3.4. Интегрированные автоматизированные системы управления

Наиболее ранней формой управления технологическими процессами (ТП) было управление с помощью ручных средств. Для измерения управляемых переменных человек пользовался своими органами. Первой функцией управления, подвергшейся автоматизации, было измерение.

Измерительный прибор с индикатором заменяет органы чувств человека, обеспечивает быстрые и достаточно точные измерения. Тогда система управления с автоматическим измерением и визуальным контролем принимает вид, показанный на рис. 3.3.1.

Рис. 3.4.1

Небольшие технические усовершенствования позволили перейти от автоматической индикации к автоматическому контролю, а система управления (СУ) приобрела вид, представленный на рис. 3.4.2.

Рис. 3.4.2

В этом случае оператор получает информацию об отклонении технологических параметров от заданных значений.

Система автоматического контроля, кроме измерителя и индикатора, содержит устройство сравнения и задатчик информации – устройство, которое помнит требуемое значение технологического параметра.

По мере усложнения технологических процессов, повышения скорости их протекания, увеличения числа контролируемых переменных и ужесточения требований к точности поддержания ТП на заданном уровне появилась необходимость в создании автоматических регуляторов. Одним из первых, используемых в промышленности, был регулятор числа оборотов паровой машины Уатта (рис. 3.4.3).

Рис. 3.4.3

Т. о., системы автоматической индикации, контроля и регулирования различаются степенью автоматизации функций управления.

Наиболее простой структурной организацией таких систем являются одноуровневые децентрализованные системы контроля и управления (рис. 3.4.4).

Рис. 3.4.4

Это локальные системы регулирования (управления). Как правило, целесообразным оказывается осуществлять контроль и управление отдельными параметрами с централизованного пункта.

Тенденция централизации управления ТП привела к созданию систем централизованного контроля или к информационным системам. Вариант структурной схемы системы централизованного контроля приведен на рис. 3.4.4.

Системы централизованного контроля выполняют следующие функции: непрерывно (периодически) измеряют значения параметров ТП и проверяют их соответствие заданным значениям, а в случае превышения установленной величины подают предупредительные сигналы оператору; осуществляют измерение параметров по инициативе оператора; регистрируют значения параметров процесса; сигнализируют об (пред-) аварийных ситуациях; позволяют оператору дистанционно изменять уставки локальных регуляторов или непосредственно воздействовать на исполнительные механизмы (ИМ); обеспечивают оперативную связь между центральным пунктом управления и технологическими установками.

Но сложные технологические системы строятся по иерархическому принципу, а для их управления используются иерархические автоматизированные (или автоматические) системы управления (ИАСУ). Они служат основой создания автоматических систем управления (АСУ) гибкого производства и строятся по принципу многоуровневого управления и обладают определенной структурой в функциональном, организационном, экономическом и временном аспектах.

На нижнем уровне автоматизированного производства находятся локальные системы управления (ЛСУ), управляющие работой модулей, на верхнем – системы управления цехом или производством в целом.

Существенные свойства ИАСУ состоят:

1) в последовательном вертикальном расположении подсистем – декомпозиция функций управления;

2) в приоритете действий установления порядка убывания уровней, т. е. подсистемы более высокого уровня по отношению к подсистемам нижнего уровня (право вмешательства);

3) в зависимости действий подсистем верхнего уровня от фактического исполнения своих функций подсистем нижнего уровня.

ИАСУ может иметь разные уровни абстракции:

1) как «черный ящик», выполняющий определенный алгоритм управления над входными переменными (функциональные задачи);

2) как система с определенной структурой для обработки информации с целью установления взаимного соответствия между объектами и типами структур их систем управления;

3) как совокупность технических средств, взаимодействующих одно с другим и реализующих заданную структуру системы.

Описание ИАСУ можно выполнить на уровне математических принципов, функциональных структур и технических средств.

Для любой АСУ требуется минимум три разных уровня описания:

1) как целостного образования;

2) с точки зрения внутреннего строения;

3) как подсистемы более сложной системы.

Однако каждый из названных уровней может быть разделен на элементы более низкого уровня.

С точки зрения организационной структуры ИАСУ удобно рассматривать состоящей из нескольких взаимодействующих между собой подсистем, каждая из которых содержит активный элемент, способный принимать решения.

Активные элементы тоже расположены иерархически, причем активный элемент верхнего уровня является координирующим по отношению к элементам (как минимум двум) более низкого уровня, а решение элемента верхнего уровня определяет действия элементов нижнего уровня в соответствии с целью, определенной для всех подчиненных ему элементов.

Активный элемент более высокого уровня оперирует с более инерционными процессами поведения системы, поэтому времени на принятие решений ему выделяется больше, чем подчиненным элементам. Активным элементам нижнего уровня не должно предписываться жесткое решение, должна быть предоставлена некоторая свобода в выборе собственных решений, которые могут не совпадать с решениями верхних активных элементов.

Но такая конфликтная ситуация не должна влиять на достижение глобальной цели АСУ и возможна лишь в пределах достаточно малых углов отклонения вектора цели подсистемы от вектора глобальной цели.

Для рассмотрения принципа функционирования ИАСУ удобно остановиться на двухуровневой СУ (используя логику предикатов). При этом систему S можно представить через операцию отношения над декартовым произведением двух множеств

S Í x´y,

(3.4.1)

где x´y соответственно множества входов и выходов, xÎ X, yÎ Y.

Если S – функция, то S:X®Y функциональная система (здесь символ ® – тождественное преобразование).

Каждую систему можно представить конечным числом подсистем С_i:

S= È Сi, по всем iÎ I,

(3.4.2)

где i – элемент индексного множества I.

Т. о., для каждой подсистемы С_i основной функцией становится поиск и принятие решений на своем уровне с учетом координирующих воздействий вышестоящего уровня.

Теперь систему S можно назвать решающей, если заданы семейства задач D(x), xÎ X с множеством решений R и отображение T:R®Y.

Для любых элементов xÎ X и yÎ Y пара (x, y) принадлежит системе S в том и только в том случае, если существует элемент rÎ R, такой, что он является решением задач D(x) и T(r)=Y. Здесь T – тождественное преобразование R=Y (т. е. выход системы Y рассматривается как решение задачи D(x), конкретизированной заданием x).

Информационные связи в ИАСУ представлены на рис. 3.4.5. Подсистемы нижнего уровня, называемые локальными СУ, – это автоматические регуляторы, следящие и автоматизированные приводы.

Рис. 3.4.5

Декомпозицию подсистем 0-го уровня выполняют при определении оптимальных вариантов аппаратной и программной реализации АСУ. Обозначив через j – индекс иерархического уровня, а через I – номер подсистемы на данном уровне, подсистема C_ij с j=1 является локальной (ЛСУ). Тогда можно обозначить множество задач через D_ij решаемых C_ji; через X_ji – множество её входов сигналов от подсистемы уровня (j–1); через Y_ji – множество выходных (управляющих) сигналов этой подсистемы, передаваемых на уровень (j–1); через Z_ij – множество выходных (информационных) сигналов, выдаваемых на (j+1)-й уровень, через U_ji – множество входных (координирующих) сигналов, поступающих от вышестоящих подсистем, а W – множество внешних возмущений, поступающих из окружающей среды.

Для любой подсистемы верхнего уровня множества управляющих Y_i+1 и выходных X_j+1 сигналов удобно представить в виде декартовых произведений множеств

Yj+1=Uj1´Uj2´…´Ujn,	(3.4.3)
Xj+1=Zj1´Zj2´…´Zjn	(3.4.4)

и рассматривать управляющие сигналы y_j+1Î Y_j+1, как n-мерные векторы u_j=(u_j1, u_j2, …, u_jn), n_jÎ U_j, а выходные сигналы x_j+1Î X_j+1 как n-мерные компоненты набора

zj=(zj1, zj2, …, zjn), zjÎ Zj,

(3.4.5)

причем в системе с i-й нижестоящей подсистемой связаны только i-е компоненты u_ji, x_ji, которые для неё являются соответственно входными координирующими и выходными информационными сигналами.

Тогда любую подсистему C_ji можно представить в виде системы отображений

Cji:Xji´Uji®Yji,	(3.4.6)
Fji:Xji´Uji´Yji®Zji.	(3.4.7)

Отображение (3.4.8) характеризует выработку управляющего воздействия с учетом координирующего влияния подсистемы более высокого уровня. Считая подсистему C_ji решающей, можно Y_ji представить как множество решений для семейства связанных с ней задач D_ji(x_ji, u_ji), конкретизированных для каждой пары из X_ji, U_ji.

P=ÈPi по всем i=[1, n].

(3.4.8)

Оно показывает подготовку информации в подсистеме для передачи её на более высокий уровень. Представив ТП P как объединение некоторого числа подпроцессов P_i, каждый из которых управляется ЛСУ C_ji, можно записать

Каждый подпроцесс P_i можно рассматривать как преобразователь, вырабатывающий сигналы x_1i (X_1i) на основе управляющих сигналов y_1i (Y_1i) с учетом внешних возмущений w=(w₁, …, w_n), wÎW и воздействий M_i, которым он подвергается со стороны остальных подпроцессов, тогда

Pi:Y1i´W´M1i®X1i,

(3.4.9)

т. е. каждая управляющая подсистема 1-го уровня C_1i решает собственную локальную задачу управления, являющуюся частью глобальной задачи D₀, стоящей перед всей ИСУ.

Поэтому задачу D₀ можно рассматривать как совокупность локальных задач D_ji, реализуемых подсистемами на всех уровнях. Тогда по всем j и i справедливо утверждение D₀ÈD_ji. Для нормальной работы системы необходимо, чтобы цели (задачи) её подсистем были согласованы между собой (согласность и совместимость).

Подсистемы 1-го уровня, непосредственно взаимодействующие с ТП, должны быть координируемыми относительно глобальной задачи: задачи, решаемые на нижнем уровне, должны быть координируемы также относительно задачи, решаемой на вышестоящем уровне; ни один из активных элементов в системе не может решать всю глобальную задачу – она определяется для всей системы в целом.

Задачи подсистем нижнего уровня координируемы по отношению к задачам смежного вышестоящего уровня, если справедливо соотношение

($uj)($yj)[P(yj, Dj(uj)) Ç P(uj, Dj+1)],

(3.4.10)

где D_j(u_j)={D_j1(u_j1), …, D_jn(u_jn)} – совокупность задач, решаемых всеми подсистемами j-го уровня как множество. Для двухуровневой системы (при i=1, y и u)

($u1)($y1)[P(y1, D1(u1))ÇP(u1, D2)].

(3.4.11)

Результат решения задачи на j-м уровне, в свою очередь, должен контролироваться на вышестоящем (j+1)-м уровне и использоваться его активным элементом при решении задачи D_j+1. Решение задачи D_j+1 состоит в том, что бы найти координирующее воздействие y_j+1=u_j, при котором нижестоящие подсистемы вырабатывают управляющее воздействие y_jÎ Y_j, Y_j=Y_j1´Y_j2´ … ´Y_jn такое, что достигается цель координации, т.е. удовлетворение условия, выраженного некоторым предикатом Q_j(u_j, y_j):

P(uj, Dj+1)ó($yj)[Qj(uj, yj)].

(3.4.12)

Учитывая предыдущие выражения, задача подсистем нижнего уровня координируема, если справедливо выражение

($uj)($yj)[P(yj, Dj(uj)) Ç Qj(uj, yj)],

(3.4.13)

а для двухуровневой системы (опуская индексы j при D и Q)

($u)($y)[P(y, D(u)) Ç Q(u, y)].

(3.4.14)

Следовательно, для нормальной работы двухуровневой ИАСУ задачи всех её подсистем должны быть согласованы с решением глобальной задачи

("u)("y){[P(y, D(u))ÇQ(u, y)]Þ[P(y, D(u))ÇP(y, Do)]}.

(3.4.15)

А это говорит о том, что выбор стратегии активным элементом (координатором) верхнего уровня во многом определяется конкретной задачей, которую система решает, и ограничениями, накладываемыми принципами совместимости и координируемости.

Многоступенчатость в управлении порождает конфликтные ситуации. Основная причина появления конфликтных ситуаций связана с взаимным влиянием подпроцессов и тем, что каждый из нижестоящих элементов не имеет информации о решениях, принятых другими активными элементами того же уровня.

Поэтому задача координатора состоит в том, чтобы оказать влияние на нижестоящие подсистемы в направлении достижения желаемого (в определенном смысле) результирующего воздействия.

При этом реализуются различные стратегии: прогнозирование взаимодействия (координирующие сигналы несут информацию о предлагаемых взаимодействиях); оценка воздействия (координатор не сообщает точных оценок, а указывает лишь возможные области их изменений); согласование взаимодействий (задачи нижестоящего уровня определяются как полностью автономные). Каждый активный элемент подсистем получает право при решении собственной задачи рассматривать связующие входы как свободные и выбирать их по собственному усмотрению.