Основы теории управления 7 страница

Цифроаналоговый преобразователь, как уже отмечалось, является пассивным элементом и поэтому сигнал на его выходе (точка F) по информационному содержанию совпадает с входным сигналом и является входным сигналом объекта управления.

Рис. 7.1.5.

Эквивалентная схема цифровой системы управления, соответствующая ее математической модели для случая линейного объекта управления, линейного регулятора и запаздывания t=Т приведена на рис. 7.1.5. В состав схемы входит ОУ с передаточной функцией W_o(p), цифровой регулятор с передаточной функцией K(z), квантователь К, элемент задержки l/z и экстраполятор Э. В общем случае модель может включать каналы задающих воздействий и обратные связи по различным переменным системы.

Особенности цифровых систем. Основной особенностью цифровой системы является способ обработки информации в регуляторе (управляющей ЭВМ), который предусматривает использование только арифметических операций и позволяет реализовывать алгебраические алгоритмы управления, включая рекуррентные процедуры решения разностных уравнений. При этом возможность непосредственной реализации динамических алгоритмов управления, записанных в виде дифференциальных либо интегральных уравнений, исключается, и подобные алгоритмы также должны быть приведены к рекуррентной форме.

Пример 1. Простейший пропорциональный алгоритм управления имеет вид:

u = Кe, e = y* - y.

Выражения содержат операции сложения и умножения и легко реализуются на ЭВМ (рис. 7.1.6, а).

Пример 2. Наиболее распространенным элементом динамических регуляторов является интегрирующее звено, описываемое дифференциальным уравнением

u'(t) = Ky(t), u(0) = u₀.

Рис. 7.1.6.

В интегральной форме:

u(t) = u₀ + К  у(t) dt.

Численное интегрирование:

u(kT) = u₀ + КT у(iT).

Для получения рекуррентной формы найдем значение u в момент времени (k+1)T:

u((k+1)T) = u₀ + КT у(iT) = u(kT) +KT y(kT).

Выражение реализуется алгоритмом, приведенным на рис. 7.1.6, б.

Таким образом, цифровой способ обработки информации вызывает необходимость использования дискретных моделей регуляторов. Учитывая непрерывную природу большинства реальных управляемых процессов, модельная особенность цифровой системы заключается в том, что она является дискретно-непрерывной, и описывается как разностными, так и дифференциальными уравнениями. Сопряжение этих двух частей модели осуществляется с помощью квантователя и экстраполятора нулевого порядка, а также звена запаздывания для учета задержки обработки информации.

Указанные выше особенности моделей цифровых систем и их дискретно-непрерывная природа обусловливают основные трудности анализа и проектирования. В связи с этим нашли распространение два подхода к исследованию цифровых систем:

• с использование теории непрерывных систем;

• с использование теории дискретных систем.

Первый подход предусматривает построение непрерывного регулятора, и его последующую дискретизацию. Основной недостаток такого подхода заключается в наличии определенной методической ошибки при замене непрерывной функции y(t) кусочно-постоянной функцией, и не позволяет учесть эффекта запаздывания цифрового регулятора. Тем не менее, этот подход получил широкое распространение ввиду его простоты и возможности достижения хорошего качества процессов при использовании быстродействующих вычислительных устройств с малым значением интервала квантования Т.

Второй подход предполагает дискретизацию самого объекта управления, а затем синтез дискретного регулятора. Можно считать его более перспективным, хотя и несколько более сложным.

7.2. ЭВМ В КОНТУРАХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ [10, 11].

Универсальность цифровых вычислительных машин как средства решения самых разнообразных задач, огромные объемы информации, перерабатываемые и хранимые в ЭВМ, мощные алгоритмические возможности сделали ЭВМ эффективным средством решения современных задач управления.

В современной теории и практике управления динамическими системами используются электронно-вычислительные машины (ЭВМ) различных типов, отличающиеся принципом действия, составом элементной базы, возможностями использования в системах управления.

ЭВМ общего назначения. Это такая архитектура вычислительных средств и программного обеспечения, которая позволяет единообразно решать большинство возникающих технических задач, включая задачи сопряжения с ЭВМ широкой номенклатуры внешних устройств и датчиков.

Использование ЭВМ общего назначения упрощает и ускоряет процесс разработки стандартного проекта в области автоматизации, однако конечное решение обычно не является оптимальным. ЭВМ общего назначения включает в себя стандартный набор компонентов:

- Центральный процессор (один или несколько) и арифметический сопроцессор.

- Быстродействующее запоминающее устройство.

- Внешние накопительные устройства различной природы.

- Мультимедийные (графическое и звуковое) устройства.

- Терминал пользователя (дисплей, клавиатура, мышь и т.п.).

- Средства сетевой поддержки.

- Возможность подключения дополнительных интерфейсных устройств, в том числе, и в виде контроллеров, присоединяемых к шине ЭВМ.

- Возможность установки разнообразного программного обеспечения.

Последние два свойства чрезвычайно важны, так как соответствуют открытости архитектуры такой ЭВМ. Именно открытость архитектуры PC совместимых компьютеров в 80-е годы 20 века сыграла решительную роль в повсеместном распространении этой техники. Свойство открытости архитектуры является непременным условием универсальности при широком применении.

На сегодняшний день этим требованиям в основном удовлетворяют персональные РС-совместимые компьютеры и контроллеры на базе их архитектуры. На такой базе строят системы автоматики, если к ним не предъявляются повышенные требования. Часто ПК используют на начальном этапе проектирования системы, когда требуется ускоренно получить работоспособную версию системы, необходимую для дальнейшей разработки. Обычно таким разработкам присущи следующие характерные недостатки:

- невысокая надежность, как аппаратной, так и программной части;

- узкий температурный диапазон, особенно в сторону отрицательных температур;

- низкое качество исполнения материнских плат и плат контроллеров;

- повышенный уровень помех и пульсаций по шинам питания.

Тем не менее, ПК с успехом используются в качестве интеллектуальных измерительных приборов. Например, осциллограф на базе ПК позволяет, помимо удобного и наглядного отображения процессов, вести их запись на диск для протоколирования и передавать по сети обобщающую информацию для диспетчерского управления более высокого уровня.

Специализированные ЭВМ и вычислительные комплексы. Это ЭВМ, имеющие функциональные возможности и конструктивные особенности, позволяющие использовать их для эффективного решения ограниченного класса задач в определённых условиях окружающей среды. Отличия от ЭВМ общего назначения могут быть разнообразными, например, процессор со специальной системой команд. Типичный пример - процессоры цифровой обработки сигналов (DSP), эффективные в задачах цифровой фильтрации в составе комплекса обработки данных ультразвуковой локации. 

Вычислительный комплекс (ВК) - это комплекс средств ВТ, решающий прикладную задачу. В ВК могут входить разнородные компоненты. Обычно приходится применять специализированные или проблемно-ориентированные вычислительные средства для оптимизации окончательного решения при проектировании систем автоматического управления.

Управляющие ЭВМ (УВМ), управляющие ВК (УВК) и промышленные ПК. УВМ и УВК характеризуются набором возможностей работы в режиме реального времени. Эти возможности касаются как подсистемы ввода-вывода, так и свойств операционной системы. Также следует отметить возможности обнаружения сбоев и быстрого восстановления после них. Промышленные (индустриальные) ПК - это специально спроектированные ПК, совместимые со стандартными архитектурно и программно, но отличающиеся конструктивным исполнением. Цель - повышение надёжности, помехозащищённости и расширения диапазона параметров окружающей среды нормального функционирования (температурный диапазон и т.п.). Преимущество таких ПК - возможность отладки программного обеспечения на обычных ПК.

Рабочие станции. Обычно это персональные компьютеры, находящиеся на рабочих местах сотрудников, решающих конкретную задачу с помощью ЭВМ. Поэтому рабочие станции оборудованы всеми необходимыми устройствами ввода-вывода. Обычно рабочие станции входят в сеть, в которой также имеются мощные серверы, поставляющие информационные ресурсы и необходимое сетевое программное обеспечение, хранение которого на рабочих станциях нецелесообразно. Рабочие станции не предназначены для работы в реальном времени и используются на диспетчерском уровне и на рабочих местах разработчиков.

Управление системами на базе ЭВМ. Использование ЭВМ в контуре управления динамическими автоматическими системами связано с решением ряда проблем, вытекающих из особенностей ЭВМ как дискретной системы. В САУ с ЭВМ необходимо решать вопросы связи ЭВМ с объектом управления и работы ЭВМ в реальном масштабе времени, в ритме работы объекта управления. Связь ЭВМ с объектами управления усложняется при использовании цифровых машин для управления непрерывными автоматическими системами.

Рис. 7.2.1.

ЭВМ в системе автоматического управления осуществляет обработку информации о состоянии объекта, обеспечивает программное и оптимальное управление объектом. На рис. 7.2.1 приведен пример схемы автоматического управления технологическим процессом на базе ЭВМ.

Вся совокупность устройств, подсоединенная к интерфейсу Б, образует систему связи ЭВМ с объектом. Состояние объекта характеризует информация, поступающая от датчиков физических величин (ДФВ). Эта информация после преобразования в соответствующих звеньях системы связи с объектом поступает в ЭВМ и составляет поток измерительной информации. От ЭВМ на входы исполнительных устройств (ИУ), приводящих объект в требуемое состояние, поступает поток управляющей информации в виде цифровых или аналоговых сигналов. Управляющая информация с каналов ввода-вывода (КВВВ) поступает в коммутатор цифровых управляющих сигналов (КЦУС), с которого передается либо непосредственно на исполнительные устройства дискретного типа, либо в цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) для преобразования и последующей передачи на входы аналоговых исполнительных устройств.

К интерфейсу А вместе с каналами ввода-вывода подключен блок внешних прерываний (ВВП) процессора (П) и устройство текущего времени (УТВ). ВВП по сигналам от датчиков прерывания (ДП), связанных с объектом управления, и сигналам от УТВ формирует различные циклы обработки информации и управления объектом.

Коммутатор аналоговых сигналов (КАС) и коммутатор цифровых сигналов (КЦС), связанный с устройством приема цифровой информации (УПЦИ), составляют входной коммутатор системы управления, который осуществляет раздельное во времени подключение датчиков. Коммутатор цифровых управляющих сигналов (КЦУС) является выходным коммутатором, осуществляющим раздельное во времени подключение входов исполнительных устройств.

Исполнительные устройства используют либо аналоговые сигналы, либо дискретные, причем длительность дискретных сигналов обычно значительно превышает длительность сигналов управляющей информации. В связи с этим система связи ЭВМ с объектом управления должна содержать технические средства, запоминающие управляющую дискретную информацию до замены ее новой информацией или формирующие управляющие воздействия, воспринимаемые входами исполнительных устройств.

Связь ЭВМ с объектом в системе автоматического управления может быть синхронной, асинхронной и комбинированной.

При синхронной связи процесс управления с помощью тактовых сигналов устройства текущего времени (УТВ) разбивается на циклы одинаковой продолжительности. Каждый цикл начинается с появлением тактового сигнала на входе блока прерывания. Вначале цикла осуществляется последовательный опрос датчиков, контролирующих состояние объекта управления. Сигналы датчиков преобразуются в форму, необходимую для ввода этих сигналов в ЭВМ. Поступившая в ЭВМ информация обрабатывается, и формируются управляющие воздействия на объект, которые после соответствующего преобразования в системе связи ЭВМ с объектом передаются на исполнительные устройства. Затем ЭВМ либо останавливается, либо выполняет другие программы, не связанные с системой автоматического управления. Выполнение этих программ прерывается следующим тактовым сигналом УТВ. Управляющие воздействия, сформированные в начале цикла, остаются неизменными в течение всего цикла.

При асинхронной связи с объектом ЭВМ реагирует на сигналы прерывания, поступающие от датчиков прерывания, непосредственно связанных с объектом. Каждому сигналу прерывания соответствует переход ЭВМ к выполнению соответствующей программы, определяемой характером прерывания. Сигналы прерывания отрабатываются ЭВМ с учетом уровня приоритета.

При комбинированной связи ЭВМ с объектом управление осуществляется как по тактовым сигналам УТВ, так и по сигналам прерывания, например по сигналам аварийного режима объекта управления.

В ряде случаев целесообразно использовать прямое цифровое управление объектом на базе ЭВМ. В этих случаях ЭВМ выполняет функции регулятора контура управления. Датчик заданных значений величин, сложение задающих сигналов, сигналов обратных связей и регулятора реализуются в виде программных алгоритмов, а устройство сбора и регистрации переменных состояния и выдачи управляющих воздействий - в виде программируемого функционального устройства. Алгоритмы прямого цифрового управления могут быть построены подобно алгоритмам аналогового регулирования.

Существенно расширяются возможности управления в системах, функционирующих на базе микро-ЭВМ. Здесь становится возможным использовать все преимущества микропрограммирования, позволяющего реализовать набор машинных команд стандартных ЭВМ, а также специальные наборы команд для определенных областей управления. Кроме того, можно реализовать конструкции языка программирования высокого уровня, ядро операционной системы реального времени, диагностические функции для быстрого обнаружения ошибок и сбоев. Возможность распараллеливания на микропрограммном уровне отдельных элементарных операций позволяет значительно повысить быстродействие исполнения алгоритмов.

7.3. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЕМ [4].

Основные понятия. Уточним некоторые терминологические определения, применяемые в теории систем управления предприятиями и организациями.

Информация – сведения об окружающем мире (объектах, явлениях, событиях, процессах и т.п.). Информация позволяет:

- осуществлять контроль состояния организации, ее подразделений и процессов в них;

- определять стратегические, тактические и оперативные цели и задачи организации;

- принимать обоснованные и своевременные решения;

- координировать действия подразделений в достижении целей.

Данные – в широком смысле: первичная информация (результаты наблюдений, измерений) по какому-либо направлению (объекту, процессу, событиям); в узком смысле: обработанная (систематизированная) информация в зависимости от изменения каких-либо факторов.

Документ – информационное сообщение в бумажной, звуковой, электронной или иной форме, оформленное по определенным правилам.

Документооборот – система создания, интерпретации, передачи, приема, архивирования документов, а также контроля над их исполнением и защиты от несанкционированного доступа.

Экономическая информация – совокупность сведений о социально-экономических процессах, служащих для управления этими процессами и коллективами людей в производственной и непроизводственной сфере.

Информационная технология – система методов и способов сбора, передачи, накопления, обработки, хранения, представления и использования информации.

Информационная система (ИС) – информационный контур вместе со средствами сбора, передачи, обработки и хранения информации.

Информационные ресурсы – весь объем информации в информационной системе.

Уровни систем управления. Обычно в системах управления выделяют три уровня: стратегический, тактический и оперативный. На каждом из этих уровней управления имеются свои задачи, при решении которых возникает потребность в соответствующих данных, получить которые можно путем запросов в информационную систему. Информационные технологии позволяют обработать запросы и, используя имеющуюся информацию, сформировать ответ на эти запросы. Таким образом, на каждом уровне управления появляется информация, служащая основой для принятия соответствующих решений.

Информационный продукт. В результате применения информационных технологий к информационным ресурсам создается новая информация или информация в новой форме. Эта продукция информационной системы называется информационными продуктами и услугами.

Информационный продукт или услуга – специфическая услуга, когда некоторое информационное содержание в виде совокупности данных, сформированных производителем для распространения в вещественной и невещественной форме, предоставляется в пользование потребителю.

Информационные системы. В настоящее время бытует мнение об информационной системе как о системе, реализованной с помощью компьютерной техники. Это не так. Как и информационные технологии, информационные системы могут функционировать с применением технических средств, и без такого применения. Это вопрос экономической целесообразности.

Преимущества неавтоматизированных (бумажных) систем:

- простота внедрения уже существующих решений;

- просты для понимания, для их освоения требуется минимум тренировки;

- не требуются технические навыки;

- гибкие и способные к адаптации для соответствия деловым процессам.

В автоматизированной ИС появляется возможность целостно и комплексно представить все, что происходит с организацией, поскольку все экономические факторы и ресурсы отображаются в единой информационной форме в виде данных.

Корпоративную ИС обычно рассматривают как некоторую совокупность частных решений и компонентов их реализации, в числе которых:

- единая база хранения информации;

- совокупность прикладных систем, созданных по разным технологиям.

Информационная система компании должна:

- позволять накапливать определенный опыт и знания, обобщать их в виде формализованных процедур и алгоритмов решения;

- постоянно совершенствоваться и развиваться;

- адаптироваться к изменениям внешней среды и новым потребностям организации;

- соответствовать насущным требованиям человека, его опыту, знаниям, психологии.

Информационная система управления предприятием (ИСУП) – это операционная среда, которая способна предоставить менеджерам и специалистам актуальную и достоверную информацию обо всех бизнес-процессах предприятия, необходимую для планирования операций, их выполнения, регистрации и анализа. Это система, несущая в себе описание полного рыночного цикла – от планирования бизнеса до анализа результатов деятельности предприятия.

Задачи ИСУП. Управление предприятиями в современных условиях требует все большей оперативности. Поэтому использование информационных систем управления предприятием является одним из важнейших рычагов развития бизнеса.

Частные задачи, решаемые ИСУП, во многом определяются областью деятельности, структурой и другими особенностями конкретных предприятий. Примерный перечень задач, которые должна решать ИСУП на различных уровнях управления предприятием и для различных его служб, к настоящему времени можно считать общепризнанным. Он приведен в табл.1.

Таблица 1.

Основные задачи ИСУП

Уровни и службы управления	Решаемые задачи
Руководство предприятия	обеспечение достоверной информацией о финансовом состоянии компании на текущий момент и подготовка прогноза на будущее; обеспечение контроля работы служб предприятия; обеспечение четкой координации работ и ресурсов; предоставление оперативной информации о негативных тенденциях, их причинах и возможных мерах по исправлению ситуации; формирование полного представления о себестоимости конечного продукта (услуги) по компонентам затрат
Финансово-бухгалтерские службы	полный контроль движения средств; реализация необходимой менеджменту учетной политики; оперативное определение дебиторской и кредиторской задолженностей; контроль выполнения договоров, смет и планов; контроль финансовой дисциплины; отслеживание движения товарно-материальных потоков; получение полного набора документов финансовой отчетности
Управление производством	контроль выполнения производственных заказов; контроль состояния производственных мощностей; контроль технологической дисциплины; ведение документов для сопровождения производственных заказов (заборные карты, маршрутные карты); оперативное определение фактической себестоимости производственных заказов
Службы маркетинга	контроль продвижения новых товаров на рынок; анализ рынка сбыта с целью его расширения; ведение статистики продаж; информационная поддержка политики цен и скидок; использование базы стандартных писем для рассылки; контроль выполнения поставок заказчику в нужные сроки при оптимизации затрат на транспортировку
Службы сбыта и снабжения	ведение баз данных товаров, продукции, услуг; планирование сроков поставки и затрат на транспортировку; оптимизация транспортных маршрутов и способов транспортировки;- компьютерное ведение контрактов
Службы складского учета	управление многозвенной структурой складов; оперативный поиск товара (продукции) по складам; оптимальное размещение на складах с учетом условий хранения; управление поступлениями с учетом контроля качества; инвентаризация

Контроллинг – это информационно-аналитическая поддержка принятия решений. В свою очередь, информационные системы управления являются компьютерной поддержкой контроллинга. Контроллинг является основным поставщиком информации для управления предприятием. Цель информационной поддержки контроллинга – обеспечить руководство информацией о текущем состоянии дел предприятия и спрогнозировать последствия изменений внутренней или внешней среды. Основные задачи контроллинга представлены в табл.2.

Таблица 2.

Основные задачи контроллинга

Виды контроллинга	Основные решаемые задачи
Контроллинг в системе управления	Стратегический контроллинг – обеспечение продолжительного успешного функционирования организации. Оперативный контроллинг – обеспечение методической, информационной и инструментальной поддержки специалистов предприятия
Финансовый контроллинг	Поддержание рентабельности и обеспечение ликвидности предприятия
Контроллинг на производстве	Информационное обеспечение процессов производства и управления
Контроллинг маркетинга	Информационная поддержка эффективного менеджмента по удовлетворению потребностей клиентов
Контроллинг обеспечения ресурсами	Информационное обеспечение приобретения производственных ресурсов, анализ закупаемых ресурсов, расчет эффективности работы отдела снабжения
Контроллинг в области логистики	Текущий контроль экономичности процессов складирования и транспортировки материальных ресурсов

Задачи ИСУП, решаемые для каждого уровня управления и службы предприятия, во многом соответствуют задачам, решаемым контроллингом в той или иной сфере деятельности предприятия (а именно, контроллингом в системе управления, финансовым контроллингом и т.д.).

Если рассматривать структуру ИСУП, то можно выделить 5 основных модулей, которые присутствуют в каждой информационной системе. Это финансово-экономическое управление, бухгалтерия и кадры, склад, производство, торговля (сбыт).

Перспективы развития ИСУП и контроллинга. На основе анализа тенденций развития российского рынка программного обеспечения для автоматизации процесса управления предприятиями можно сделать вывод о его динамичном развитии и усложнении круга задач, требующих автоматизации. Вначале руководители российских предприятий чаще всего ставили простейшие задачи, в частности, задачу автоматизации процесса работы бухгалтерии. С развитием компаний, усложнением бизнес-процессов возникала потребность не только в бухгалтерском учете, но и в управлении материально-техническим снабжением, работой с дебиторами и кредиторами, и многими другими видами деятельности, направленными на решение задач, которые ставит перед предприятием внутренняя и внешняя среда. Для удовлетворения этих потребностей стали использовать корпоративные информационные системы управления – решения, охватывающие деятельность всего предприятия.

Рынок ИСУП. В настоящее время на рынке представлено большое количество типовых ИСУП - от локальных (стоимостью до 50 тыс. долл. США) до крупных интегрированных (стоимостью от 500 тыс. долл. США и выше). Типовые решения этих ИСУП «привязываются» фирмами - поставщиками к условиям конкретных предприятий. Основная часть ИСУП разрабатывается не на основе типовых решений, а в единичном экземпляре для каждого отдельного предприятия. Это делается соответствующими подразделениями предприятий с целью наиболее полного учета особенностей конкретных предприятий.

Приведем описание основных типовых ИСУП.

Локальные системы. Предназначены для автоматизации деятельности по одному - двум направлениям. Стоимость в пределах от нескольких тысяч до десятков тысяч долларов США.

Финансово-управленческие системы. Обладают большими функциональными возможностями по сравнению с локальными. Однако их отличительная черта - отсутствие модулей, посвященных производственным процессам. И если в первой категории представлены только российские системы, то здесь соотношение российского и западного продуктов примерно равное. Сроки внедрения таких систем могут доходить до года, стоимость от 50 до 200 тыс. долл. США.

Средние интегрированные системы. Предназначены для управления производственным предприятием и интегрированного планирования производственного процесса, характеризуются наличием специализированных функций. Такие системы наиболее конкурентоспособны на отечественном рынке в своей области специализации с крупными западными системами, при этом их стоимость существенно (на порядок и более) ниже, чем крупных.

Крупные интегрированные системы. Наиболее функционально развитые, сложные и дорогие системы, в которых реализуются международные стандарты управления. Сроки внедрения подобных систем с учетом автоматизации управления производством могут составлять несколько лет, стоимость в пределах от сотен тысяч до десятков миллионов долларов. Системы предназначены в первую очередь для повышения эффективности управления крупными предприятиями и корпорациями.

Конструкторы – комплекс программных средств или специализированная среда программирования для относительно быстрого создания деловых приложений. Опираются на лежащий в основе конструктора вариант методологии и технологии функционирования.

Специализированные решения – предназначены для получения корпоративной консолидированной отчетности, планирования, бюджетирования, оперативного анализа данных для поддержки принятия решений.

ИСУП в решении задач контроллинга. ИСУП в решении задач контроллинга играют важную роль. С целью информационной поддержки контроллинга специальный модуль «Контроллинг» должен быть включен в состав ИСУП. Это необходимо для того, чтобы система обеспечивала не только компьютерную поддержку контроллинга, предоставляла менеджерам и специалистам актуальную и достоверную информацию обо всех бизнес-процессах предприятия, необходимую для планирования операций, их выполнения, регистрации и анализа. Но и стала бы системой, несущей в себе информацию о полном рыночном цикле – от планирования бизнеса до анализа результатов деятельности предприятия.