Введение к работе
Актуальность темы исследования. Современные производственные процессы обладают рядом особенностей, а именно: сложной элементной структурой и изменчивостью ее топологии в краткосрочной временной перспективе, динамичностью, распределенностью и неравномерностью во времени описывающих их параметров и переменных, наличием возмущений, способных серьезно отклонить ход течения производственных процессов от плановой траектории, наличием быстро меняющихся целей управления и противоречивых критериев оценки эффективности. В связи с этим, введение эффективного управления производственными процессами позволяет значительно снизить производственные издержки, а также уменьшить время на принятие управленческих решений.
Именно поэтому в условиях диверсификации и усложнения структуры производственных процессов, усложняющейся структуры изделий, высокой динамичности современного производства, массового применения инновационных высокотехнологичных приборов задача исследования и управления производственными процессами является актуальной.
Однако аналитические модели недостаточно точно описывают сложные системы, а при попытках их уточнения они становятся столь сложными, что получить решение таких уравнений классическими методами теории управления не представляется возможным. В связи с этим с развитием цифровых средств автоматизации стало широко использоваться исследование сложных систем на основе их имитационных моделей.
Вопросам системного анализа и синтеза, а также системного моделирования, в том числе на основе имитационных моделей, посвящен широкий круг работ как зарубежных, так и отечественных авторов; в их число входят Ю.П. Адлер, Д.В. Александров, Е.И. Альтман, СМ. Ара-келян, B.C. Балакирев, Л.А. Бахвалов, И.П. Болодурина, В.Н. Волкова, А.И. Галушкин, А.А. Давыдов, А.А. Денисов, В.В. Дик, Е.В. Егоров, А.А. Емельянов, Е.З. Зиндер, Г.Н. Калянов, A.M. Карминский, В. Кельтон, Н.Б. Кобелев, А.А. Кобзев, В.Ф. Корнюшко, А.В. Костров, Р.Е. Кузин, Г.Г. Куликов, А. Лоу, Р.И. Макаров, В.И. Малюгин, Е.Г. Ойхман, А.А. Первозванский, Э.В. Попов, С.С. Садыков, С.А. Яковлев и др. Особенностями управления производственными процессами, в том числе на основе имитационных моделей, занимались в своих исследованиях такие авторы как: Р. Бергман, О.В. Веселов, И.Н. Егоров, В.Ф. Коростелев, А.В. Затонский, В.П. Ки-рилица, О.В. Логиновский, Р.И. Макаров, Т. Нейлор, Б.Я. Советов, Ю.С. Харин, СВ. Черемных и др. В качестве основного недостатка используемых имитационных моделей производственных процессов следует отметить сложность их модификации, а также возможность применения для ограниченного круга задач. Кроме того, применение аналитических (строгих) методов принятия решений при использовании таких моделей весьма затруднено.
Выявлено, что для повышения эффективности управления производственными процессами в условиях автоматизации и информатизации производства имитационные модели долж-
ны обладать следующими свойствами: адекватностью описания управляемого объекта, соответствующей заданной точности; высокой степенью модифицируемости и элементной структурой; наличием комплексной реакции на управляющие воздействия; наглядностью отображения производственных процессов; возможностью автоматизированного применения к ним строгих методов теории управления, а также должны обеспечивать точность и скорость расчетов.
Наличие в модели перечисленных свойств позволит повысить скорость принятия управленческих решений за счет ускорения моделирования производственных процессов, повысить точность моделирования и снизить затраты на модификацию модели в случае появления изменений в соответствующих реальных производственных процессах за счет возможности оперативного изменения ее параметров, структуры и связей, а также повысить эффективность управления за счет применения к модели процедур оптимизации.
Таким образом, по своему существу разработка модели управления производственными процессами является актуальной научно-технической задачей.
Объект исследования. Объектом диссертационного исследования являются дискретные структурно-модифицируемые производственные процессы.
Предмет исследования. Предметом диссертационного исследования являются системы управления дискретными структурно-модифицируемыми производственными процессами.
Цель работы. Целью работы является повышение эффективности управления дискретными структурно-модифицируемыми производственными процессами.
Задачи исследования. В рамках диссертационного исследования поставлены и решены следующие задачи:
-
Разработана модель динамических структурно-модифицируемых производственных процессов, обладающая требуемыми свойствами.
-
Разработан инструмент конструирования имитационных моделей динамических производственных процессов на основе моделей элементов этих процессов.
-
Предложены методика автоматизированной оценки эффективности производственных процессов для расчета оптимального управления на их имитационных моделях и критерии оценки эффективности управления.
-
Разработаны автоматизированный метод, алгоритм и пользовательский интерфейс для оптимального управления сложными производственными процессами на основе имитационной модели.
Научная новизна результатов работы состоит в следующем.
1. Разработанная имитационная модель дискретных структурно-модифицируемых производственных процессов имеет такой элементный состав, который позволяет в условиях производства собирать автоматизированным способом модель процесса и ее модификации из
элементов, обеспечивая при этом требуемую адекватность представления сложных процессов.
-
Разработанный инструмент конструирования моделей производственных процессов путем их сборки автоматизированным способом из моделей выделенных типовых элементов отличается тем, что не требуется составлять полное формализованное описание процесса на математическом языке или языке программирования, что позволяет упростить и ускорить процесс управления, повысить точность и эффективность процедуры принятия решений.
-
Разработанная методика автоматизированной оценки (прогноза) эффективности производственных процессов с использованием их имитационных моделей и предложенных критериев позволяет применить принцип максимума Понтрягина к имитационной модели системы для расчета оптимального управления ею и дать оценку эффективности управления динамическими процессами в нелинейной системе со сложной структурой.
-
Предложен метод управления производственными процессами и комплекс реализующих его алгоритмов, позволяющий в автоматизированном режиме изменять не только значения параметров, возмущений и ограничений, но и структуру модели и критерии эффективности, оперативно наблюдая (прогнозируя) результат управления, что обеспечивает высокую эффективность управления структурно-модифицируемыми сложными объектами в реальном производстве.
Практическая значимость. Модель, инструмент, методика, метод и алгоритмы, предложенные в рамках диссертационной работы, позволяют автоматизировать управление производственными процессами, увеличивают точность описания процесса за счет применения объектного способа имитации при составлении модели, одновременно используя такую форму записи свойств элементов, которая позволяет применить к ним принцип максимума Понтрягина для расчета оптимального управления.
Использование объектного способа составления имитационной модели позволяет сократить время конструирования и модификации моделей производственных процессов за счет сборки их из элементарных моделей. Использование формальной записи модели и применение, таким образом, к ней принципа максимума Понтрягина для решения задач оптимального управления позволяет повысить эффективность управления производственными процессами.
Таким образом, предложен комплексный автоматизированный метод оценки (прогноза) эффективности производственных процессов и управления ими, и создан инструмент проектирования моделей производственных процессов на базе среды моделирования Stratum 2000.
Данный инструмент целесообразно применять для управления дискретными производственными процессами потокового типа на промышленных предприятиях различных отраслей со сложной структурой.
Методы исследования, использованные в работе, включают методы анализа, исследования и классификации предметной области, а также методы имитационного моделирования и объектно-ориентированный подход при проектировании моделей, методы теории оптимального управления.
На защиту выносятся следующие положения.
-
Динамическая элементная модифицируемая модель производственных процессов.
-
Инструмент конструирования моделей производственных процессов из набора типовых элементов, позволяющий автоматизированным способом составлять достоверные модели сложных объектов с требуемым уровнем точности.
-
Методика автоматизированной оценки (прогноза) эффективности производственных процессов на основе применения принципа максимума Понтрягина к их имитационной модели, а также критерии оценки эффективности управления.
-
Метод и реализующие его комплекс алгоритмов, пользовательский интерфейс для построения моделей производственных процессов, расчета оптимального управления ими в условиях реального производства, а также для анализа влияния топологии и параметров модели на степень эффективности управления процессами в условиях возмущений.
Апробация и внедрение результатов исследования. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Молодежной научно-практической конференции «Молодежная наука Прикамья» (г. Пермь, 2006), Всероссийской научно-практической интернет-конференции «Автоматизированные системы управления и информационные технологии» (г. Пермь, 2006), научно-практической конференции «Высокие технологии, исследования, промышленность» (г. Санкт-Петербург, 2010), IV Международной научно-практической конференции «Перспективы развития информационных технологий» (г. Новосибирск, 2011), 12 Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2011).
Результаты диссертации внедрены в ОАО НПО «Искра» (г. Пермь) и в учебный процесс кафедры информационных систем и программной инженерии ВлГУ.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 11 статьях, в том числе 5 статьях в рецензируемых научных изданиях, входящих в Перечень ВАК.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения и изложена на 144 страницах машинописного текста, библиография включает 147 наименований.
Похожие диссертации на Методы, модели и алгоритмы управления процессами в производственных системах
