Роль комп’ютерної техніки в управлінні процесами

Умови, які спричинили розвиток і впровадження АСУ:

1. Розвиток промисловості, номенклатури товарів.

2. Збільшення зв’язків, кооперація між підприємствами.

3. Ріст необхідних математичних досліджень.

4. Швидка змінність виробів.

1.2.1. Класифікація автоматизованих систем (за видом процесу)

Різноманітність автоматизованих систем управління може бути класифікованою за видом процесу управління (рис. 1.4).

Рис. 1.4.

АСУТП – автоматизовані системи управління технологічними процесами

АСОУ – автоматизовані системи організаційного управління

АСУОТ – автоматизовані системи управління організаційно-технологічні

САПР – системи автоматизованого проектування

АСНД – науково-дослідні автоматизовані системи

АСН – навчальні автоматизовані системи

АСУІ – автоматизовані системи управління інформацією

1.2.2. Узагальнена модель комп’ютерного управління процесом

· Фізичним процесом називаємо послідовну зміну станів об’єктів фізичного світу.

· Німецький стандарт DIN дає більш точне визначення фізичного процесу: “комбінація зв’язаних подій в системі, в результаті яких змінюється, переміщується чи запасається енергія, матерія чи інформація”.

· Технічний процес визначається як процес, фізичні змінні якого можна виміряти і змінити технічними засобами.

Різниця між фізичним і технічним процесом в тому, що фізичний процес необов’язково повинен керуватись зовні. Технічний процес включає обробку інформації для досягнення заданої цільової функції (мети).

Інформація – найважливіший компонент управління процесами, оскільки вона дозволяє краще використовувати дві інші складові процесу: матерію і енергію.

Узагальнена модель комп’ютерного управління процесами зображена на рис. 1.5.

Рис. 1.5.

1.2.3. Об’єкти і процеси управління. Додатний і від’ємний зворотні зв’язки

В теорії управління структура, зображена на рис. 1.6 є елементарною (фундаментальною) ланкою.

Рис. 1.6.

Частина систем, в яких здійснюється фізичний чи технічний процес, називається об’єктом управління (ОУ), а коло зворотнього зв’язку (ЕОМ, комп’ютер) називається управляючим органом (УО).

Для простоти будемо розглядати об’єкти управління (ОУ), які характеризуються однією змінною X_вх, однією змінною Х_вих та локалізованою збурюючою дією F.

Зворотний зв’язок передбачає управління за замкненим циклом.

1.2.4. Властивості процесів, котрі ускладнюють управління

Рівень складності системи управління визначається в першу чергу, властивостями керованого процесу.

Серед багатьох характерних особливостей процесів, котрі ускладнюють управління, найбільше впливають:

· нелінійність процесу;

· змінне зовнішнє середовище;

· зміна умов самого процесу;

· значні часові затримки (запізнення);

· внутрішні зв’язки процесу.

Запізнення сигналів чи наявність зон нечутливості (мертвих зон) є серйозною проблемою для керування. Через те, що регулятор функціонує на основі застарілих даних, тому він може видавати хибні (фальшиві) команди.

Якщо сигнал від мікрофону поступає з затримкою, більшою ніж 0,2÷0,4 с, то ви швидко збиваєтесь і перестаєте розмовляти. Цей приклад наочно демонструє нестійкість, що виникла через затримку в часі.

Регулятор в системі з часовими затримками повинен “пам’ятати” старі (попередні) керуючі дії.

Врахування внутрішніх взаємозв’язків додає багато складності в модель процесу, якщо навіть він в своїй основі простий. Прикладом цього може служити задача регулювання температури в кімнатах будинку. Якщо вікно відчиняється в одній з кімнат, то температура змінюється не тільки локально, але і в деякій мірі в сусідніх кімнатах.

Модель системи з внутрішніми зв’язками зображена на рис. 1.7:

вхідні сигнали вихідні сигнали

Рис. 1.7.

1.2.5. Загальна схема управління за замкненим циклом

Загальна схема управління за замкненим циклом зображена на рис. 1.8:

Рис. 1.8.

При керуванні за замкненим циклом зміни вихідної величини передаються на вхід системи за допомогою сукупності пристроїв, які називаються зворотним зв’язком.

S - суматор

Р – регулятор

Для забезпечення управління по замкненому циклу необхідно забезпечити умову:

Х_р=Х_вх-Х_з.з /1/

Віднімання здійснюється на суматорі, використовуючи його інверсний вхід.

Якщо система працює за виразом /1/, то вона називається із від’ємним зворотним зв’язком, тобто від вхідної дії віднімається частина вихідної дії.

Стабіізуючу властивість від’ємного зворотного зв’язку можна проілюструвати таким чином. Нехай Х_вих в деякий момент часу більше від Х_зад (заданого значення), тобто Х_вих зросло:

Х_вих ↑ Х_з.з ↑ Х_р ↓ Х_оу ↓ Х_вих ↓

якщо Х_вих зменшилось:

Х_вих ↓ Х_з.з ↓ Х_р ↑ Х_оу ↑ Х_вих ↑

Від’ємний зворотний зв’язок утримує (стабілізує) вихідну дію біля заданого значення.

Х_р=Х_вх+Х_з.з /2/

Додатний зворотний зв’язок /2/ може бути лише локальним, оскільки глобальний додатний зворотний зв’язок приводить до нестійкості системи.

Глобальний зворотний зв’язок здійснюється з виходу на вхід цілої системи.

Додатний зворотний зв’язок часто використовують в системі з метою корекції тих чи інших параметрів (амплітуди, фази, частотних залежностей і т.ін.).

Якщо Х_вих збільшується, то збільшується і Х_з.з..

У випадку глобального додатнього зворотнього зв’язку збільшується Х_вих:

Х_вих ↑ Х_з.з ↑ Х_р ↑ Х_оу ↑ Х_вих ↑

якщо Х_вих зменшилось:

Х_вих ↓ Х_з.з ↓ Х_р ↓ Х_оу ↓ Х_вих ↓

Вихідна величина не утримується біля заданого значення.

Рис. 1.9.

Додатний глобальний зворотний зв’язок, зображений на рис. 1.9, через пружне середовище, призводить до автоколивань. Невдале розміщення аудіоапаратури. Система стає нестійкою.

1.2.6. Функціональна схема управління

Функціональна схема управління зображена на рис. 1.10:

Рис. 1.10.

УЕ – управляючий елемент

S – суматор

КП – послідовний коректуючий пристрій

– підсилювач

ВЕ – виконуючий елемент

ОУ – об’єкт управління

Л.З.З – локальний зворотний зв’язок

Г.З.З. – глобальний зворотний зв’язок

Ланка – – ВЕ –Л.З.З – може вважатися паралельним коректуючим пристроєм.

Глобальний зворотній зв’язок включає в себе декілька конструктивних елементів, серед яких найбільш типові: перетворювачі, давачі, які призначені для перетворення однієї величини в іншу, найбільш зручну для управляючого сигналу.

Перетворювачами можуть бути: трансформатори, випрямлячі, інвертори, індуктивні елементи, давачі температури, тиску, частоти обертання. Послідовні і паралельні коректуючі пристрої (КП) забезпечують необхідні закони управління.

Підсилювачі призначені для підсилення управляючої дії.

Виконуючі елементи призначені для приведення в дію регулюючих органів об’єкту управління, від положення яких залежать значення керованих величин.

1.2.7. Загальна схема процесу управління АСУ

Рис. 1.11.

Схема, зображена на рис. 1.11, відноситься до складних систем.

Розглянемо, як приклад, проблему прогнозування землетрусів з цільовою функцією забезпечення життєдіяльності населення в сейсмоактивних районах, зображену на рис. 1.12:

Рис. 1.12.

1. Потрібно встановити автоматизовані системи сейсмічного спостереження, реєстрації і аналізу трьох компонентів вектора зміщень грунту.

Д – давачі-перетворювачі переміщення-напруга.

АЦП – аналого-цифрові перетворювачі

Цифрові реєстратори сейсмічних подій зображені на рис. 1.13:

Рис. 1.13.

2. Прогностичними факторами можуть бути:

а). Періодичність

б). За мікросейсмічним шумом (амплітудою і частотою) можна судити про можливість наступного землетрусу (Амплітуда такого шуму перед землетрусом зменшується).

в). За співвідношенням V_p/V_s, де

V_p – швидкість поширення повздовжньої хвилі

V_s – швидкість поширення поперечної хвилі

Додаткові фактори:

г). Зовнішні: гравітаційні, геомагнітні, електромагнітні, рівень підземних вод, деформографічні.

В цій проблемі реалізація рішень означає:

1. Евакуацію населення

2. Відключення комунікацій

1.2.8. Приклад системи управління за розімкненим циклом

(електромеханічна схема управління частотою обертання w двигуна постійного струму)

Приклад системи управління за розімкненим циклом зображено на рис. 1.14

Розімкнений цикл (контур)

Рис. 1.14. U_п=U_зб

Об’єктом управління є двигун постійного струму. Вхідна величина – напруга, вихідна величина – кругова частота.

ПД – привідний двигун.

РМ – робоча машина.

ТГ – тахогенератор – перетворює швидкість обертання в напругу.

І – індикатор напруги.

Електродвигун приводить до обертання вал РМ. З валом електродвигуна жорстко зв’язаний ТГ. Електродвигун під’єднаний до генератора постійного струму напругою U, який обертається за допомогою привідного двигуна ПД.

Обмотка збудження генератора ввімкнена через потенціометр R на джерело постійної напруги. Переміщуючи повзунець n реостату R і контролюючи частоту обертання валу w за показами індикатора, можна керувати частотою обертання валу за заданим законом.

Приклад системи за замкненим циклом зображено на рис. 1.15:

Замкнутий цикл (контур)

Рис. 1.15.

Необхідно забезпечити умови від’ємного зворотного зв’язку.

U_зб.г. =U_п-U_тг /1/

X_р=X_вх-X_з.з.

Виконання умови /1/ забезпечує утворення в системі головного від’ємного зворотнього зв’язку і можливість регулювання вихідної величини w. При збільшенні навантаження на валу Д, частота його обертання зменшується, що призводить до зменшення напруги на ТГ і збільшення напруги збудження генератора. Збільшення U_зб збільшує частоту обертання валу.

1.3. Системи і управління

“В майбутньому наука буде концентруватися

більше навколо проблем організації, струк-

тури, мови і управління і менше навколо

проблем сили, руху, речовини, реакції,

роботи та енергії”

Дж. фон Нейман

Системами займається така наука, як системологія. Ми будемо розглядати систему з точки зору управління.

Рис. 1.16.

Ієрархічна впорядкованість світу, зображена на рис. 1.16, дозволяє збагнути його різноманітність.

1.4. Характеристики і параметри систем

Емпірично встановлено, що класи систем вказаних ієрархій зі збільшенням їх рівня мають наступні закономірності.

1. Різноманітність

З ростом ієрархії зростає.

2. Поширеність N

Число однотипних систем даного виду чи типу в заданому просторі з ростом ієрархії зменшується. Для вищих випадків біологічних чи технічних ієрархій поширеність різноманітних систем вироджується в одиничні екземпляри.

3. Складність t

Визначається числом n елементів і m зв’язків між ними.

4. Стійкість

Здатність системи протидіяти зовнішнім збурюючим діям для самозбереження. Від неї залежить тривалість життя системи, а від тривалості життя – її поширеність.

Є 2 форми стійкості:

Ø для фізичних і простих технічних систем це консервативна речовинно-енергетична стійкість в межах системи, котра пов’язана з міцністю і збалансованістю.

Ø для складних систем – це динамічна структурна стійкість, котра зберігається безперервною заміною елементів цих систем.

Стійкість фізичних систем з ієрархією зменшується, а біологічних – зростає з ростом складності. Це пояснюється неадитивністю частини і всієї системи, яка зумовлена енерджентністю її властивостей.

5. Емерджентність

Емерджентність – ступінь неподібності або незводимості властивостей системи до властивостей окремих елементів, з яких вона складається. Емерджентність зростає в фізико-біологічній ієрархії до рівня індивіду.

6. Неідентичність

Ступінь відмінності систем одного і того ж типу чи виду з ієрархією зростає.

Термін “система” має багато значень, але в нашому контексті під системою розуміється будь-який об’єкт, який розглядається з одного боку як єдине ціле, а з другого – як сукупність зв’язаних між собою певним чином складових.

Декомпозиція – розкладання на частини.

Агрегація – зворотнє до декомпозиції.