Введение к работе
Актуальность проблемы. В условиях внедрения рыночных механизмов хозяйствования наиболее важное значение для принятия управляющих решений приобретает качество прогноза результатов функционирования производственных комплексов промышленного предприятия в условиях неопределенности с учетом гарантированного достижения поставленных целей. Поэтому актуальной становится задача построения прогнозирующих систем для различных уровней управления на основе методов и средств идентификации и диагностирования состояния производственных комплексов. Задачи оперативного управления производством занимают одно из основных мест в функциональной структуре системы автоматизированного управления, решение которых обусловливает качество управления производственными комплексами и предприятием в целом. И поэтому они должны быть адекватно поставлены и решены в соответствующей прогнозирующей системе. В этой связи проблема построения диагностико-прогнозирующих систем оперативного управления (ДПСОУ) производственными комплексами является одной из центральных в современной теории управления производством. В то же время она взаимосвязана с рядом других проблем.
Производственные комплексы металлургического предприятия как объекты управления представляют собой сложные стохастические многомерные динамические системы, подверженные действию как внутренних, так и внешних возмущений. Такие системы характеризуются наличием высокого уровня неопределенности. Процессы, протекающие в них, в силу своей сложности являются недостаточно изученными, что усложняет разработку их математического и алгоритмического описания. Для эффективного управления производственными комплексами необходимо обрабатывать большие объемы информации и применять адекватные математические модели. При построении систем оперативного управления металлургическим производством широко применяются экономико-математические методы, имитационное моделирование, сетевые модели и графы. Многие известные процедуры синтеза ориентированы, как правило, на детерминированные классы систем. Недостаточный учет реальных условий функционирования, стохастической природы протекающих процессов приводит к потере эффективности детермтшировашшх методов, высокой чувствительности их к действующим возмущениям, появлению в определенные моменты времени новых качественных изменений, не нашедших отражения в применяемых моделях и алгоритмах. Для решения
рассматриваемой проблемы должны применяться модели и методы идентификации стохастических процессов. При создании систем оперативного управления вопросы идентификации производственных комплексов (ПК-систем) в условиях неопределенности рассматривались недостаточно, что отразилось на качестве применяемых алгоритмов управления. Кроме того, не решались задачи декомпозиции производственной системы с целью определения гарантированных' областей функционирования агрегатов, участков, цехов и производственного комплекса в целом. С этими проблемами напрямую связаны вопросы достижения в условиях неопределенности заданной цели функционирования ПК-системы. Следует отметить также, что многие задачи оперативного управления решены без учета их взаимообусловленности, что требует дополнительного исследования и постановки всего комплекса задач оперативного управления металлургическим предприятием в целом. Итак, несмотря на актуальность, вопросам синтеза адекватных математических моделей и разработке на их основе эффективных алгоритмов оперативного управления в условиях неопределенности, обеспечивающих гарантированное достижение цели производственной системы, уделялось недостаточное внимание.
Целью диссертации является разработка теоретических основ, моделей и методов построения ДПСОУ сложными производственными комплексами как основы для создания систем принятия управляющих решений, обеспечивающих гарантированное достижение поставленных целей в условиях неопределенности.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующий комплекс задач:
1. Предложить научные подходы и разработать методы построения ДПСОУ сложными стохастическими производственными системами. Для этого необходимо определить принципы построения диагностико-прогнозирующих систем оперативного управления в условиях неопределенности; на основе предложенных принципов провести декомпозицию производственной системы; разработать: операционную структуру ПК-системы и дать на ее основе постановку задач оперативного управления, критерии и методы оптимизации работы производственного комплекса в условиях неопределенности, алгоритмы оценивания надежности ПК-системы и методы оптимизации системы оперативного управления с учетом обеспечения заданного уровня надежности принимаемых решений, алгоритмы и методы адаптивной идентификации процессов ПК-системы в условиях неопределенности.
2. Разработать: алгоритмические и программные средства для
идентификации и прогнозирования процессов в ПК-системах; алгоритмы
оценивания надежности по результатам моделирования системы
оперативного управления; методику выбора адаптивных алгоритмов
идентификации в системах оперативного управления.
3. Внедрить разработанные подходы, методы и инструментальные
средства в практику оперативного управления производственными
комплексами, оценить их эффективность и сформулировать выводы по их
использованию.
Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы теории идентификации стохастических процессов, адаптивных систем, нечетких множеств, цифровой фильтрации, сглаживания и обнаружения случайных сигналов, оптимального управления, методы динамического программирования и имитационного моделирования.
Научная новизна результатов исследования состоит в следующем:
а) разработаны теоретические основы построения ДПСОУ сложными
производственными комплексами, функционирующими в условиях
неопределенности, с учетом оценки уровня гарантированного достижения
поставленных целей: предложены научные подходы и принципы построения
ДПСОУ для сложных стохастических производственных систем; разработана
операционная структура ПК-системы и методы ее декомпозиции на
отдельные звенья; впервые предложены подходы и методы идентификации
элементарного производственного звена как основы операционной
структуры; показано, что в качестве критерия гарантированного достижения
цели производственного комплекса должен использоваться показатель
надежности системы; дана постановка задач управления ПК-системой на
основе операционной структуры; разработана методология управления
уровнем использования производственных мощностей агрегатов с оценкой
"узких мест" в ПК-системе; предложены критерии оптимизации ПК-системы
в условиях неопределенности; предложен подход к формироваїшю
интегрального критерия качества на основе локальных функционалов;
введено понятие надежности выполнения ПК-системой поставленной'цели;
обоснован метод оценки нечеткого отказа производственной системы в
условиях: неопределенности; введено понятие целевой надежности ПК-
системы и предложен подход к ее оценке;
б) на основе разработанных теоретических положений созданы модели,
методы и алгоритмы функционирования ДПСОУ, позволяющие
вырабатывать управляющие решения, адекватные реальным условиям и
обеспечивающие устойчивость функционирования производственного
комплекса: разработаны алгоритмы оценивания надежности реализации месячного производственного задания в системе оперативного управления комплексом; разработаны алгоритмы идентификации показателей надежности в условиях нечеткой цели; предложен метод оценки вероятности нечеткого отказа ПК-системы при выполнении производственного задания; предложен метод синтеза адаптивных алгоритмов идентификации стохастических процессов в ПК-системе; получен класс /'-алгоритмов параметрического оценивания, робастных к действующим возмущениям; для идентификации нестационарных производственных процессов предложен класс ІУ-алгоритмов адаптации, основанный на принципах поисковой и беспоисковой настройки, и исследованы его свойства; дана постановка задачи идентификации стохастических процессов в ПК-системе; предложены численные алгоритмы оценки корреляционных функций случайных процессов по экспериментальным данным; разработаны алгоритмы нелинейного преобразования случайных процессов; предложены аналитические и численные процедуры нахождения плотности распределения случайного процесса из базового распределения; разработана система моделирования случайных процессов со скачкообразным изменением параметров; предложены процедуры классификации, фильтрации и прогнозирования переменных состояния процессов в ПК-системах в условиях неопределенности;
в) целесообразность практического использования разработанных моделей, методов и алгоритмов ДПСОУ подтверждена результатами решения прикладных задач: разработаны модели и адаптивные алгоритмы управления процессом прокатки в чистовой группе клетей широкополосного стана горячей прокатки 1700; получены математические модели прогнозирования времени нагрева слитков в отделении нагревательных колодцев комплекса сталь-прокат; синтезирована математическая модель производственного участка; предложены алгоритмы оперативного управления порядком стрштерования плавок на участке сталь-прокат; разработана процедура оптимального по критерию надежности распределения по времени месячного задания на выплавку металла; синтезированы алгоритмы и модели построения суточного графика выплавки металла и определения потребности ПК-системы в изложницах; разработаны алгоритмы и: модели оперативного управления участками колпаковых печей, нагревательных колодцев, прокатки слябов без промежуточного нагрева, участком адъюстажа листопрокатного цеха.
Практическая значимость. Диссертационная работа выполнена в рамках важнейших НИР в соответствии с целевой программой ГКНТ СССР
0.80.02 "Создать и ввести в эксплуатацию системы автоматизации процессов
производства и управления в народном хозяйстве на основе интеграции АСУ
различного уровня, применения вычислительной техники и
микропроцессорных средств (интегрированные АСУ)" и отраслевым
координационным планом с 1980 по 1990 годы. Практическая ценность
результатов, полученных в работе, заключается в том, что созданы
методология и инструментарий для проектирования и разработки
высокоэффективных ДПСОУ производственными комплексами в условиях
неопределенности. По результатам проведенных исследований под
руководством и при непосредственном участии автора разработан комплекс
алгоритмов и программ, предназначенных для решения: задач оперативного
управления производственными системами, прогнозирования,
идентификации и принятия решений в условиях неопределенности.
Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации методы, алгоритмы, методические рекомендации и пакеты программ по оптимизации, идентификации, анализу экспериментальных данных и принятию решений прошли апробацию и использованы при создании АСУ КарМК и на других предприятиях. Акты, подтверждающие экономическую эффективность внедренных разработок, приведены в приложении. Экономический эффект от внедрения результатов работы на КарМК составил более 2,7 млн. руб. (в ценах 1988г.).
Па защиту выносятся наиболее значимые теоретические результаты, имеющие важное практическое значение:
-
Методология построения ДПСОУ сложными стохастическими производственными комплексами металлургического предприятия.
-
Методы оценки надежности ПК-системы с учетом гарантированного достижения поставленной цели и алгоритмы оперативного управления производственным комплексом на основе критерия надежности.
-
Подход и новый класс алгоритмов адаптивной идентификации производственных процессов в условиях неопределенности.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались, обсуждались и были одобрены на Республиканской научно-технической конференции "Автоматизация технологических процессов производства черной металлургии в Казахстане" (Караганда, 1979, 1984, 1986); Всесоюзном совещании по статистическим методам в процессах управления (Москва, 1981); Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение эффективности и качества АСУ (Москва, 1982); Всесоюзном симпозиуме "Методы теории идентификации в задачах измерительной техники и
метрологии" (Новосибирск, 1982); Всесоюзной конференции 'Теория адаптивных систем и ее применение" (Ленинград, 1983); Региональной научно-практической конференции "Интенсификация использования топливно-энергетических ресурсов" (Караганда, 1985); Всесоюзной конференции "Интегрированные АСУ предприятиями" (Новосибирск, 1985); X Всесоюзном ' совещании по проблемам управления (Москва, J 986); Всесоюзной конференции "Разработка программного обеспечения АСУ ТП" (Черновцы, 1986); Всесоюзной конференции "Автоматизация прокатного производства" (Кривой Рог, 1987); Всесоюзной научно-технической конференции "Задачи технического перевооружения листопрокатного производства" (Днепропетровск, 1987); Всесоюзной научно-технической конференции "Организационно-экономический механизм развития работ по автоматизации управления производством" (Тернополь, 1988); Всесоюзном семинаре "Модели планирования и хозрасчета на предприятии" (Москва, 1988); III Всесоюзной конференции "Проблемы и методы принятия решений в организационных системах управления" (Москва, 1988); Международном семинаре ИФАК "Развитие адаптивных систем и их применение в промышленности" (Тбилиси, 1989); XI Всесоюзном совещании по проблемам управления (Ташкент, 1989); III Международном симпозиуме "Имитация систем-90" (Одесса, 1990).
Публикации. Основные научные результаты опубликованы в 9 монографиях, более чем в 50-ти научных статьях и в ряде научно-исследовательских отчетов, защищены 15 авторскими свидетельствами.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 207 наименований, 33 рисунков, 11 таблиц и 4 приложений. Основная часть работы изложена на 246 страницах машинописного текста.
