Главная Обратная связь

Дисциплины:






Сущность системного подхода



Системный подход – понятие, подчёркивающее значение комплексности, широты охвата и чёткой организации в исследовании, проектировании и планировании. Системный подход отличается от традиционного предположением, что система целая, состоящая из взаимодействующих частей элементов, обладает такими свойствами каких нет у его частей. При этом части системы могут быть в свою очередь, тоже системами, и тогда их называют подсистемами. Подсистема обладает свойством функциональной полноты, т.е. ей присущи свойства системы.

Системный подход при создании АИУС заключается в разбиении всей системы на подсистемы (декомпозиции системы) и учёте при её разработке не только свойств конкретных подсистем, но и связей меду ними (декомпозиция даёт возможность сложную задачу разбить на ряд менее сложных). Например, при проектировании АС процессом узла приготовления бетонной смеси домостроительного комбината (ДСК) может быть поставлена задача максимизации его производительности(П), при заданных ограничениях на качество бетонной смеси (К1…КN). С критерием эффективности К.Э

П=F(X,Y)→max (1)

Ограничения (2)

Однако эта система является частью другой системы (всего ДСК). Поэтому, если указанное повышение производительности бетонно-смесительного узла не учтено при проектировании других подсистем , потребляющих бетон, то в целом показатели ДСК останутся прежними (на прежнем уровне).

Системный подход опирается на известный диалектический закон взаимосвязи и взаимодействия явлений в мире и в обществе и требует рассмотрения изучаемых явлений и объектов не только как самостоятельной системы, но и как подсистемы некоторой большой системы. То есть системный подход требует прослеживания во всех существенных связей как внутренних, так и внешних.

Принципы системного подхода: принцип максимума эффективности и принцип централизации информации. Принцип максимума эффективности в общем виде критерием эффективности является отношение (или разность) показателей ценности результатов, полученных в результате функционирования системы (АИУС) и показатели затрат на её создание. Например:

W=Дг-Э-К/Ток

Где Д – годовой доход от функционирования автоматизированного технологического комплекса (АТК).

Э – эксплуатационные затраты (годовые).

К – капитальные затраты на создание АТК.

Т – срок окупаемости.

Принцип централизации информации заключается в том, что АИУС, как система управления и принятия решений эффективна лишь тогда, когда информация собирается, хранится и отображается на основе единых массивов, единого банка данных, который может быть и децентрализован аппаратно.



При реализации системного подхода используются достижения (результаты) таких научных направлений как:

- общая теория систем (ОТС);

- системотехника;

- исследование операций;

- системный анализ;

 

8.2.1. В ОТС – разрабатываются философские, методологические, научные и прикладные проблемы анализа и синтеза сложных систем производственной природы.

8.2.2. В системотехнике изучается вопрос планирования, проектирования и поведения сложных систем, к числу которых относится и АИУС. Действительно АИУС вместе с объектом присущи:

- целостность и целенаправленность, т.е. её части служат для достижения цели.

- сложность, т.е. изменение одной переменной влечёт за собой изменение многих других переменных

- разнородность подсистем, частей (технологическое оборудование, средства автоматизации, персонал, сырьё и т.д.)

  1. Этапы (обследование, технический проект, техническое задание, РП, внедрение, эксплуатация)
  2. Аппарат (любые математические дисциплины, в том числе и теория вероятностей, математической статистики и т.д.)
  3. Части (технологические аппараты процесса, функциональные и обеспечивающие подсистемы самой АИУС и т.д.)

8.2.3. Исследование операций.

Это научное направление в исследовании и проектировании систем основано на математическом моделировании процессов и явлений (с целью их оптимизации).

8.2.4. Системный анализ – методология исследований сложных систем.

Исследование в системном анализе разбивается на ряд этапов:

8.2.4.1. Постановка задачи – выделяется объект исследования, цели, задаются критерии для управления им.

8.2.4.2. Очерчиваются границы изучаемой системы, и ведётся её первичная

структуризация. Совокупность объектов и процессов, имеющих отношение к поставленной цели, разбиваются на 2 класса:

- изучаемую систему и внешнюю среду;

- а также выделяются отдельные составные части – элементы изучаемой системы.

8.2.4.3. Составляются математическая модель изучаемой системы: описываются элементы и входные и выходные, их параметры, устанавливаются зависимости между введёнными параметрами (в виде таблиц, АУ, ДУ в виде вероятностных соотношений).

8.2.4.4. Исследуются пограничные ММ, в том числе и прямым (имитационным) моделированием на ЭВМ.

 

 

8.2. Методология и последовательность разработки АИУС.

Т.к. большинство АИУС представляют собой системы комплексной автоматизации, каких- либо процессов, состоящих из подпроцессов со своими локальными СУ, то большинство из них является иерархическими в том или ином плане. Задача проектирования иерархических АСУ во многом зависит от признаков, которые положены в основу при подразделении сложной системы на соответствующие уровни иерархии (Месарович М и Ф. Теория иерархических многоуровневых систем; 1973 МИР)

Чаще всего используется организационный признак, который позволяет отображать фактически существующую субординацию (рис 8.1.)

 

 
 

 


Рис.8.1. Пример расчленения систем по организационному признаку рис 8.2.

 

Систему можно разделить на иерархически связанные меду собой уровни также и по временному признаку. В этом случае при отнесении элементов к тому или иному уровню в основу кладётся интервал времени, через который необходимо вмешательство последующего уровня в процесс управления (рис 8.2.) для обеспечения нормального функционирования системы

Рис. 8.2. Пример разбиения задачи управления энергетической системой по временному признаку.

Иерархические системы управления образуются только в результате расчленения какой – либо сложной задачи на более простые подзадачи. В этом случае элемент иерархической структуры называют уровнями сложности принимаемых решений.

Рассмотрим, как может решаться задача разбиения сложной задачи на более простые на примере двухуровневой СУ. (рис.8.3.)

 

 


Рис. 8.3. Структурная схема использования принципа прогнозирования в цепи обратной связи двухуровневой системы.

 

Ввиду того, что алгоритм управления локальных подсистем управления С1 , С2 (рис.8.3) не учитывают связей между отдельными подпроцессами (например, процесс штамповки С1 и фрезерования С2) , то возникает задача координации. Сущность её заключается в следующем: требуется разработать систему более высокого иерархического уровня С0, которая управляла бы ЛСУ так, чтобы они (подсистемы) функционировали согласовано и были подчинены общей цели.

В теории иерархических сетей разработаны некоторые принципы пригодные для синтеза алгоритма функционирования С0 координатора, которые подобны принципу обратной связи в ТАУ: принцип прогнозирования взаимодействий, принцип оценки взаимодействий, принцип согласования взаимодействий. Рассмотрим вкратце применение первого принципа, для целей координации функционирования двух локальных подсистем управления С1 и С2. Подпроцессы P1 и P2 связаны между собой посредством связующих переменных U1 и U2. Локальные микро УВМ С1 и С2 выбирают управляющие воздействия и на основании сигналов обратной связи Y1 и Y2 и прогнозируемых координатором С0 значений координирующих переменных и .Ошибку прогнозирования можно определить по формуле:

,

где - вектор координирующих сигналов;

- вектор связующих переменных.

Синтез алгоритма координации заключается в нахождении итеративной (пошаговой) процедуры τ, с помощью которой на основании ошибки прогнозирования на i-м шаге εi находят значение вектора на (i+1) шаге управления, т.е.

Если на некотором шаге значение ошибки окажется равным нулю, то задача координации считается решённой.

Принцип оценки взаимодействий реализуется также. Но задача считается решенной, когда ошибка x находится в заданной области.

 

5. Пример использования системного подхода при проектировании АИУС участка производства бетонных смесей – АИУС ”Бетон”.

 

В соответствии с методологией системотехники работы по созданию АИУС разбиваются на стадии и этапы.

На стадии технического задания удобно использовать методологию системного анализа.

  1. На 1-м этапе системного анализа формируем цель АИУС.

АИУС производства бетонных смесей предназначена для управления и контроля технологического процесса, начиная от подачи материалов со складов и кончая выдачей бетонных смесей потребителям.

Цель АИУС – повышение экономичности, ритмичности и качества продукции, а также своевременное обеспечение потребителей необходимым количеством смесей заданных параметров.

  1. На 2-м этапе системного анализа очертим границы изучаемой системы.

Определяем, что система должна включать управление следующими процессами:

· Подачей материалов со складов в ёмкости надбункерного отделения (расходные бункеры).

· Дозированием.

· Выдачей готового бетона.

· Доставкой на формовочные участки.

Формовочные и другие участки, потребляющие бетон, а также железнодорожный и автомобильный транспорт, доставляющие компоненты бетонной смеси на склады не входят в систему и могут быть отнесены к внешней среде. Предполагается, что в процессе функционирования в систему поступают заказы на бетонную смесь (с пунктов ее потребления) и компоненты бетонной смеси со складов цемента и заполнителей (песок и т.д.). Т.о. внешняя среда влияет на систему.

В результате первичной структуризации выделяем элементы производства, подлежащие автоматизированному управлению, а также входы и выходы, связывающие рассматриваемую систему и внешнюю среду.

3. На 3-м этапе системного анализа предварительно разрабатываем математическую модель системы. На этом этапе ограничиваются графическим и словесным описанием подсистемы и связующих звеньев.

Учитывая естественную структуру технологического процесса, проводим его декомпозицию на подсистемы (рис.8.4). А в соответствии с декомпозицией процесса на подпроцессы выполняем декомпозицию задачи управления на подзадачи (уровни сложности принимаемого решения). В результате общая задача управления процессом в целом подразделяется на ряд последовательно решаемых более простых задач (рис.8.4).

Задача 1. Вначале на основе данных лабораторного анализа (какой состав лучше) устанавливаются процентные содержания компонентов в бетонных смесях различных марок с учётом влажности и засоренности заполнителей (песок, гравий и т.д.),активности цемента и т.д. Результаты решения этой задачи являются исходными данными для решения задачи координации работы подсистем в соответствии с заказами на бетонную смесь.(1- ый уровень)

Задача 2.На основе данных очереди заказов и результатов решения задачи управления составом, определяются заданиями дозаторам и смесителям, выбирается цепочка транспортных средств, доставляющих готовую смесь потребителям, определяются расходные бункеры, подлежащие загрузке.(2-ой уровень)

Задача 3. На третьем уровне решаются задачи управления отдельными процессами.

 

 

Рис. 8.4. Иерархия задач управления АС «Бетон».

 

 
 

 


Рис. 8.5. Организационно-техническая иерархия АС «Бетон».

Далее проводится предварительная разработка и выбор КТС АС (рисунок 8.5.). На основе этого системного анализа работа распределяется между отдельными исполнителями (инженеры, математики, программисты и. т.д.), составляются планы, графики выполнения проектных и научно-исследовательских работ.

В дальнейшем для ряда подсистем составляются более детальные математические модели. При этом функции переходов, выходов, связующие функции описываются в виде математических выражений, что позволяет исследовать различные алгоритмы управления методом цифрового моделирования на ЦСОИ.

В частности рассмотрим, как можно упростить процесс дозирования. Для координации процессов дозирования отдельных компонентов целесообразно использовать линейную процедуру итерации (рис 8.6.).

При поступлении компонентов бетонной смеси в грузоприёмное устройство ошибка слежения за изменением массы материала в бункере дозатора из-за наличия переходного процесса в нём велика. А после окончания процесса дозирования и затухания переходных процессов в дозаторе масса каждого из компонентов мажет быть измерена с большей точностью. Но при этом может оказаться, что дозирование прошло не так как надо. Если окажется что вектор процентных отношений компонентов выходит за пределы некоторой области допустимых значений, то следует выбрать тип компонентов и соответствующий дозатор для досыпки. После реализации выбранной досыпки процедура повторяется до тех пор, пока в соответствии с принципом оценки взаимодействия вектор процентных отклонений не будет находится в заданной области (рис. 8.6.) К примеру, если , то нужно добавить

 

 
 

 


Рис. 8.6. Схема алгоритма координации работы дозаторов.

 

 

 
Литература

 

Основная

1.Меньков А.В., Острейковский В.С. Теоретические основы автоматизированного управления.- М.: Изд-во МИФИ, 2004.-276 с.

2.Плетнев Г.П. Автоматизированное управление объектами тепловых электростанций. Учебник для ВУЗов.- М.: Изд-во МЭИ, 2005г.

Дополнительная

 

3.Черноморов Г.А. Теория принятия решения: Учебное пособие/ЮРГТУ. Новочеркасск: Ред. Журн. «Изв. ВУЗов. Электромеханика », 2002.-276с.

4. Справочник проектирования АСУТП, Г.Л. Смилянский и др.; Под ред. Г.Л. Смилянского - М.: Машиностроение, 1983.-527 с.

5. Царегородцев А.В. Теория построения иерархических информационно-управляющих систем. – М.: РУДН, 2004.-217с.

6. Автоматизация типовых технологических процессов и установок: Учебник для вузов/ А.М. Корытин, Н.К. Петров, С.Н. Радимов, Н.К. Шаперев. – М.: Энергоатомиздат, 1988.-432 с.

7. Управление гибкими производственными системами. Модели и алгоритмы./ Под общ. ред. С.В. Емельянова. – М.: Машиностроение, 1987.- 368с.

8. Финаев В.И., Пушнин А.В. Информационное обеспечение систем управления. Таганрог: Издательство ТРТУ, 2001-91с.

9. Родионов В.Д., Трехов В.А., Яковлев В.Б. Технические средства АСУТП: Учеб. пособие для вузов / Под ред. В.Б. Яковлева.-М.: Высш. шк., 1989.-263с.

 

Учебное пособие

 

Автоматизированные информационно-управляющие системы: Курс лекций/ Г.П. Фоменко, ЮРГТУ(НПИ).-Новочеркасск, 2009.-103с.

 





sdamzavas.net - 2018 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...