Современные воззрения на систему управления ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА Кибернетика Древняя Греция – искусство управления кораблем; Ампер – искусство управления государством (1834 г. ("Опыт о философии наук, или аналитическое изложение классификации всех человеческих знаний", ч. I - 1834 г. , ч. II - 1843 г. ); Трентовский – "Отношение философии к кибернетике как искусству управления народом" (1843 г. ); Богданов – "Всеобщая организационная наука (тектология)" (1911 -1925 г. , три тома); Винер – "Кибернетика" - наука об управлении и связи в животных и машинах (1948 г. ). Основные понятия и определения • • Управление; Система; Входные воздействия: - контролируемые; - управления; - случайные; Выходные переменные: - переменные состояния; - выходные параметры. 1
Фундаментальные принципы управления Принцип разомкнутого управления Принцип компенсации 2
Фундаментальные принципы управления Принцип обратной связи Комбинированные системы 3
Обобщенная структура системы управления Примеры САР частоты вращения электродвигателя постоянного тока BR –электрический генератор; PV –вольтметр; UBR –напряжение. 4
Принципиальная схема регулятора уровня воды: 1– объект управления; 2– поплавок– измерительный элемент; 3– игла– исполнительный элемент. Схема центробежного регулятора скорости вращения: 1–Игла–исполнительный элемент; 2–груз– измерительной элемент; 3– пружина – чувствительный орган; 4 – муфта. 5
Разомкнутая система Система с компенсацией На рис. в цепи НЭ стоит термосопротивление Rt, величина которого меняется в зависимости от колебаний температуры окружающей среды, корректируя напряжение на НЭ. 6
Система автоматического регулирования (САР) 7
Обобщенная структура САУ 8
Функциональная схема САУ 1 -датчик; 2 -преобразующие-усиливающие устройства; 3 - сравнивающий элемент; 4 усилитель; 5 - усиливающе-преобразующие устройства; 6 -исполнительный механизм; 7 -регулирующий орган. 9
Принципиальная и функциональная схема САР по отклонению (принцип Ползунова-Уатта) В системах регулирования по отклонению контролируется прямо регулируемая величина (Y) и алгоритм функционирования обеспечивается без измерения возмущений. 10
Принципиальная и функциональная схема САР по нагрузке При регулировании по возмущению нагрузке осуществляется измерение возмущения и при отклонении возмущения от некоторого обусловленного значения в системе возникает управляющее воздействие, реализуемое так же, как в системах регулирования отклонений 11
Принципиальная и функциональная схема комбинированной САР 12
Основные законы регулирования Пропорциональный закон (П): Интегральный закон (И): Пропорционально-интегральный закон (ПИ): Пропорционально-интегральнодифференциальный закон (ПИД): 13
САР уровня воды в баке прямого действия 14
САР частоты вращения вала теплового двигателя прямого действия 1 -двигатель (регулируемый объект); 2 -центробежный механизм (измерительный элемент); 3 -заслонка (регулирующий элемент) 15
САР уровня воды в баке непрямого действия 1 -бак (регулируемый объект); 2 -поплавок (измерительный элемент); 3 -потенциометр (преобразующий элемент); 4 электродвигатель (исполнительный элемент); 5 -заслонка (регулирующий элемент); 6 -задатчик 16
САР частоты вращения вала теплового двигателя непрямого действия. 1 -двигатель (регулируемый объект); 2 -центробежный механизм (измерительный элемент); 3 -золотник (преобразующий элемент); 4 -гидравлический двигатель (исполнительный элемент); 5 -заслонка (регулирующий элемент) 17
Импульсные САР Схема включения электродвигателя – (а), и статическая характеристика – (б) 18
Импульсные САР частоты вращения вала электродвигателя. 1 -регулируемый объект (электродвигатель); 2 -измерительный элемент (центробежный механизм); 3 -регулирующий механизм (выключатель) 19
Импульсные САР Импульсная САР температуры теплового двигателя. 1 -регулируемый объект (тепловой двигатель); 2 -измерительный элемент (электрический мост с гальванометром); 3 -преобразующий импульсный элемент; 4 исполнительный элемент (электродвигатель); 5 -регулирующий элемент (шторки радиатора); 6 -мост; 7 -гальванометр 20
21
22
23
24
25
26
Концепция комплексной автоматизации производства Историческая справка. Жизненный цикл производства На всех этапах жизненного цикла производства должна учитываться концепция комплексной автоматизации производства. Жизненный цикл производства включает в себя следующие этапы: • проектирование производства; • подготовка (организация) производства; ü реализация (монтаж) производства на основе созданного ранее проекта; ü отладка и тестирование; ü запуск процесса производства в рабочем режиме; • управление производством. Комплексная автоматизация производства представляет собой методологию автоматизации всего производственного процесса с помощью ЭВМ. При комплексной автоматизации производства происходит объединение проектных работ, технологических средств, систем планирования, контроля, управления и т. д. В результате предприятие существенно уменьшает накладные расходы, обеспечивает экономию сырья и энергии, и, соответственно, повышается эффективность производства. 27
Историческая справка. Жизненный цикл производства (продолжение) До настоящего времени автоматизация предприятий велась по трем обособленным, независимым друг от друга направлениям: 1. АСУП (системы автоматизации управленческой и финансово-хозяйственной деятельности); 2. САПР (системы автоматизированного проектирования); 3. АСУ ТП (системы автоматизации технологических процессов). Недостатки: • не подчинялись единым целям и задачам, • были слабо связаны между собой физически и информационно, а часто не были связаны вовсе, • каждая из этих систем строилась по своим внутренним законам, • базировались на различных аппаратных, программных и производственных стандартах (например, только в системах АСУТП существует более 10 стандартов); • не все системы были полностью открытыми, т. е. допускающими использование в рамках одной системы разнотипного оборудования, выпущенного в разное время различными производителями. В результате потребитель (т. е. предприятие) часто попадало в долгосрочную зависимость от одного производителя оборудования и не имело возможности самостоятельно развивать и модернизировать АСУТП, т. к. это потребовало бы полной замены всего комплекса оборудования. Аналогичная ситуация наблюдалась и на других уровнях автоматизации. 28
Историческая справка. Жизненный цикл производства (продолжение) На большинстве предприятий автоматизация проводилась без четкого плана, на различных подразделениях и участках подчас внедрялись различные, не совместимые между собой системы. Как следствие, реальный эффект от внедрения таких систем оказывался значительно ниже ожидаемого. Такое автоматизированное предприятие по многообразию используемых стандартных и нестандартных аппаратных и программных средств напоминает разноцветное лоскутное одеяло. Однако, этап «лоскутной автоматизации» проходят или уже прошли практически все современные предприятия. Наличие данного этапа означает неготовность руководства и персонала предприятия, а также поставщиков и разработчиков систем автоматизации, к внедрению систем комплексной автоматизации производства. Однако прохождение этапа «лоскутной автоматизации» позволяет накопить опыт, осознать серьезность и важность задач автоматизации, осознать необходимость дальнейшего развития систем автоматизации на новом качественном уровне. 29
Основные тенденции комплексной автоматизации производства В настоящее время наблюдаются следующие основные тенденции развития автоматизации. Тенденция 1. Все нарастающее логическое и информационное взаимопроникновение различных уровней автоматизации: бизнес - уровня (АСУП), уровня проектирования (САПР), и производственно-технологического уровня (АСУТП). Благодаря интеграции этих систем автоматизация становится реальной производительной силой. Автоматизация охватывает все предприятие в целом (от уровня технического персонала до уровня высшего руководства). Таким образом, предприятие представляет собой единый организм и функционирует в едином информационном пространстве. Такая организация предприятия дает возможность оптимально планировать и управлять всей финансово-хозяйственной и производственной деятельностью. Тенденция 2. Интенсивное сближение стандартов и упрощение задач сопряжения различных аппаратных и программных средств автоматизации, как на одном уровне, так и между уровнями. Это позволяет без существенных дополнительных затрат объединять в одну систему оборудование различных производителей, как приобретенное ранее, так и планируемое к приобретению в будущем. Таким образом, становится возможным: • детальное планирование процесса автоматизации предприятия; • сохранение в течение длительного срока уже сделанных и осуществляемых в данное время инвестиций в автоматизацию. Тенденция 3. Бурное развитие Интернет - технологий, все большее их проникновение во все уровни систем автоматизации предприятия. Использование Интернет - технологий позволяет: • организовать развитый интерфейс пользователя на основе стандартных технологий, принятых для отображения информации в Интернет (гипертекстовые языки, JAVA - апплеты, браузеры); • обеспечить в реальном времени доступ к удаленным технологическим данным; • координировать технологический процесс независимо от того, где находится оператор (т. е. физически «отвязать» 30 оператора от конкретного рабочего места).
Основные тенденции комплексной автоматизации производства (продолжение) В особенности использование Интернет - технологий удобно для руководителей. Руководитель может без посторонней помощи устанавливать и изменять вид представления информации и последовательность ее поступления (пример - бухгалтерия, отдел сбыта, технологические участки и т. п. ). Использование Интернет облегчает процесс интеграции АСУТП в уже существующую систему АСУП (учет и планирование), т. е. создания единой системы документооборота. В частности, в документооборот входит производственная документация (технологические карты, карты контроля качества, индивидуальные паспорта на изделия и т. д. ). Если процесс автоматизации только начинается, то можно начинать его с АСУТП, в то время как раньше нужно было обязательно начинать с внедрения АСУП. В свете всего вышесказанного, представляется весьма вероятным, что в будущем разделение автоматизированных систем предприятия на АСУП, САПР и АСУТП будет преодолено на всех уровнях идеологическом, информационном, программном и техническом. 31
Характерные черты «идеальной» системы комплексной автоматизации производства Сформулируем основные черты «идеальной» системы комплексной автоматизации производства. На уровне обработки данных - данные вводятся один раз, и становятся после этого доступными всем уровням управления. Ошибки передачи данных и несовместимость протоколов передачи отсутствуют. В области конфигурирования и программирования - все компоненты и подсистемы программируются, конфигурируются, тестируются, запускаются и обслуживаются путем использования простых стандартных блоков, встроенных в систему разработки. Все операции выполняются с использованием единых инструментов и единых инструментальных средств. В области связи и сетевых решений - каждый узел может быть связан с каждым простым и надежным способом. Схема соединений может быть модифицирована в любом месте в любое время. Различные сетевые решения конфигурируются просто и единообразно. Отметим, что многие (если не все) черты «идеальной» системы уже присутствуют на промышленных предприятиях наиболее развитых стран. Хочется надеяться, что и в России в скором времени появятся такие предприятия. Надо сказать, что на ответственных объектах и производствах в России уже идет процесс внедрения и эксплуатации современных систем автоматизации. В связи с этим спрос на специалистов в данной области имеется, и будет расти. 32
Математическое моделирование Таким образом, модель, отражающая соответствующий физико-химический процесс, представляется в виде определенной математической записи, объединяет опытные факты и устанавливает взаимосвязь между параметрами исследуемого процесса. При этом используются теоретические методы и необходимые экспериментальные данные. Конечной целью разработки математических моделей, являются прогноз результатов проведения процесса и выработка рекомендаций по возможным воздействиям на его ход. При отсутствии достаточной информации об исследуемых явлениях их изучение начинается с построения простейших моделей, но без нарушения основной (качественной) специфики исследуемого процесса. Из изложенного выше следует, что математическое моделирование включает три этапа: 1) формализацию изучаемого процесса — составление математического описания его модели; 2) создание алгоритма, моделирующего изучаемый процесс; 3) установление адекватности модели изучаемому объекту. При математическом моделировании деформация модели процесса изучается не на физической модели, как при физическом моделировании, а непосредственно на самой' математической модели при помощи электронных, вычислительных машин. 33
Методы математического моделирования в сочетании с современными вычислительными средствами позволяют при относительно небольших материальных затратах исследовать различные варианты аппаратурного оформления процесса, изучить его основные особенности и вскрыть резервы усовершенствования. При этом в рамках используемой модели всегда гарантируется отыскание оптимальных решений. Следует иметь в виду, что математическое моделирование ни в коей мере не противопоставляется физическому моделированию, а, скорее призвано дополнить его имеющимся арсеналом средств математического описания и численного анализа. По существу, методы физического моделирования также базируются на тождественности математического описания процессов в исследуемом объекте и его физической модели. Однако они не рассматривают конкретных свойств математического описания, а ограничиваются лишь суждением о тождественности объектов на основании сравнения некоторых определяющих комплексов в общих математических уравнениях. Методы физического моделирования в настоящее время приобретают новое качество: их можно использовать для нахождения границ деформации коэффициентов, входящих в уравнения математической модели, и тем самым — для масштабирования математически описанного процесса и установления адекватности модели изучаемому объекту. 34
Методы математического моделирования применяют для изучения свойств математически описанных процессов. В зависимости от степени полноты математического описания можне выделить два предельных случая: а) известны полная система уравнений, описывающая все основные стороны моделируемого процесса, и все численные значения параметров этих уравнений; б) полное математическое описание процесса отсутствует. Этот второй случай типичен для решения кибернетических задач, в которых приходится иметь дело с управлением процессами при наличии неполной информации об объекте и действующих на него возмущениях. При этом параллельно с решением задачи моделирования решают задачу создания модели, что существенно отличает данный случай от моделирования математически описанных процессов. При математическом моделировании процесс исследуют, изменяя различные параметры, связанные в виде математической модели, на вычислительной машине. Это позволяет быстро получать сведения о различных вариантах изучаемого процесса. Важно отметить, что в относительно короткий срок можно воспроизвести оптимальные варианты модели, иными словами, осуществить оптимизацию математической модели и, следовательно, самого процесса. Математическое моделирование гораздо дешевле физического моделирования независимо от того, выражены стоимости в деньгах или во времени. 35
При математическом моделировании применяют также принцип изоморфности математических моделей для разных по физической природе явлений. Ниже приведены дифференциальные уравнения, описывающие указанные явления: (закон Ньютона) перенос количества энергии (сила трения) (закон Фурье) перенос тепла (тепловой поток) (закон Фика) перенос вещества (поток вещества) (закон Ома) перенос электричества Нетрудно видеть, что во все приведенные уравнения входят соответствующие градиенты: скорости dw/dx, температуры dt/dx, концентрации dc/dx и напряжения d. U/dx. Очевидно, что, если ввести соответствующие пересчетные коэффициенты, любое явление можно смоделировать переносом электричества. Этот принцип аналогий позволяет в результате решения одной конкретной задачи получить информацию о свойствах целого класса объектов, явлений. 36
Этапы построения полной математической модели процесса 37
Принцип «черного ящика» . При анализе сложных процессов, когда не представляется возможным найти внутренние связи в системе, в кибернетике применяют принцип «черного ящика» . Этот принцип заключается в том, что, не имея информации о существе, внутренней структуре процесса, для его математического описания используют лишь зависимость выходных величин от входных. Понятие «черного ящика» относится к основным понятиям кибернетики, помогая при изучении поведения систем, т. е. реакций на различные внешние воздействия, абстрагироваться от их внутреннего устройства. Многие системы, особенно большие, оказываются настолько сложными, что, даже имея полную информацию о состоянии их элементов, практически невозможно связать ее с поведением системы в целом. В подобных случаях представление такой сложной системы в виде некоторого «черного ящика» , функционирующего аналогично, облегчает построение упрощенной модели. Анализируя поведение модели и сравнивая его с поведением системы, можно сделать ряд выводов о свойствах самой системы и при их совпадении со свойствами модели выбрать рабочую пшотезу о предполагаемом строении исследуемой системы. Принцип «черного ящика» оказывается весьма полезным при замене одной системы другой, функционирующей аналогичным образом. Так, при автоматизации вредных производств возникает необходимость замены аппаратчика автоматическим устройством, способным выполнять те же функции. 38
Скачать презентацию Современные воззрения на систему управления ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА Кибернетика
История развития информ_техн_упр_3.pptx