Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ алгоритмов и области применения адаптивного управления по величине рассогласованиям
1.1 Реализация алгоритмов адаптивного управления по величине рассогласования в технических системах 14
1.2 Анализ элементов адаптации в структуре принципов менеджмента качества 18
1.3 Адаптивное управление в структуре международных стандартов управления 23
1.4 Адаптация в интегрированных системах управления 29
1.5 Адаптация в системах управления производством 34
1.6 Обоснование актуальности цели и задач исследования 38
Выводы по первой главе 42
ГЛАВА 2 Алгоритмы управления интегрированными системами с адаптацией по величине рассогласования44
2.1 Адаптивное управление по величине рассогласования в ИС 44
2.2. Модель жизненного цикла изделий в условиях рыночных отношений с элементами адаптации по уровню рассогласования 52
2.3 Алгоритм преобразования ресурсов в готовый продукт с адаптацией по величине рассогласования 58
2.4 Алгоритм преобразования новых технологий в новое качество с адаптацией по величине рассогласования 65
2.5 Структурная схема системы управления производством с адаптацией по величине рассогласования 70
2.6 Алгоритм реализации готовой продукции с адаптацией по величине рассогласования 78
2.7 Алгоритм управления многопродуктовым производством с адаптацией по величине рассогласования 84
Выводы по второй главе 95
ГЛАВА 3 Многомерные алгоритмы управления интегрированными системами с адаптацией по величине рассогласования 97
3.1 Как многомерный объект управления с адаптацией по величине рассогласования 97
3.2 Многомерные структуры управления ИС на основе динамических звеньев с адаптацией по величине рассогласования 100
3.3 Ситуационное управление ИС с адаптацией по величине рассогласования 106
3.4 Устойчивость ИС с адаптацией по величине рассогласования 112
Выводы по третьей главе 119
ГЛАВА 4 Программная реализация алгоритмов управления интегрированными системами с адаптацией по величине рассогласования 120
4.1 Краткая характеристика пакета программ VisSim 120
4.2 Программная модель ИС с адаптацией по величине рассогласования ... 122
4.3 Управляющая программа реализацией готовой продукции с адаптацией по величине рассогласования 126
4.4 Программа управления многопродуктовым производством с адаптацией по величине рассогласования 131
4.5 Программа, реализующая ситуационное управление ИС с адаптацией по величине рассогласования 136
4.6 Принцип действия интегрированной системы управления промышленным предприятием на основе алгоритмов управления с адаптацией по величине рассогласования 143
Выводы по четвертой главе 146
Основные выводы и результаты 147
Список использованных источников 149
Приложения 163
- Реализация алгоритмов адаптивного управления по величине рассогласования в технических системах
- Адаптивное управление по величине рассогласования в ИС
- Многомерные структуры управления ИС на основе динамических звеньев с адаптацией по величине рассогласования
- Программная модель ИС с адаптацией по величине рассогласования
Введение к работе
Актуальность темы
История развития интегрированных систем (ИС) показывает прямую зависимость благополучия общества от постоянной согласованности потребности рынка с фактически произведенным объемом готовой продукции. Именно этим обстоятельством объясняется постоянный интерес к ИС со стороны многочисленных исследователей, ставящих перед собой цель изучить пути наиболее полного использования их для переработки ресурсов в готовую продукцию, необходимую для удовлетворения потребностей общества. В силу специфики ИС (сложность структурных связей между отдельными элементами, имеющими различную физическую природу, большая трудоемкость исследования материальных, энергетических и информационных процессов, а также высокая стоимость проведения экспериментов на реальном объекте) выдвинули на передний план разработку и моделирование алгоритмов управления ИС как основной метод их исследования.
Вопросам разработки алгоритмов управления ИС посвящено большое количество специальной литературы [И; 12; 15; 20; 29; 34; 66; 68; 105; 122]. Сформулированы общие требования к алгоритмам управления ИС и обоснован выбор системы дифференциальных уравнений как основного средства описания процессов в ИС. Однако наибольшей простотой и наглядностью обладают алгоритмы управления ИС на основе динамических звеньев, широко применяемых в теории автоматического управления [12; 13; 29; 33]. Это следует из того, что динамические звенья обеспечивают хорошую структурную декомпозицию сложных систем, адекватность и достоверность описания процессов, протекающих в ИС. Несмотря на многообразие подходов и средств моделирования, к сожалению, на сегодняшний день нет алгоритмов управления ИС (в том числе и на основе динамических звеньев), которые обладали бы свойствами самонастройки (адаптации), так необходимыми для согласования реальных возможностей
ИС с конкретными условиями промышленного предприятия и сбыта готовой продукции.
Значительные успехи в области разработки алгоритмов управления ИС на основе динамических звеньев достигнуты отечественными учеными - Б.Г Ильясовым., Л.А.Исмагиловой, Р.Г. Валеевой и др.
Между тем, способность ИС адаптироваться к реальным условиям крайне необходима, поскольку в силу сложности задач планирования практически невозможно составить сбалансированное плановое задание, полностью использующее технологические возможности конкретного промышленного предприятия и адекватно учитывающее воздействие внешней среды на объект управления. Тем не менее, общим недостатком всех этих алгоритмов является отсутствие у них свойств адаптации, приводящее к возникновению нештатных ситуаций в системе при большом рассогласовании между априорно заданным и фактическим значениями регулируемого параметра. Особенно часто это имеет место в условиях рыночных отношений. Именно в рыночной среде возникла острая необходимость в алгоритмах, способных описывать не только режимы ИС с номинальным заданием, но и в случаях, когда задание существенно превышает или занижает реальные возможности ИС. Как в таких случаях одновременно избежать появления сбоев в системе управления и обеспечить эффективную работу производства? Как автоматически (без участия человека) перейти на режим работы ИС, обеспечивающий и поддерживающий на длительном временном интервале устойчивый и сбалансированный режим системы? Существующие алгоритмы управления ИС не дают ответа на эти вопросы. Приведенные доводы позволяют считать тему диссертационной работы актуальной.
Настоящая работа выполнена в рамках хоздоговоров на научно-исследовательскую работу №01-2003 г. от 10.09.2003 г. и №03-2004 от 04.10.2004 г. по следующим критическим технологиям: информационная интеграция и системная поддержка жизненного цикла продукции (CALS-,
7 САМ-, САЕ-технологии); компьютерное моделирование.
Цель работы и задачи исследования
Цель работы - получение наибольшего объема востребованной готовой продукции путем согласования в режиме реального времени с помощью основных алгоритмов управления интегрированными системами с адаптацией по величине рассогласования технологических возможностей промышленного предприятия с запросами рынка.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие основные задачи:
1. Разработка методологии алгоритмизации процессов управления интегрированными системами с адаптацией по величине рассогласования, обеспечивающей динамическое согласование технологических возможностей промышленного предприятия и рынка сбыта готовой продукции.
2. Составление алгоритмов преобразования сырья в готовую продукцию и новых технологий в новое качество с адаптацией по величине рассогласования в контурах управления.
Создание алгоритма управления реализацией готовой продукции промышленного предприятия с адаптацией по величине рассогласования для одно- и многопродуктовой интегрированных систем.
Разработка ситуационной модели управления интегрированными системами с адаптацией по величине рассогласования.
5. Исследование предложенных алгоритмов управления интегрированными системами с адаптацией по величине рассогласования в контурах управления в среде пакета имитационного моделирования VisSim.
Объект исследования - процессы управления в системе «промышленное предприятие - рынок сбыта готовой продукции».
Методы исследования. При решении поставленных в диссертационной работе задач использованы методы системного анализа, теории автоматического и адаптивного управления, теории алгоритмов, моделирования сложных систем и ситуационного управления, а также
8 методы имитационного моделирования. Научную новизну составляют:
Пропорциональное динамическое звено с переменной структурой, реализующее самонастраивающийся алгоритм системы «промышленное предприятие - рынок сбыта готовой продукции», коэффициент передачи которого изменяется в зависимости от соотношения текущего и априорно заданного допустимого значений рассогласования в контуре управления. RN - и ThK - модели, реализующие алгоритмы автоматической настройки технологических возможностей промышленного предприятия с потребностями заказчика.
Самонастраивающиеся алгоритмы реализации готовой продукции с адаптацией по величине рассогласования для одно- и многопродуктовой интегрированных систем, обеспечивающие в режиме реального времени согласование возможностей промышленного предприятия с потребностями рынка с целью получения наибольшего объема востребованной готовой продукции.
Адаптивное управление по величине рассогласования в ситуационном управлении интегрированными системами, позволяющее в режиме реального времени увеличить диапазон существования ситуаций с прибылью. Алгоритм управления многопродуктовой ИС с адаптацией по величине рассогласования, обладающий свойством автоматически выравнивать текущее значение дефицита на взаимосвязанных рынках и оперативно определять уровень прибыли промышленного предприятия.
Имитационные модели основных процессов управления интегрированными системами с адаптацией по величине рассогласования в контурах управления в среде VisSim, позволяющие на стадиях разработки бизнес-планов, технологической подготовки производства, а также в процессе производства установить режимы работы ИС с наибольшим объемом выпуска готовой продукции, соответствующим потребностям рынка.
9 Практическая значимость работы заключается в следующем:
1. Разработаны имитационные модели интегрированных систем, позволяющие до начала и в процессе производства готовой продукции путем проведения серии экспериментов на модели установить значения основных эксплуатационных параметров ИС, при которых обеспечивается динамическая согласованность максимальных возможностей конкретного промышленного производства и потребностей рынка готовой продукции. Тем самым исключаются такие нежелательные режимы работы ИС, как недогрузка или перегрузка технологического оборудования или производство невостребованной рынком товарной продукции.
2. Разработанные имитационные модели интегрированных систем с адаптацией по величине рассогласования могут использоваться при подготовке и переподготовке специалистов технических и экономических специальностей для управления производством в рыночных условиях, когда промышленное производство и рынок рассматриваются как единая система.
Достоверность полученных результатов. Предложенные алгоритмы адаптивного управления ИС по величине рассогласования базируются на фундаментальных положениях классической теории управления и хорошо проверенных на практике методах адаптации. Согласие полученных результатов с современными представлениями о процессах, протекающих в ИС, удовлетворительное соответствие расчетных кривых с результатами других исследователей, а также хорошая сходимость предложенных алгоритмов и формул с уже известными свидетельствует об их достоверности.
На защиту выносятся:
1) методология самонастраивающихся алгоритмов управления интегрированными системами с адаптацией по величине рассогласования;
2) алгоритмы преобразования ресурсов в готовый продукт (RN) и новых технологий в новое качество (ThK) для управления промышленным производством с адаптацией по величине рассогласования в контурах
10 управления; самонастраивающийся алгоритм реализации готовой продукции с адаптацией по величине рассогласования для одно- и многопродуктовой интегрированных систем; ситуационная модель управления интегрированными системами с адаптацией по величине рассогласования; система имитационных моделей основных процессов управления интегрированными системами с адаптацией по величине рассогласования в среде VisSim.
Реализация результатов. Результаты диссертации внедрены в учебный процесс Стерлитамакского филиала Уфимского государственного нефтяного технического университета. Предложенные алгоритмы управления ИС внедрены также на Стерлитамакском заводе нефтепромыслового оборудования «Красный пролетарий» со следующими показателями: программа реализации готовой продукции для однопродуктовой ИС с адаптацией по величине рассогласования, внедренная на уровень управления производственными бизнес-процессами, за счет согласования в режиме реального времени технологических возможностей завода и спроса рынка агрегата для ремонта скважин (модель А1-32), увеличила прибыль предприятия в среднем на (3-^5) %; имитационная модель процессов в многопродуктовом производстве с адаптацией по величине рассогласования в 2004^-2006 годах увеличила прибыль ОАО «Красный пролетарий» от реализации насосных установок УН1Т, СУРС-40Т и ПНУ-2 в среднем на (4^-6) %; программа ситуационного управления ИС с адаптацией по величине рассогласования (уровень ERP) позволила при изготовлении агрегатов модели ЛКС-06, НТМ-1 и А5-40М увеличить загрузку технологического оборудования в среднем на (9-Н1) %.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на: VII Международном семинаре «Новые информационные технологии» (г. Москва, 1999 г.); конкурсе научных работ студентов вузов Республики Башкортостан (г. Уфа, 1999 г.); XXXI Уральском семинаре «Механика и процессы управления» Российской академии наук (г. Екатеринбург, 2001 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (г. Москва, 2003 г.); XI Международной научно-технической конференции «Математические методы и информационные технологии в экономике, социологии и образовании» (г. Пенза, 2003 г.); XXXIII Уральском семинаре «Механика и процессы управления» Российской академии наук (г. Екатеринбург, 2003 г.); V Международной научно-технической конференции «Динамика систем» (г. Омск, 2004 г.); Workshop on Computer Science and Information Technologies CSIT '2004 (Budapest, Hungary, 2004 г.); Международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2004» (г. Ухта, 2004 г.); Международном форуме «Ярмарка инвестиционных проектов» (г. Москва, 2005 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 22 работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 128 наименований и приложений. Содержит 5 таблиц, 44 рисунка и изложена на 179 страницах.
Содержание работы
В первой главе на основе краткого анализа существующих систем адаптивного управления и областей их применения обоснована актуальность проблемы исследования управления ИС с адаптацией по величине рассогласования в условиях свободных рыночных отношений. Показано, что для внедрения адаптивного управления по величине рассогласования наиболее подготовленными с точки зрения минимума затрат по финансированию и трудоемкости монтажных и отладочных работ являются ИС, структура которых представлена в виде системы динамических звеньев.
Сформулированы цели и задачи исследования.
Во второй главе разработаны алгоритм и унифицированная модель ИС, которые с позиций теории управления представляют собой безынерционное
12 динамическое звено с переменной структурой. Указаны условия и особенности реализации нового способа адаптивного управления по величине рассогласования в составе ИС.
Предложена модель жизненного цикла изделий, позволяющая с помощью алгоритма адаптивного управления по величине рассогласования на стадии проектирования выявить и устранить узкие места, а также исключить перегрузки и простои за счет выравнивания темпов производства работ на всех этапах процесса изготовления изделия.
Адаптивное управление по величине рассогласования в RN - и ThK -моделях ИС позволяет автоматически настроить возможности производства под непрерывно изменяющиеся запросы рынка и обеспечить в этих условиях стабильную работу системы в целом.
Разработан алгоритм управления производством с адаптацией по величине рассогласования, позволяющий в динамическом режиме согласовывать быстроменяющиеся потребности рынка с максимальными возможностями промышленного производства.
Разработан алгоритм реализации продукции, обеспечивающий сбалансированную совместную работу промышленного производства и рынка сбыта готовой продукции.
Предложен алгоритм управления многопродуктовым промышленным производством с адаптацией по величине рассогласования, обладающий свойством саморегулирования технологических подразделений предприятия на выпуск востребованной продукции.
В третьей главе на основе адаптивного управления по величине рассогласования предложена простая и надежная интерпретация взаимодействия статической и динамической составляющих управления ИС из композиции трех элементарных функций с двумя дополнительными управляющими параметрами, значения которых определяют временные интервалы использования той или иной функции.
В существующие алгоритмы управления ИС введена адаптация по
13 величине рассогласования, позволившая создать адекватные и более простые в реализации численно-аналитические модели, наделенные свойством самонастройки.
Показано, что введение в состав ситуационного управления адаптивного управления по величине рассогласования позволяет увеличить диапазон существования в работе ИС ситуаций с прибылью.
Установлено, что адаптивное управление по величине рассогласования снижает устойчивость ИС только в случаях превышения значения текущего рассогласования над допустимым рассогласованием. Адаптивное управление по величине рассогласования не влияет на запас устойчивости по фазе.
В четвертой главе на основе пакета программ VisSim разработана имитационная модель ИС с адаптацией по величине рассогласования, которая за счет вариации планового объема готовой продукции с заданной дискретностью, а также путем подбора предельной величины рассогласования в контуре управления производством, позволяет для конкретного промышленного предприятия найти режим с наибольшим объемом производства востребованной готовой продукции.
В среде VisSim разработаны динамические модели реализации готовой продукции в одно- и многопродуктовой ИС с адаптацией по величине рассогласования, позволяющие найти условия наибольшего объема реализации готовой продукции.
Разработана модель ситуационного управления ИС с адаптацией по величине рассогласования, позволяющая увеличить диапазон существования благоприятных (производство готовой продукции с прибылью) и уменьшить диапазон существования неблагоприятных (производство готовой продукции без прибыли) экономических ситуаций.
Описан принцип действия ИС управления промышленным предприятием на основе разработанных в диссертации алгоритмов с адаптацией по величине рассогласования. Указано место размещения каждого из этих алгоритмов в иерархической структуре ИС.
Реализация алгоритмов адаптивного управления по величине рассогласования в технических системах
Наибольшее распространение алгоритмы адаптивного управления по величине рассогласования получили в машиностроительной и нефтехимической промышленности [42; 46; 52; 99]. Их появление является следствием огромного желания схемотехников устранить недостатки классических адаптивных систем [8; 77; 78], главными из которых являются необходимость в отдельном датчике и автономной дорогостоящей системе адаптивного управления, которая может адаптировать принципиально только один конкретный параметр (скорость перемещения рабочего органа или инструмента, величина вращающего момента расходуемой мощности, температура в зоне обработки и т. д.). Здесь невольно напрашивается аналогия современных методов адаптации с принципом регулирования по возмущению, когда для каждого возмущающего воздействия строится отдельный контур регулирования.
Возникает вопрос: нельзя ли построить такую систему адаптации, которая по аналогии с принципом регулирования по отклонению в режиме реального времени реагировала бы на различие реального и идеального режимов работы системы независимо от причины возникновения отклонения. Совершенно очевидно, что такая система была бы более универсальной по сравнению с однопараметрическои системой адаптации и была бы достойной аналогией широко распространенному принципу регулирования по отклонению. По сути, адаптивное управление по величине рассогласования является наиболее удачной попыткой разработать такую систему.
Массовое внедрение микропроцессорной техники в станкостроение позволяет реализовать более совершенные системы адаптации, основанные на программной реализации. Это позволяет отказаться от специальных датчиков, интерфейсных блоков и решить эту задачу на аппаратных ресурсах обычного электропривода подачи с обратной связью по положению с управлением от микропроцессорного устройства числового программного управления (УЧПУ).
К достоинствам метода адаптивного управления по величине рассогласования, применяемого в регуляторах для машиностроительной и нефтехимической отраслей промышленности, относятся низкая трудоемкость проектирования, внедрения и отладки, а также минимальные затраты на приобретение дополнительных комплектующих. Такое положение дел объясняется тем, что основные функции адаптивного управления по величине рассогласования реализуются программно и для его внедрения не требуется дополнительных единиц аппаратуры, кроме тех (ДОС, УЧПУ), которые имеются в существующих системах управления на микропроцессорной элементной базе. Программная составляющая обычно представлена программой - драйвером адаптивного управления и двумя дополнительными функциями (для повышения быстродействия) в системе команд УЧПУ: программное изменение заданной скорости подачи с постоянной дискретностью и сравнение текущего рассогласования по пути в следящем контуре привода с заданной константой.
Причем алгоритм адаптивного управления по величине рассогласования реализован в операционной среде УЧПУ станка и отрабатывается циклически в каждом периоде таймерного прерывания микропроцессора. Для его реализации в систему команд УЧПУ типа CNC были введены две команды: программное изменение величины заданной подачи на заданное в виде технологического параметра приращение А и команду сравнения (больше, меньше, равно) текущего рассогласования є по пути в следящем контуре привода с константой єзад- Значение єзад и Д устанавливается из технологического регламента выбранного вида (фрезерование, точение, сверление, хонингование и т. д.) и режима металлообработки.
Алгоритм работает следующим образом. УЧПУ по информации от датчика обратной связи по положению (ДОС) в режиме реального времени рассчитывает текущее значение рассогласования є в контуре управления и сравнивает его с Бзад. Если є єзад, то происходит уменьшение заданной по программе скорости подачи Пзад на А. Если є єзад, то заданная по программе скорость подачи Пзад увеличивается на А. При є = єзад, заданная по программе скорость подачи сохраняется. В результате текущий уровень рассогласования є с точностью А поддерживается на уровне Бзад. В металлообработке такой алгоритм адаптации обеспечивает наибольшую производительность [78].
Возможность реализации адаптивного управления по величине рассогласования без дополнительного датчика для определения величины регулируемого параметра особую актуальность приобретает при автоматизации агрессивных и вредных процессов нефтехимии, в которых до сих пор датчики физических параметров среды являются самым ненадежным элементом системы. Это связано с тем, что непременным атрибутом известных способов адаптивного управления химико-технологическими процессами (ХТП) (за исключением адаптации по рассогласованию) являются датчики, измеряющие величину параметра адаптации [42; ПО]. Зачастую их установка на технологическое оборудование даже для косвенного измерения одного параметра связана с большими материальными затратами и требует существенных конструкторских проработок. Как правило, в условиях агрессивных сред указанные датчики часто выходят из строя, блокируя тем самым нормальную работу всей системы управления.
Высокое быстродействие современной микропроцессорной техники по обработке информации в режиме реального времени, и приемлемый уровень надежности современных управляемых электроприводов позволяет реализовать адаптивное управление ХТП без специальных датчиков адаптации. Благодаря адаптации по величине рассогласования появилась возможность передать их роль микропроцессорной системе управления, датчику положения рабочего органа и специальной программе - драйверу. Все это позволяет реализовать адаптивное управление на элементах классического следящего электропривода с управлением от промышленного компьютера, то есть без встраивания в систему управления дополнительного оборудования.
Адаптивное управление химико-технологическими процессами (ХТП) по величине рассогласования реализуется обычной программой адаптивного управления по величине рассогласования, которая через определенные интервалы времени анализирует текущее значение рассогласования в следящем электроприводе. Если оно превышает заданную константу, то программа уменьшает задание на одну дискрету. Если же, наоборот, рассогласование меньше этой константы, то программа увеличивает задание на эту же дискрету. Указанные изменения задания происходят за каждый упомянутый интервал времени до тех пор, пока текущее значение рассогласования не станет равным заданной константе. Величина этой константы и дискреты задаются программно и легко могут изменяться при настройке и отладке системы управления. Следует отметить, что в настоящее время наибольшее распространение получили только однопараметрические системы адаптивного управления ХТП по величине рассогласования [15; 36].
Адаптивное управление по величине рассогласования в ИС
Приведенный анализ показывает, что адаптация по величине рассогласования включается в работу тогда, когда регулятор не в состоянии скомпенсировать чрезмерно большое рассогласование. В классических регуляторах такая ситуация приводит к сбою со всеми нежелательными последствиями (выход из строя системы управления, простои объекта управления, прекращение производства готовой продукции и т. д.). Адаптивное управление по величине рассогласования исключает такую ситуацию путем плавного снижения (с заданной дискретностью) объема задания на входе ИС, которое выбирается априорно, обычно в условиях, когда чрезвычайно трудно учесть все факторы, влияющие на работу ИС. И такой процесс имеет место до тех пор, пока текущее значение рассогласования не окажется в заданном коридоре ±є„ (рисунок 2.2). Тем самым повышается живучесть ИС и увеличивается её производительность.
С другой стороны, адаптивное управление по величине рассогласования открывает возможность для максимального использования технологического оборудования путем увеличения (без участия человека в контуре управления) входного задания ИС в автоматическом режиме в тех случаях, когда текущее значение рассогласования є существенно меньше І є„ I. Кроме того, адаптация по величине рассогласования повышает мобильность и динамичность процесса управления. Это весьма важно в условиях рыночной экономики, при которых входным заданием ИС является потребность рынка, которая непрерывно меняется по непредсказуемому закону.
Выражение (2.3) позволяет наделить известные уравнения движения модели управления производством в условиях отсутствия ограничений по расходу ресурсов [29] свойством адаптивного управления по величине рассогласования. С этой целью подставим выражения (2.2) и (2.3) в упомянутые уравнения. В результате получим следующую математическую модель, которая реализует адаптацию по уровню рассогласования в контурах управления ИС: где Х]-Мз - время чистого запаздывания прохождения информации и ресурсов в ИС; ki-fk.5- коэффициенты передачи динамических звеньев ИС; Т Тз-постоянные времени динамических звеньев ИС; R(t), R(t) - соответственно величина текущего и начального значения ресурсов в ИС; AR(t) - величина расхода ресурсов в ИС; Кос- коэффициент передачи звена обратной связи; N(t)- текущее значение объема произведенной продукции. Остальные параметры в (2.4) были определены выше. Начальные и граничные условия для выражения (2.4) заимствованы из [29].
На рисунке 2.3 в укрупненном виде представлена полная структурная схема регулятора одного из параметров ИС с адаптацией по величине рассогласования, в которой приняты следующие обозначения: БАЗ - блок адаптации задания по величине рассогласования; Р - регулятор; ОУ - объект управления; БОС - блок обратной связи. Структурные схемы для остальных регулируемых параметров ИС аналогичны. Представленный на рисунке 2.3 регулятор отличается от типового наличием блока БАЗ, который работает по логической схеме алгоритма, изображенной на рисунке 2.1.
Анализ структурной схемы на рисунке 2.3 позволяет указать общие структурные принципы ввода блока адаптации по величине рассогласования в состав регуляторов, используемых для регулирования параметров ИС. На рисунке 2.3 элементы схемы, расположенные внутри пунктирного контура, представляют унифицированную структурную схему блока адаптивного управления по величине рассогласования. На вход этого блока подаётся параметр, подлежащий адаптации, предельное значение рассогласования и значение дискреты для изменения задания за один период сканирования алгоритма адаптации. С выхода унифицированного блока адаптации снимается значение задающего параметра с учетом адаптации.
Унифицированный модуль блока адаптации (на рисунке 2.3 элементы внутри пунктирного контура) можно включить в структуру любого регулятора при соблюдении следующих условий: 1. БАЗ включается на вход регулятора в тракт сигнала задания; 2. Целесообразна программная реализация БАЗ в составе компьютерной системы управления; 3. Для оперативного задания и нахождения приемлемых режимов адаптации предельное значение рассогласования sn и приращение величины задания А необходимо задавать в виде параметров настройки системы. С позиций теории регулирования БАЗ на рисунке 2.3 представляет собой безынерционное динамическое звено с переменной структурой, которое в зависимости от соотношения єп и s инициирует следующие три взаимно исключающиеся конфигурации: 1. 181 є„ - логическая схема алгоритма на рисунке 2.1 сканируется по цепочке 1-3-6; 2. є є„ - логическая схема алгоритма на рисунке 2.1 сканируется по цепочке 1-2-5-6; 3. є = є„- логическая схема алгоритма на рисунке 2.1 сканируется по цепочке 1-2-4-6. Таким образом, для ИС разработаны алгоритм и унифицированная модель, которая с позиций теории регулирования представляет собой безынерционное динамическое звено с переменной структурой, которое в зависимости от соотношения є„ и є инициирует три взаимно исключающиеся конфигурации. Указаны условия и особенности реализации нового способа адаптивного управления по величине рассогласования в составе ИС.
Многомерные структуры управления ИС на основе динамических звеньев с адаптацией по величине рассогласования
Алгоритмы, разработанные во второй главе настоящей работы, легко реализуемы с помощью математических моделей. Их, в свою очередь, можно воспроизвести, используя специальное программное обеспечение для моделирования различных систем - системы имитационного моделирования (СИМ) [23; 34; 60; 117]. На сегодняшний день разработчиками и в России и на Западе создано множество различных СИМ, которые нашли свое применение в различных сферах человеческой деятельности. Разработаны языки имитационного моделирования [58; 69; 88] такие, как MIMIC, DINAMO, GASP, FORSIM, GPSS, SIMULA, SIMSCRIPT. В моделировании ИС применяются и языки общего назначения: PL/1, FORTRAN, COBOL. Среди многообразия программных продуктов можно отметить систему имитационного моделирования Arena (разработчик - компания Systems Modeling Corporation) [117]; General Purpose Simulation System (GPSS-разработчик- фирма IBM), Stratum (разработчик- Пермский государственный технический университет); VisSim (Visual Simulation-визуальное моделирование) [60]. Последний привлекателен тем, что для российских университетов имеется специальная абсолютно бесплатная несколько «урезанная» версия данной программы, которая тем не менее имеет все функциональные возможности, что и в профессиональной версии, а сам дистрибутив программы умещается на одной дискете.
VisSim- программное обеспечение (ПО) для симуляции систем. Имеет частотные, корневые, вариационные, нейронные инструменты оценки качества, устойчивости, синтеза, коррекции, оптимизации, линеаризации, отладки объектов в контуре модели и программирования цифровых сигнальных процессоров.
VisSim имеет решатель интерпретирующего типа, функционирующий в динамическом режиме с возможностью online-взаимодействия с оборудованием реального времени. В состав решателя VisSim входят: явные решатели- для решения дифференциальных уравнений, неявные- для решения алгебраических уравнений, а так же оптимизаторы - для итерационного подбора параметров. Интерпретатор VisSim позволяет автоматически создавать С-код промышленного качества (в том числе с фиксированной точкой для цифровых сигнальных процессоров). Динамические модели систем в VisSim описываются иерархическими структурными схемами (блок-схемами), называемыми иначе направленными сигнальными графами, т.е. VisSim является инструментальной средой визуального проектирования.
Возможности управления потоком исполнения модели заключены в свободном выборе величин локальных шагов симуляции (для низкочастотных фрагментов модели), и в программировании серии повторных симуляций (либо для оптимизации, либо для изучения поведения модели в условиях случайных возмущений). Для поддающихся линеаризации элементов модели VisSim выполняет следующие виды символьного анализа: определение коэффициентов передаточной функции и ABCD-матриц пространства состояний, определение нулей и полюсов передаточных функций, билинейное преобразование (переход от линейных систем к дискретным и обратно).
Опираясь на результаты линеаризации модели, VisSim выполняет корневой анализ (годограф корней) и частотный (логарифмические амплитудно-частотные и логарифмические фазо-частотные характеристики, годограф Найквиста). Так же VisSim имеет мастера для генерации коэффициентов классических линейных фильтров (Бесселя, Баттерворта, Чебышева, инверсного Чебышева), и дискретных (КИХ, БИХ-фильтров, преобразователя Гильберта, дифференциатора). Базовая библиотека блоков VisSim (в списке менее 100 позиций) не требует дальнейшего расширения. Пользователю предоставлена возможность определить собственную библиотеку моделей. Расширения пакета (Add-Ons) включают библиотеки с моделями устройств электропривода, систем связи и целочисленной математики (для DSP).
Из приведенного перечня функциональных возможностей пакета программ VisSim следует, что по сравнению с другими пакетами он является наиболее приемлемым для моделирования процессов в ИС.
Действие алгоритма адаптивного управления по изменению входного воздействия, можно наглядно увидеть, используя имитационное моделирование. Проект модели регулятора с адаптацией по величине рассогласования, разработанный в среде имитационного моделирования VisSim, представлен на рисунке 4.1. С-код данной модели, сгенерированный системой VisSim приведен в приложении А1.
Практически все модели интегрированных систем, предлагаемых в данной работе, имеют в своем составе блок адаптации задания, который работает по описанному алгоритму (рисунок 2.1). Проведение экспериментов с разработанной имитационной моделью имело цель исследования работы блока адаптации задания в действии, когда начальное задание не соответствует возможностям системы. Начальное задание измерялось в тыс. шт., время - в сутках. Эксперимент с моделью для двух различных начальных значений задания, представлен на рисунке 4.2.
Результаты работы с моделью показали положительные результаты. В качестве начального задания Зо были введены значения 30 и 50 (тыс. шт.). Значения предельного рассогласования п = 43 (тыс. шт.) и шага приращения А = 2 (тыс. шт.) в обоих экспериментах было одинаково. И в том и в другом случае в результате работы блока адаптации задание первоначально было увеличено до 64 (тыс. шт.), а затем плавно снижалось. В установившийся режим модель вошла за 1,5 суток (окончание основного переходного процесса), задание стало равным 56 тыс. шт., в дальнейшем блок адаптации не оказывал на эту величину существенного влияния. Интересно наблюдать за величиной рассогласования є. В обоих экспериментах она имеет примерно одинаковый вид графика, незначительные расхождения наблюдаются лишь в течение первых суток работы модели.
Программная модель ИС с адаптацией по величине рассогласования
В п. 2. 6. была предложена динамическая модель реализации готовой продукции с адаптацией по величине рассогласования. Основной особенностью предложенной модели является ее способность автоматически формировать такой объем задания на производство готовой продукции (Noa), при котором издержки на производство продукции не превышали бы выручки от ее реализации. Но основная задача предложенной модели-поддержание системы «производство-рынок» в равновесном состоянии или с заданным дефицитом.
Функционирование модели реализации готовой продукции, структурная схема которой представлена на рисунке 2.11, может быть протестирована на имитационной модели. Проект такой модели, разработанный в среде VisSim, изображен на рисунке 4.4.
Как известно [23; 60; 94] расход времени на вычисления, связанные с работой имитационного алгоритма, определяется многими факторами - это и количеством блоков, содержащихся в имитационной модели, и числом точек вывода промежуточных результатов, и быстродействием процессора и объемом оперативной памяти компьютера. Однако предлагаемые алгоритмы оказались настолько нересурсоемкими, что для наглядности результатов моделирования использовалось искусственное замедление. Поэтому, при графическом представлении результатов моделирования за единицу измерения по оси абсцисс здесь и далее был принят параметр - шаг симуляции. Шаг симуляции - это фундаментальный параметр процесса симуляции компьютерной модели. Он равен интервалу между временными значениями, для которых вычисляются все координаты, т.е. рассчитывается весь поток процедур и функций, которые реализует модель. Размерность шага симуляции та же, что и у времени. Используя соответствующие масштабные коэффициенты, в зависимости от того, с какой частотой планируется сканировать предлагаемый алгоритм на практике, можно привести данные значения для любого интересующего нас времени (секунды, минуты, сутки, месяцы).
Влияние потребности рынка, величины предложения и цены на значение NIIOTp в модели реализовано соответствующей передаточной функцией. В данном случае в целях сокращения объема излагаемого материала выбрана передаточная функция пропорционального звена (W(p) = 5/4), обеспечивающая незначительный дефицит на рынке.
Корректная работа проекта обеспечивается введением во все цепи обратной связи таймеров с задержкой на включение. С-код данного проекта представлен в приложении А2.
Моделирование процесса реализации готовой продукции в ИС с адаптацией по величине рассогласования по проекту, представленному на рисунке 4.4, сводится к подбору такого соотношения параметров NK, N„pwl, Noa и AN, при котором объемы реализации и производства максимальны. При этом объем реализации на небольшую величину должен превышать объем производства (создание запланированного дефицита на рынке).
Проследим на модели, каким образом предотвращаются убытки при производстве готовой продукции, когда задание на производство уменьшается ниже критического объема. Для этого проведем два эксперимента, исходные данные которых во всем совпадают, за исключением критического объема на производство (таблица 4.1).
Результат симуляции проекта показан на рисунках 4.5 и 4.6, которые изображают в виде функции времени четыре параметра: NK, NIipcfl, Noa и Дм. Как следует из этих рисунков, после окончания переходного процесса в модели перечисленные параметры изменяются во времени по периодическому закону с амплитудой, пропорциональной параметру Дм-Отсюда следует, что для повышения точности моделирования необходимо уменьшать величину Ды. Все параметры достигают своего установившегося значения, примерно, за одно и тоже время (4- 5 шагов симуляции), что говорит о хороших динамических свойствах модели.
В результатах моделирования, представленных рисунке 4.5, параметр NK на всем рассматриваемом интервале времени значительно меньше объема готовой продукции, производимой ИС, что свидетельствует о высокой рентабельности производства.
В результатах моделирования, представленных на рисунке 4.6, не всегда объем производимой продукции превышает критический, хотя и не снижается ниже NK. Поэтому такой режим является менее благоприятным режимом функционирования ИС. Однако, как видно из представленного рисунка, благодаря действию алгоритма объем производимой продукции не снижается ниже критического NK.
Таким образом, в среде VisSim разработан проект симуляции динамической модели реализации готовой продукции в ИС с адаптацией по величине рассогласования, позволяющий путем варьирования предельно допустимой величины рассогласования между потребностями рынка и возможностями производства (ДЫП), значением приращения (Дм) к предлагаемому рынку объема товаров (N„pejv,) и критическим объемом производства (NK) найти условия наибольшего объема реализации готовой продукции.
