Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современных компьютерных тренажеров производственного персонала ... 7
1.1. Основные типы компьютерных тренажеров 7
1.1.1. Компьютерные тренажерные комплексы 7
1.1.2. Компьютерные тренажеры для инжиниринга и управления 9
1.1.3. Гипермультимедийные тренажерные комплексы 13
1.2. Характеристики и тенденции развития компьютерных тренажеров 28
1.3. Постановка задачи исследования 35
2. Моделирование систем автоматического регулирования 37
2.1. Типовые элементарные процессы химической технологии 37
2.2. Автономные системы автоматического регулирования многосвязных химико-технологических объектов 46
2.3. Адаптивные системы автоматического регулирования 65
3. Моделирование автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса ... 68
3.1. Разработка модели структуры предметной области в автоматизированном тренажерно-обучающем комплексе 68
3.2. Гипертекстовая система представления знаний в автоматизированном тренажерно-обучающем комплексе 73
3.3. "Внешняя" и "внутренняя" структуры автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса 82
4. Методика и технология создания автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса , 92
4,1. Создание программной структуры автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса 92
4.2. Компьютерная подготовка содержательной части автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса 106
4.3. Разработка структурной схемы автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса 123
4.4. Методические основы подготовки исходных материалов автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса 127
5. Применение автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса ... 129
5.1. Комплект программных тренажеров «Моделирование систем автоматического регулирования» 129
5.2. Многофункциональная тестовая оболочка «Модуль-Тест» 140
Заключение ..144
Литература 145
Приложения 161
- Компьютерные тренажеры для инжиниринга и управления
- Адаптивные системы автоматического регулирования
- "Внешняя" и "внутренняя" структуры автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса
- Методические основы подготовки исходных материалов автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса
Введение к работе
На современном этапе развития тренажеростроения, одним из звеньев технологической оптимизации реального времени в обучающих системах является компьютерный тренинг, требующий специфической технической и программной реализации, с использованием новейших информационных технологий.
Современные автоматизированные обучающие системы, в том числе и автоматизированные тренажерно-обучающие комплексы должны быть реализованы с учетом высокого уровня развития мультимедиа-технологии и с использованием широкого спектра предоставляемых ею возможностей. В существующих тренажерных комплексах отсутствует полномасштабное представление средств мультимедиа, а положенные в основу их создания методики не содержат многовариантную адаптивную среду моделирования с информационными и математическими моделями управления.
Актуальность данной работы определяется также необходимостью совершенствования современных автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП), являющихся иерархическими человеко-машинными системами высокого уровня сложности, что невозможно без повышения квалификации и подготовки специалистов по автоматизации технологических процессов и производств, как одного из компонентов единой системы.
Один из оптимальных путей повышения уровня подготовки специалистов химического производства состоит в автоматизации процесса обучения путем использования целостных компьютерных обучающих систем, в том числе автоматизированных тренажерно-обучающих комплексов, ориентированных на применение всех учебных сред, включая интерактивные технологии, и содержащих многовариантную систему моделирования объекта управления.
Таким образом, тенденции комплексной автоматизации производства и необходимость высокоэффективной подготовки специалистов с использованием автоматизированных систем обучения обуславливают актуальность разработки автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса в предметной области «Автоматизация технологических процессов и производств».
Целью диссертационной работы является: разработка структуры и методики создания автоматизированных тренажерно-обучающих комплексов в системах управления химико-технологическими процессами; разработка многовариантной адаптивной среды моделирования, включающей модели представления неформализованных знаний, информационные и математические модели управления; создание автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса «Моделирование систем автоматического регулирования (АСР) технологических объектов» с пакетом интерактивных компьютерных моделей.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- построить имитационные модели одноконтурных, комбинированных, автономных АСР, а также типовых химико-технологических процессов, для дальнейшего их использования при построении тренажерных модулей, автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса;
- разработать структуру автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса с адаптационными свойствами для персонификации обучения специалистов по автоматизации технологических процессов и производств;
- организовать базу знаний на основе семантических сетей, позволяющих осуществить моделирование и воздействие на объект управления в соответствии с целями обучения;
- реализовать организацию применения мультимедиа-технологий для функционирования тренажерных модулей.
Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений.
В первой главе дается анализ современных компьютерных тренажеров производственного персонала, инструментария их разработки, а также излагаются характеристики и тенденции развития компьютерных тренажеров.
Во второй главе описаны тренажерные модели типовых процессов химической технологии, систем автоматического регулирования химико-технологических объектов, а так же методика их использования при построе -6 нии программных тренажеров, как составных элементов автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса, созданного в ходе данной диссертационной работы.
Во третьей главе представлено моделирование автоматизированного тре-нажерно-обучающего комплекса с выделением модели структуры предметной области, гипертекстовой системы представления знаний, "внешней" и "внутренней" структур автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса.
В четвертой главе приводится описание разработки программной структуры автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса, формулируются методические основы подготовки исходных материалов для автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса.
В пятой главе представлено описание комплекта программных тренажеров «Моделирование систем автоматического регулирования» и многофункциональной тестовой оболочки «Модуль-Тест» для проведения тестового контроля знаний, созданных на основе разработанных методик.
В приложениях представлены модули декларативных знаний автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса «Моделирование АСР технологических объектов» и тренажерные модули - тренажер «Расчет и моделирование одноконтурных разомкнутых АСР», тренажер «Расчет и моделирование автономных АСР многосвязных объектов» - в экранных формах.
Данная работа выполнялась в рамках Межвузовской комплексной программы «Наукоемкие технологии образования».
Компьютерные тренажеры для инжиниринга и управления
Представляется, что построение любого тренажерно-обучающего комплекса немыслимо без построения простейшей тренажерной модели. Для предметной области «Автоматизация технологических процессов и производств в промышленности» такими моделями могут являться дедуктивные модели химико-технологических процессов, которые можно использовать в режиме ди -10-намического (или имитационного) моделирования. Необходимо отметить, что в последний годы интенсивными темпами развиваются приложения, направленные на решение многочисленных инженерно-исследовательских задач, основанные на динамическом моделировании, например, проверка новых систем управления процессами на стадии их пуска. Некоторые из этих задач решают непосредственно на компьютерных тренажерных комплексах, превращая последние не только в средство тренинга, но в инструмент всестороннего исследования химико-технологических процессов [46]. Для таких задач используют дедуктивные модели процесса, т. е. такие модели, которые основаны на базовых принципах функционирования объекта. Если же в компьютерном тренажерном комплексе предусмотреть функции, обеспечивающие возможность управления реальным химико-технологическим процессом, то используются восстановленные по наблюдениям входо-выходные зависимости объекта, т. е. феноменологические модели объектов. На основании приведённых положений можно полагать, что перед разработчиками тренажеров для инжиниринговых целей и управления химико-технологическими процессами открылись большие возможности.
Для специалистов среднего звена управления (инженеров-технологов, специалистов по технике безопасности) подобные компьютерные тренажеры представляют собой гибкие моделирующие средства для поддержания технологических и технических решений [46]. При конструировании таких комплексов, усилия разработчиков направлены скорее на построение как можно более точных моделей технологических объектов, нежели на эмулирование интерфейса оператора и проектирование интерфейса инструктора. Данные комплексы могут представлять, с феноменологической точки зрения, одну из форм автоматизированных рабочих мест технологов и инженеров.
С помощью рассматриваемых компьютерных тренажеров могут решаться следующие задачи [43, 45, 46, 130, 132, 142]: оптимизация структуры ТП с точки зрения операций пуска, останова и устранения нарушений технологического режима; определение и устранение сложных нарушений хода процесса; опти -11 мизация размеров оборудования и расшивка узких мест процесса с помощью методики "Что произойдет, если?"; анализ воздействия различных технологических и управленческих решений на эргономическую и экологическую среду, а также на экономический фактор; мониторинг, диагностика и тестирование технологических процессов; проверка и настройка систем управления; определение материальных и тепловых балансов; обнаружение неправильных измерений; сглаживание данных для целей мониторинга.
В настоящее время существует целый ряд подобного рода программных продуктов. Среди них можно отметить следующие: пакеты SPEEDUP, IDEAS (Integrated Design Engineering with Advanced Simulation) и MMS (Modular Modeling System). В число разработчиков таких тренажерных комплексов входят и такие лидеры в области математического моделирования процессов, как Aspen Technology, Inc.; Hyprotech Ltd.; Universal Solutions, Inc.; Simulation Sciences, Inc.; Simons [133]; B&W Nuclear Technologies [137].
Тренажер SPEEDUP [136] разработки американской фирмы Aspen Technology, Inc. предназначен для исследования процессов в реальном времени, в том числе для работы по сценариям "Что произойдет, если?" и по другим методикам, предписываемым законодательством США [139]. Структура этого пакета включает модули расчёта оптимального управления и библиотеки динамических моделей разнообразных химико-технологических процессов (как то непрерывных, полупериодических, периодических).
Когда необходимо осуществить тестирование новых систем управления на стадии пуска, также можно применять тренажерные пакеты. Для решения данной задачи осуществляется эмулирование тестируемой системы на тренажёре и замена реальных выходов объекта на моделируемые, при этом реализуется проверка функционирования принципиальной схемы системы управления (проверка стратегии управления). Если же тестируемая система управления реально существует и входит в состав распределённой системы управления, то можно проводить ещё и проверку конкретных параметров регуляторов, например, направление выхода сигнала, параметры настройки, конфигурацию системы бло -12-кировок и защит. Использование специальных тренажёров, для решения подобных задач, позволяет существенно ускорить процедуру перехода к новой системе управления за счет предварительного детектирования и устранения ошибок в системе [138]. Кроме того, с помощью такого подхода можно решить следующий комплекс задач [46]: оптимизация структуры системы управления под конкретные стандартные процедуры (пуск, останов, изменение режимов и т.п.); выбор оптимальных характеристик исполнительных механизмов (регулирующих клапанов, насосов, арматуры); подбор значений параметров системы под различные режимы функционирования процесса.
Адаптивные системы автоматического регулирования
В силу того, что внедрение и разработка систем адаптации является важным направлением в области систем автоматического управления [63], необходимо использование таких систем в автоматизированных системах управления технологическими процессами, а следовательно и в автоматизированных тре-нажерно-обучающих комплексах, входящих в состав систем управления.
В системах адаптации процессы изменения параметров, структуры и управляющих воздействий возникают на основе текущей информации и предназначены для того, чтобы достигнуть оптимального состояния системы при начальной неопределенности и изменяющихся условиях работы.
Математическое описание получается с применением методов математической статистики, при обработке экспериментальных данных, характеризующих зависимость между входными и выходными величинами. Особенность адаптивных моделей заключается в том, что их коэффициенты вычисляются снова после каждого очередного изменения выходной величины с помощью методов регрессионного анализа. Полученные данные рассматриваются как источник дополнительной информации к ранее найденным величинам. Приспособление подобных моделей к влиянию неконтролируемых внешних возмущений обеспечивается введением вероятностной оценки полученных данных (определенное число новых измерений учитывается с вероятностью 1, а другие более ранние измерения - с вероятностью 0). Это достигается посредством канала обучения, в котором вновь полученная информация накапливается, а предыдущая стирается или результаты измерений после каждого шага корректируются коэффициентом старения информации.
Обычные системы регулирования не обеспечивают оптимального технологического режима, так как параметры производственных процессов с течением времени меняются (т. е. меняется математическая модель процесса) под воздействием неизмеряемой случайной помехи, действующей на объект, а параметры настройки регулятора остаются неизменными и следовательно не опта -66 мальными. Поэтому наиболее целесообразно применение адаптивных систем управления, которые вырабатывают управляющие воздействия для достижения оптимального состояния системы на основе текущей информации. При этом контур адаптации осуществляет непрерывную коррекцию настроек регулятора при изменении динамических свойств технологического объекта управления.
На рис. 2.18 изображен фрагмент экранной формы модуля декларативных знаний, представляющий функциональную структуру адаптивной системы регулирования.
Основное требование при адаптивном управлении заключается в том, чтобы модель точно представляла объект. Когда параметры объекта значительно изменяются во времени, модель с фиксированными параметрами будет неадекватно отражать технологический объект управления, поэтому в системах регулирования, использующих такие модели, переходная характеристика значительно ухудшается. Чтобы переходная характеристика в этом случае была оптимальной, необходимо непрерывно оценивать параметры объекта и вводить эти новые параметры объекта в модель, чтобы она точно соответствовала объекту.
Внедрение адаптивных систем в химической промышленности производится в основном за счет устройств оптимизации, производящих расчёт закона оптимального управления после уточнения модели объекта и изменения начальных условий. При этом используются управляющие устройства в реальном времени.
Адаптивные системы содержат блок идентификации объекта, который выполняет функцию уточнения модели технологического объекта управления по данным текущих измерений. Для этих целей используют адаптивные алгоритмы идентификации. При уточнении параметров модели объекта такой алгоритм использует измерения, полученные в текущий момент времени, причём в каждом такте вычислений имеется начальное приближение параметров. Таким образом нет необходимости в памяти ЭВМ хранить большое количество выходных переменных объекта, измеренных в предыдущие моменты времени.
"Внешняя" и "внутренняя" структуры автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса
"Внешняя" структура автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса Взгляд со стороны пользователя определяет "внешнюю" структуру автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса. Одной из отличительных особенностей автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса, основанного на мультимедиа-технологии, является использование разных средств для описания одной и той же сущности предметной области. Исходя из этого, представляется наиболее правильным подход, при котором курс состоит из множества экранных форм, каждая или группа которых описывает какой-либо объект предметной области. Такой подход обладает следующими преимуществами: возможность наиболее полно представить информацию об объекте; возможность рационального расположения информации различных типов в пределах одного экрана; возможность группировки информации об объекте в одной, или нескольких экранных формах, что облегчает процесс ее переноса в другие автоматизированные тренажерно-обучающие комплексы; упрощение процесса задания взаимосвязей между объектами предметной области; повышение точности системы при навигации в результате выполнения функций поиска; возможность рационального эргономического оформления и размещения фрагментов учебных материалов. Например, экранная форма может иметь вид, представленный на рис. 3.5. Очевидно, что для удобства использования информация, хранящаяся в обучающем курсе должна быть структурирована. При выборе способа структурирования необходимо учесть следующие факторы: объем автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса может быть разным; автоматизированный тренажерно-обучающий комплекс может состоять из частей, описывающих разные объекты предметной области; информация, содержащаяся в автоматизированном тренажерно-обучающем комплексе, различается по степени общности; необходимость обеспечения логической последовательности при изложении учебного материала. Проведенный анализ показал, что наиболее предпочтительной является структуризация автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса по иерархическому признаку. При этом структура представления учебного материала включает в себя ряд элементов, объединенных иерархической связью (см. рис. 3.6, рис. 3.7), -86-Небольшие по размерам автоматизированные тренажерно-обучающие комплексы могут иметь более простую структуру. Среди преимуществ такого подхода можно выделить следующие; (ф. возможность масштабирования автоматизированного тренажерно обучающего комплекса; привычность такой структуризации; близость этого метода способу структурирования знаний в памяти человека и в печатных материалах (учебники, научно-популярные книги). "Внутренняя" структура автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса "Внутренняя" структура автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса является отражением его "внешней" структуры и соответствует взгляду на нее со стороны разработчика программного обеспечения автомати зированного тренажерно-обучающего комплекса. "Внутренняя" структура реа лизует информационную модель предметной области и должна удовлетворять ряду требований, среди которых можно выделить следующие: адекватное отражение "внешней" структуры автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса; хранение информации различных типов в пределах одного автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса; обеспечение возможности задания взаимосвязей между хранимыми фрагментами информации; возможность добавления и удаления учебной информации из автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса; возможность изменения логической структуры автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса (перемещение информации, относящейся к различным уровням иерархии); возможность организации поиска информации; возможность интеграции нескольких автоматизированных тренажерно обучающих комплексов; -87 возможность реализации структуры построения и функционирования информационной модели с использованием одного из алгоритмических языков; принципиальная возможность оптимизации. Одним из основных требований является адекватное отражение "внешней" структуры автоматизированного трекажерно-обучающего комплекса, то есть обеспечение взаимосвязей между фрагментами учебной информации, представляющими собой логически законченные последовательности экранных форм. Согласно с проведенным анализом [35, 70, 98], представим предметную область автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса в виде ориентированного графа, описываемого парой (X, /) Элементы множества X называются вершинами орграфа D=(X, U), а элементы множества U - его дугами. Вершине соответствует логически законченный фрагмент учебного материала, представляющий собой экранную форму, отображаемую на экране дисплея. Дуги описывают взаимосвязи между фрагментами и позволяют связать, например, описание какого-либо процесса с описанием примеров его использования. Такая модель представления данных позволяет объединить компоненты обучающего курса в целостную систему и представить ее в виде матрицы, обработка которой может быть запрограммирована на современных алгоритмических языках [32, 91].
Методические основы подготовки исходных материалов автоматизированного тренажерно-обучающего комплекса
Комплект программных тренажеров «Расчет и моделирование систем автоматического регулирования» предназначен для расчета и моделирования одноконтурных (разомкнутых и замкнутых) и комбинированных систем автоматического регулирования, а также автономных систем автоматического регулирования многосвязных объектов.
Комплект тренажеров может быть использован для получения практических навыков и теоретических знаний в таких предметных областях, как «Автоматизация технологических процессов и производств», «Программное обеспечение автоматизированных систем управления технологическими процессами», «Теория управления», «Моделирование химико-технологических объектов и систем управления».
Комплект тренажеров включает:
тренажер «Расчет и моделирование одноконтурных разомкнутых систем автоматического регулирования»;
тренажер «Расчет и моделирование одноконтурных замкнутых систем автоматического регулирования»;
тренажер «Расчет и моделирование комбинированных систем автоматического регулирования»;
тренажер «Расчет и моделирование автономных систем автоматического регулирования многосвязных объектов».
В тренажерах осуществляются следующие функции имитационного моделирования систем автоматического регулирования:
1) расчёт критериев качества переходных процессов;
2) подбор оптимальных параметров настройки регуляторов и компенсаторов;
3) анализ качества переходных процессов на основе различных критериев (интегральные критерии качества, коэффициент перерегулирования, время регулирования, статическая ошибка, динамическая ошибка, степень затухания);
4) оценка степени влияния перекрёстных каналов в системах автоматического регулирования многосвязных объектов на выходы объекта;
5) оценка целесообразности введения компенсаторов в состав систем автоматического регулирования;
6) расчёт критериев качества переходных процессов и регулируемых величин при различных вариациях значений параметров (коэффициента усиления, постоянных времени, времени чистого запаздывания) передаточных функций структурных звеньев, входящих в моделируемые системы автоматического регулирования, а так же - параметров настройки регуляторов и компенсаторов (при этом пользователю программного тренажера предоставляется информация о степени влияния перечисленных параметров на качество переходного процесса);
7) модификация в структуре систем автоматического регулирования, посредством обнуления коэффициентов усиления отдельных звеньев с последующим анализом степени влияния соответствующих звеньев на переходный процесс в системе.
Результаты моделирования на тренажерах отображаются на графиках, таблицах, диаграммах, записываются в модуль базы данных и могут быть выведены на печать.
Экранные формы тренажеров разделены на множество активных и пассивных областей различного вида (геометрическая фигура, соответствующая каждой конкретной области зависит от особенностей рассматриваемого объекта и идентификатора текущей экранной формы). Активные области (или «электронные кнопки» - по терминологии, предложенной в работе [36]) позволяют организовать представление информации о моделируемой системе автоматического регулирования с высокой степенью детализации. Таким образом, каждая активная область, в отличии от пассивной, является восприимчивой к воздействию со стороны пользователя программного тренажёра.
На рис. 5.1 представлена структурная схема подсистемы обеспечения детализации представления информации о технологических объектах и системах автоматического регулирования. Данная система позволяет реализовать процесс выдачи более подробной информации, например, о элементах технологической схемы промышленного объекта или системы автоматического регулирования, изображенных на экранной форме тренажера. Степень подробности, в представлении рассматриваемого объекта, зависит от тех или иных действий пользователя (например, нажатие какой-либо клавиши на клавиатуре) при работе с программным тренажером. В частности, после щелчка клавиши мышки в области экранной формы тренажера ЭФ-і, датчик Д-ij тренажера выдает информацию о роде нажатой клавиши (возможные значения, присваиваемые соответствующей переменной: «правая», «средняя», «левая»), а также значения X и Y (натуральные числа в диапазонах [0 X Xm_max] и [0 Y Ym_max] соответственно, причём Xm_max и Ym_max зависят от установленного разрешения экрана), координат точки экрана монитора, в которой производилась данное воздействие. Тут же следует сказать, что каждый датчик Д-ij программного тренажера содержит чувствительный элемент ЧЭ-ij, который является, в тоже время, той или иной активной областью экранной формы ЭФ-i.
Далее, функциональный блок ФБІ-ij вырабатывает сигнал ф, несущий информацию об активности области (ф=1, если область активна; ф=0 - в противном случае). Если ф=1, то, в зависимости от информации, поступающей с датчика Д-ij, предварительно проанализировав которую, блок ФБ2-у производит вычисление значения выходной координаты рассматриваемой подсистемы, которое отображается в области экранной формы ЭФ-i. Блоки же являются составными частями регулятора P-ij программного тренажера.
Приведём пример работы описанной подсистемы обеспечения детализации представления информации, когда тренажеры используются для целей обучения. Допустим на экране монитора, по запросу обучаемого, выведена некая экранная форма, на которой изображена мнемосхема процесса ректификации. В некоторый момент времени, у обучаемого появилась необходимость узнать обозначение некоторого оборудования (это могут быть названия объектов технологической схемы, нормальные значения и единицы измерения переменных), например, дефлегматора, представленного на данной схеме. Действия обучаемого будут состоять в активизации области экрана монитора, в рамках которой изображен дефлегматор. Для этого необходимо ввести курсор мышки в данную область и щёлкнуть левой клавишей мышки по этой области. После этого выходная координата (а) подсистемы принимает некоторое значение, в соответствии с которым формируется множество символов, заключающее текст требуемого обозначения дефлегматора, который отображается в определённой области экранной формы.
