Автоматизированное управление в технических системах

сложных подсистем, обладаю¬щих своими частными целями и критериями и, наконец, наличием развитой иерархии уровней управления: агре¬гат—производство—предприятие.

Анализ подобных промышленных объектов и систем управления показывает, что для них характерны сле¬дующие тенденции:

• практически во всех отраслях промышленности наблюдается неуклонное возрастание единичной произ¬водительности агрегатов; так, за последнее десятилетие мощность создаваемых энергоблоков тепловых электро¬станций последовательно повышалась до 300, 500 и 800 МВт, а в последнее время превзошла 1 млн. кВт;

• аналогичная картина укрупнения объектов наблюдается на предприятиях нефтепере-рабатывающей, металлурги¬ческой и других отраслей промышленности; как след¬ствие увеличиваются важность и технико-экономическая результативность управления тех-нологическими объек¬тами;

• соответственно интенсивно возрастает необходимая «мощность» применяемых сис-тем контроля и управле¬ния; иллюстрацией этой тенденции может служить рис. B.I, на котором показаны кривые изменения числа точек измерения и числа управляющих воздействий на объектах тепловых электростанций за последние 20 лет (по данным 12 зарубежных электростанций); если 6 1965 г. число измеряемых сигналов не превыша-ло в среднем 500, то в 1975 г. оно уже приближалось к 3000; число управляющих сиг-налов за этот же период времени возросло с 500 до 2000; эти цифры наглядно показы-вают изменение масштабов управления крупными технологическим объектами;

• в последнее время коренным образом изменяются взгляды на значение энергетиче-ских ресурсов, экономию топлива, роль человека в производстве и на защиту окру-жающей среды; в ре¬зультате происходит су¬щественное повышение требований к ка-честву ведения технологических процессов;

• по мере повышения степени автоматизации производства происходит естественный процесс во¬влечения все новых и 'но¬вых агрегатов и участков в сферу действия цен-тра¬лизованного управления.

Этот процесс диктуется экономическими соображениями: оптимизация работы от-дельного агрегата или отдельной установки не гаран¬тирует максимального экономическо-го эффекта для производства в целом; оптимум для него чаще всего достигается при неко-тором компромиссе между частны¬ми критериями оптимизации. В результате этого растет, однако, степень взаимосвязанности отдельных агрегатов и усложняются алгоритмы управления объектом в це¬лом; возникают задачи создания интегрированных систем управления. Все это приводит к резкому услож¬нению задач управления.

В таких условиях и возникла проблема автоматиза¬ции собственно управления, т. е. процесса принятия решений, которая потребовала привлечения современ¬ных математи-ческих методов и новых технических средств. В результате появились автоматизирован¬ные системы управления, т. е. развитые челове¬ко-машинные системы, реализующие та-кой автоматизи¬рованный процесс сбора и переработки информации, ко¬торый необходим для принятия решений по управлению объектом (процессом, производством) в целом. При этом роль человека в любой АСУ весьма существенна: так как ряд ответственных задач принятия решений в силу их сложности, многогранности и не изученности не под¬дается формализации, их выполнение не может быть полностью автоматизировано и ос-тается за человеком.

По мере развития отмеченных выше тенденций стало очевидно, что функциональные возможности традици¬онных средств автоматизации в сфере переработки информации уже недостаточны. И тогда на первый план вышла электронная вычислительная машина (ЭВМ). Она сразу взяла на себя практически все функции слож¬ной первичной обработки данных и централизованного контроля, а также рутинную задачу ведения отчетности (со-ставления протоколов) о работе технологического объекта, ставшую в усложнившемся производстве обя¬зательной. Но это было только начало. Поскольку ЭВМ стоила слишком дорого, разработчики систем управле¬ния старались возложить на нее как можно больше функций. В этой ситуации стремление автоматизировать процессы принятия решений по-могло быстро осознать значение новых функциональных возможностей ЭВМ во многих направлениях.

В результате средства вычислительной техники стали не только разгружать человека от выполнения рутинной нетворческой работы, связанной с большим числом про¬стых операций по обработке крупных массивов инфор¬мации, но и оказывать ему помощь в вы-полнении твор¬ческих задач (принятие решений по распределению ограниченных ресур-сов, оптимизации технологического процесса и т. п.).

Важно отметить, что по мере повышения степени автоматизации принятия решений, необходимых для управления отдельными технологическими аппаратами и участками, последние теряют значение самостоятель¬ных объектов управления и сливаются во все бо-лее крупные производственные комплексы. В результате появились мощные централизо-ванные системы управле¬ния, в которых с помощью ЭВМ концентрируются контроль и управление большим числом агретов. По¬нятно, что в такой системе оператор-технолог как звено, принимающее наиболее ответственные решения по управлению всем объектом в целом, играет исключи¬тельно важную роль.

Как уже отмечалось, основным инструментом для решения современных проблем управления материаль¬ным производством служат так называемые АСУ, в ко¬торых цен-тральная, главенствующая роль и творческие способности человека сочетаются с широ-ким применени¬ем современных математических методов и средств ав¬томатизации, вклю-чая вычислительную технику.

В соответствии с государственным стандартом АСУ—это человеко-машинная сис-тема, обеспечиваю¬щая автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления в различных сферах человеческой деятельности. Процесс оптимиза¬ции предполагает выбор такого варианта управления, при котором достигается минимальное или максималь¬ное значение некоторого критерия, характеризующего каче-ство управления.

Как правило, общий критерий экономической эффек¬тивности управления технологи-ческим процессом непри¬меним из-за сложности определения необходимых коли¬чественных зависимостей в конкретных условиях; в та¬ких случаях формируют частные критерии оптимально¬сти, учитывающие специфику управляемого объекта и дополненные условными ограничениями. Такими частны¬ми критериями, например, могут быть:

• максимальная производительность агрегата при опре¬деленных требованиях к качест-ву продукции, условиях эксплуатации оборудования и т. д.;

• минимальная себестоимость при выпуске продукции в заданном объеме и заданного качества;

• минимальный расход некоторых компонентов, напри¬мер дорогостоящих присадок или катализатора.

Чтобы добиться желаемого (в том числе оптимально¬го) хода технологического про-цесса, в системе управле¬ния им необходимо в нужном темпе выполнять множест¬во раз-личных взаимосвязанных действий: собирать и анализировать информацию о состоянии процесса, реги¬стрировать значения одних переменных и стабилизиро¬вать другие, прини-мать и реализовывать соответствую¬щие решения по управлению и т. д. Именно эта «дея¬тельность» системы управления была ранее названа функционированием, т. е. выполнени-ем ею установлен¬ных функции.

2. Что такое комплексная задача управления и в чем состоит проблема ее декомпо-зиции?

Функция управления в сложных системах осуществляется управ¬ляющей частью А с которой взаимодействует остальная управляемая часть В (рис. 1)

Как видно из структуры система состоит из управляющих устройств и управляемых объектов. Такое выделение приводит к упрощению исследования системы.

Для управления современными объектами используется большое количество элемен-тов (подсистем). Совокупность элементов, участвующих в управлении называется управ-ляющим комплексом. Типичный управляющий комплекс состоит из элементов следую-щих типов (рис. 2): D – датчики осведомительной информации; S – средства передачи информации; L- управляющие элементы; O – органы управления;- k, k1 - различные пре-образующие и переходные устройства

Рис. 2

Роль элемента каждого типа в процессе функционирования ясна из его названия.

Управление сложной системой может быть централизованным

и децентрализованным. Централизованное управление предполагает концентрацию функций управления в одном центре сложной системы. Такая структура обладает рядом достоинств: I) позволяет доста¬точно просто реализовать процессы информационного взаимодейст¬вия; 2) создает принципиальную возможность глобально-оптималь¬ного управления системой в целом; 3) исключает необходимость в пересылках промежуточных результатов; 4) позволяет легко кор¬ректировать оперативно-изменяемые данные; 5) дает возможность достигнуть максимальной эксплуатационной эффективности при ми¬нимальной избыточности технических средств.

С системотехнической точки зрения основными недостатками структуры с единым управлением являются: необходимость исключи¬тельно высокого объема запоминающих устройств, высокой произво¬дительности и надежности средств обработки данных для достиже¬ния приемлемого качества управления; высокая суммарная протя¬женность кана-лов связи при наличии территориально-рассредоточенных объектов управления.

Децентрализованное управление - распределение функций уп¬равления по отдельным элементам системы. Построение системы с такой структурой возможно только в случае независимости объек¬тов управления по материальным, энергетическим, информационным ресурсам. Для выработки управляющего воздействия на каждый объект необходима ин-формация о состоянии только этого объекта. Фактически такая