научные положения, теоретические выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6 печатных работах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 168 страниц машинописного текста, 29 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 196 наименований.
Основные проблемы автоматизации проектирования су сложными то
Современная СУ ТО - это сложный управляющий комплекс, включающий несколько взаимосвязанных подсистем, входящий в состав более сложной системы, достижению целей которой должны быть подчинены требования к её проектированию [16].
Как уже отмечалось выше, постоянное усложнение самого объекта управления и ужесточение требований к управлению им, многообразие учитываемых при проектировании связей и ограничений, множество возможных вариантов принимаемых решений определяет трудности задачи оптимального проектирования, решение которой возможно лишь путем создания систем автоматизированного проектирования (САПР), объединяющих творческие усилия специалиста-проектировщика и большие возможности ЭВМ.
Проведенный анализ основных принципов и особенностей проектирования САР (САУ) технологических параметров сложных ТО позволяет перейти к решению одной из важнейших задач при создании САПР - выбору проектных процедур, подлежащих автоматизации.
Процесс проектирования может быть представлен различными моделями в зависимости от целей применения этих моделей, принятых форм или правил их построения.
Качество проекта представляется в виде функционала W = F[f](z),f2(z),...Jn(z)\ z = {4 / = 1,2... , (1.9) где z - множество проектных решений, принятых при выполнении проектных процедур П= {#,.}, / = 1,2...«; F - принятый вид функционала качества проекта; /i,/2v-)/„ - функции, представляющие частные критерии качества проекта, которые принимают конкретные числовые значения в зависимости от значений аргумента z. Таким образом, если имеются конкретные проектные решения z (выбрана структурная схема САР (САУ) и состав его устройств, выбраны конструкций и технологический процесс), то функции /i,/2j— /„ и функционал F примут конкретные числовые значения. Физический смысл функций /і,/2»— /„ в частности, может быть следующим: /]-трудозатраты на проект; /2 - время выполнения проекта; /3 - отличие результатов от требований ТЗ к проекту; и т.д.
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 посредством 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.
Накопленный к настоящему времени опыт показывает, что применение отдельных подсистем и компонентов САПР позволяет улучшить на 15-25% технико-экономические показатели проектируемых объектов, снизить на 10-20% энергетические затраты и транспортные издержки при эксплуатации объектов, сократить в 2-4 раза продолжительность проектирования, повысить на 20-50% производительность труда в проектных и конструкторских орга низациях, улучшить качество проектной документации и качественно изменить условия труда проектантов и конструкторов [69].
Анализ зарубежного опыта показывает, что только внедрение формализованных методов представления результатов обследования и проектирования, которые являются необходимой предпосылкой автоматизации, позволяет сократить затраты времени на разработку технического и рабочего проектов АСУ до 40% [70, 71].
Зарубежные фирмы, занимающиеся автоматизацией процесса проектирования, избегают разработок «узких программ», пригодных для решения отдельных небольших задач. Они стремятся создавать универсальные машинные программы, позволяющие резко расширить диапазон их применения [43, 72-77]. В отечественной практике достигнуты значительные успехи в области создания эффективных СУ сложными ТО и программных комплексов автоматизированного расчета и проектирования систем автоматизации непрерывных технологических процессов [16, 60, 78-96].
В основе проектирования СУ сложных ТО сегодня все еще лежат традиционные методы [97]. Проектируемые системы управления рассматриваются как самостоятельные (автономные), эффективность которых определяется степенью приближения её показателей к требованиям технического задания, формируемым до начала разработки. Синтез СУ производится при помощи методов теории автоматического управления, причем возможность применения того или иного метода диктуется выбором определенной математической модели для описания процесса функционирования системы. Требования к каждому из последующих этапов проектирования СУ определяются общим техническим заданием и результатами предшествующих этапов. Влияние последующих этапов на предшествующие весьма ограничено. Использование ЭВМ сводится, в основном, к выполнению вычислений при расчетах и моделировании работы системы на этапах анализа.
Основные аспекты использования принципа сложности в задачах автоматизированного проектирования систем управления
Многие известные задачи оптимизации параметров системы (оператора системы в некотором классе операторов, управлений и другие) в абстрактной постановке заключаются в отыскании в некотором непустом множестве X, лежащем в некотором множестве У, элемента хо, сообщающего заданному вещественному функционалу J (функционалу качества) экстремальное значение.
С технической точки зрения чрезвычайно важными являются вопросы реализации устройства, определяемого решением поставленной задачи оптимизации, стоимости, надежности функционирования системы и другие.
Для получения при оптимизации более высококачественных результатов множество X в общем случае необходимо определять возможно шире. С другой стороны возможные по данному функционалу / расширения области определения / могут привести к сложному для реализации устройству, определяемому решением задачи оптимизации на широком множестве, или вообще к технически нереализуемому устройству.
Поскольку часто заранее (без решения экстремальной задачи) нельзя сказать, какие сужения (расширения) являются нетривиальными для функционала J, а также часто заранее нельзя описать с необходимой полнотой свойства оптимального решения на некотором множестве, то для обеспечения компромисса между качеством и другими характеристиками бывает це лесообразно принять предлагаемый, например, в работе [3] путь, связанный с использованием шкал сложности. В работе рассмотрены различные виды таких шкал (одно- и многофакторные различных типов). Показано, в частности, что многофакторные шкалы сложности можно строить на основе однофак-торных. Конкретными и важными понятиями (признаками), которые могут оказаться полезными для построения шкал, являются различные выражения понятия сложности системы (подсистемы, устройства, комплекса и т. д.), например: ? порядок дифференциального уравнения системы (порядки дифференциальных операторов в левой и правой части дифференциального уравнения); ? полоса пропускания; ? полоса пропускания при фиксированном порядке дифференциального уравнения; число датчиков, необходимых для функционирования системы; разрядность ЭВМ в случае ее использования в контуре управления; І выходная мощность; t число исполнительных элементов и т. д.
Шкалу, построенную на основе некоторого выражения или выражений понятия сложности системы (подсистемы, устройства и т. д.), будем называть соответственно однофакторной (многофакторной) шкалой сложности или просто - шкалой сложности.
Для построения шкал сложности может оказаться целесообразным использовать не конкретные выражения понятия сложности, а более общие аспекты этого понятия. В качестве такого аспекта при соответствующих условиях может использоваться понятие широты множества (подмножества) в теоретико-множественном смысле. Это понятие использовалось в работе [5] при первоначальном формулировании принципа сложности, а в работах [9, 15] при дальнейшем развитии и применении принципа к конкретным проблемам.
Другими важными признаками, которые можно в случае необходимости использовать для построения шкал, являются: надежность системы (вероятность безотказной работы или вероятность отказов за фиксированный промежуток времени); ? стоимость реализации техническими средствами или стоимость модернизации (вес, габариты); ? вычислительная сложность отыскания оптимального решения в некотором подмножестве для фиксированного типа алгоритмов; ? вычислительная сложность для данного класса ЭВМ и т. д.
Шкалы, построенные на основе этих признаков соответственно называются шкалами надежности, шкалами стоимости реализации (модернизации), шкалами вычислительной сложности и т. д.
Пусть X - некоторое непустое подмножество, в подмножестве Zc с X построена (задана) однофакторная или многофакторная шкала сложности Nc, a G - заданное непустое подмножество в X, которое определяет требования к качеству. Под качеством, например, в случае проектирования САР понимается качество регулирования. Пусть Ys єNc. Если Ydf)G 0, то будем называть элементом ограниченной сложности любой элемент из этого пересечения.
Постановка задачи проектирования с использованием принципа минимальной сложности состоит в том, чтобы определить элемент минимальной (ограниченной) сложности в зависимости от требований к качеству, определяемых подмножеством G.
Анализ основных методологических и алгоритмических решений автоматизированного синтеза сар технологических параметров сложных то
В соответствии с принятой в Главе 1 настоящей работы терминологией первый этап (внешнее проектирование) при разработке двухуровневой СУ сложного ТО предусматривает конкретизацию цели и задач проектирования СУ в целом.
В целом управление ТО связано с широким спектром принятия решений и функций управления, обеспечивающих поддержание экстремального значения соответствующего критерия - функции цели управления, под которой понимается мера эффективности ТО, представляющая собой в общем виде функционал, зависящий от векторов входных переменных, управляемых входов и входных возмущений ТО.
Выбор критерия оптимизации - самостоятельная и часто весьма сложная задача. Перед исследователями и инженерами ставится вопрос о сравнении возможных критериев и выборе из них наиболее выгодного на основе технико-экономического анализа состояния предприятия, места рассматриваемых ТО в общей производственной цепи предприятия, их взаимосвязей с критерием оптимальности управления предприятием в целом.
Таким образом, этап внешнего проектирования верхнего уровня завершается формированием наиболее приемлемого критерия управления ТО и системы накладываемых ограничений.
На этапе «формирование облика» проводится анализ выбранного критерия и системы накладываемых ограничений с точки зрения их сложности и возможности использования при управлении ТО. При этом предполагается наличие адекватных математических моделей статики и динамики его элементов. Решение поставленной задачи прежде всего связывается с анализом измеряемых, управляющих и возмущающих переменных, входящих в критерий и систему ограничений, а также с исследованием возможности сокращения числа управляемых переменных и возмущающих входов подавлением части их относительно задачи оптимизации путем замены отдельных групп параметров на соответствующие выходы локальных процессов, определяемых значениями этих параметров. Последние переходят в ранг управляемых, задача регулирования которых перекладывается на нижний уровень СУ. Разумеется, эта процедура подавления правомочна только относительно управлений, явно не содержащихся в критерии оптимальности ТО.
Рассмотрение этих вопросов может привести к выводам о необходимости декомпозиции СУ ТО [56, 130, 131], позволяющей представить её как ряд подсистем управления соответствующими технологическими подсистемами. При этом каждая подсистема управляет состоянием подконтрольной ей части ТС. Функции координации взаимодействия подсистем, при этом, осуществляются центральным алгоритмом. Естественным требованием к декомпозиции является обеспечение условий для анализа и синтеза подсистем, для проектирования, построения, внедрения, эксплуатации и совершенствования СУ ТО. Учет естественной декомпозиции, как правило, упрощает работу, подсказывает естественные пути декомпозиции системы. Однако, пользование этим правилом требует осторожности и критической оценки ситуации с учетом выбранных целей. Неверное использование приемов де композиции может привести к необоснованной разбивке на подсистемы и снижению эффективности СУ.
Многоуровневая структура может быть очевидным образом расширена на случай иерархии трех и более уровней, при этом каждый высший уровень будет контролировать действие группы низших в соответствии с тем же принципом, которые имеют место для двухуровневой системы. Иерархическая концепция управления хорошо совмещается с использованием малых ЭВМ в координированном управлении ТС.
Основные принципы и проблемы декомпозиции СУ ТО подробно рассмотрены в работе [16]. Показано, что эти методы не позволяют однозначно выявить структуру СУ ТО, однако их использование при исследовании позволяет выявить ряд потенциально приемлемых вариантов декомпозиции.
Генерация альтернативных вариантов декомпозиции сопровождается формированием локальных критериев оптимальности подсистем и анализом наблюдаемости и структурной управляемости их выходных переменных. Эта процедура проводится исходя из условий координируемости последних, под которой понимается обеспечение возможности влияния вышестоящей управляющей системы на нижестоящие решающие элементы так, чтобы их регулирующие воздействия на процесс в целом давали решение глобальной задачи [125]. Модификация сформулированных локальных критериев предполагает их преобразование в соответствии с принятым принципом координации (методом учета взаимодействий подсистем), проводимое на стадии «внутреннего проектирования» верхнего уровня СУ сложных ТО.
Формирование требований и разработка общей структуры программного комплекса сомр-1 по
Уже отмечалось выше, что любой процесс проектирования представляет собой процесс управления, то есть получение, сбор, передачу, обработку и представление информации для принятия решений, направленных на устранение отклонений от цели проектирования. Таким образом, совокупность людей и программно-технических средств, осуществляющих процесс автоматизированного проектирования любого объекта, является автоматизированной системой управления.
На основе анализа основных концепций построения, особенностей функционирования и специфики назначения САПР можно сформулировать основные принципы, которые должны быть положены в основу при разработке САПР СУ сложными ТО: относительная независимость подсистем; 4 эволюционность подсистем и системы в целом; к минимум взаимодействия системы с внешней средой; 4 оперативность взаимодействия система-проектировщик; 4 универсальность автоматизированной системы для групп родственных по характеру работы объектов.
Исходя из этого, усилия по разработке САПР СУ ТО должны быть направлены на решение трех основных взаимосвязанных задач: 1) создание и объединение ресурсов проектирования; 2) разработка информационной базы системы; 3) разработка средств взаимообмена проектировщика с системой.
Под ресурсами проектирования здесь понимаются всевозможные модули и подсистемы для анализа и синтеза задач проектирования. Эволюци-онность САПР предполагает не столько логическую связь между модулями, сколько причинно-следственные отношения меду явлениями. Установления взаимосвязей между подсистемами и модулями, а также определение альтернативных вариантов решений осуществляется в результате структурного анализа и выявления определенной последовательности использования подсистем и модулей при выполнении поставленных задач.
Результаты проведенного анализа принципов построения САПР и описанная выше (часть 2.2) методология выбора оптимальной структуры и операторов управления САР параметров сложных технологических объектов позволили выявить укрупненную структуру средств САПР систем автоматического регулирования (САР) параметров сложных технологических объектов (ТО), основными компонентами которой являются (рисунок 3.1): - автоматизированный банк данных проектирования (БнД САПР); - программный комплекс, управляющий процессом проектирования; - пакеты прикладных программ решения отдельных задач в рамках единой архитектуры САПР; - внешних прикладных программ решения отельных задач общего и специального назначения, не работающих в рамках единой архитектуры САПР.
Среди компонентов САПР СУ ТО особое место занимает программное обеспечение, поскольку в нем находят отражение все идеи и методы проектирования СУ сложными объектами. Программное обеспечение как средство САПР СУ ТО состоит из ряда подсистем, представляющих собой отдельные программные модули или самостоятельные программные комплексы решения отдельных задач проектирования. Исходные данные для работы каждой прикладной программы должны находиться в банке данных системы и передаваться в прикладную программу с помощью специально разработанных программных средств.
Основным блоком системы является управляющий программный комплекс, который обеспечивает необходимую последовательность выполнения этапов обработки и координации информационного обмена между компонентами САПР.
Системный принцип организации программ проектирования определяет необходимость использования единой информационной базы данных (банка данных) системы, что позволяет организовать автоматический обмен информацией между различными задачами, и является непременным условием организации сквозного процесса проектирования в системе.
Взаимодействие между отдельными подсистемами САПР СУ ТО в процессе решения задач проектирования происходит на уровне параметров: результаты работы одной подсистемы являются исходными данными для работы другой. В этих условиях только наличие единого информационного хранилища способно обеспечить функцию информационного обеспечения САПР. Этим единым хранилищем является банк данных проектирования, представляющий собой совокупность баз данных под управлением СУБД и служебных программ для обслуживания банка данных.
Сам процесс проектирования, осуществляемый в рамках САПР, может быть представлен в виде ориентированного графа, вершинами которого являются отдельные задачи проектирования, а дугами - связь этих задач по входным (выходным) параметрам. Такой граф является отражением логики автоматизируемого с помощью САПР процесса проектирования.
Банк данных САПР СУ ТО представляет собой хранилище всех необходимых для обеспечения процесса проектирования данных, а также результатов самого процесса проектирования.
Прикладные программы для включения в состав САПР должны соответствовать следующим требованиям: 1) прикладная программа должна быть реализована в виде стандартного исполняемого файла для унификации процедур запуска прикладной программы; 2) прикладная программа должна иметь два режима работы: диалоговый и пакетный, устанавливаемые передачей параметров через командную строку.
