книги / Теоретические основы автоматизированного управления

УДК 681.5 ББК 32.965

С 56

Р е ц е н з е н т ы :

заел, деятель науки и техники РФ, д-р техн. наук, проф. IЛ.В. Гаскаров\ (Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций); кафедра интеллектуальных технологий и систем Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университе­ та) (зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. В.В. Нечаев)

Советов, Б.Я.

С 56 Теоретические основы автоматизированного управления: Учебник для вузов/Б.Я. Советов, В.В. Цехановский, В.Д. Чер­ товской.— М.: Высш. шк., 2006. — 463 с.: ил.

ISBN 5-06-005496-9

Вучебнике рассмотрены вопросы теории автоматизированного управления на основе моделей MRP/ERP, PLM, гибкого автоматизированного завода, адап­ тивного автоматизированного управления с использованием функционального анализа на основе бизнес-процессов. Изложено современное состояние при­ кладных вопросов автоматизированного управления: математического, алго­ ритмического, программного, технического, эргономического, организацион­ ного и правового обеспечения, значительное место занимают проблемы проек­ тирования автоматизированных систем управления.

Дня студентов вузов, обучающихся по специальности «Автоматизированные системы обработки информации и управления» направления подготовки «Инфор­ матика и вычислительная техника», а также «Информационные системы».

УДК 681.5 ББК 32.965

Оригинал-макет данного издания является собственностью издательства «Выс­ шая школа», и его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия издательства запрещается.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемый учебник раскрывает содержание дисциплины «Теоретические основы автоматизированного управления», являю­ щейся основополагающей в направлении подготовки кадров 230100 (654600) Информатика и вычислительная техника по специальности 230102 (220200) — Автоматизированные системы обработки инфор­ мации управления (АСОИУ). Цель преподавания данной дисципли­ ны — ознакомление с современным состоянием теории автоматизи­ рованного управления, идеологией построения АСОИУ, изучение различных аспектов структуры АСОИУ и математического аппарата их формализации, рассмотрение возможностей и путей использова­ ния информационных технологий при анализе, синтезе и проектиро­ вании АСОИУ. В результате освоения материала учебника студенты изучат основы системного подхода к исследованию и оптимизации процесса автоматизированного управления, ознакомятся с формаль­ ным аппаратом анализа и синтеза структуры АСОИУ, получат пред­ ставление об идеологии построения автоматизированных систем на базе информационной технологии.

Учебник построен на основе применения в автоматизированном управлении новейших математических и экономико-математиче­ ских моделей, а также перспективных средств вычислительной и те­ лекоммуникационной техники. Для анализа структуры АСУ исполь­ зованы следующие виды моделей: информационно-логическая, функциональная и модель на основе бизнес-процессов. Особое вни­ мание уделено таким моделям автоматизированного управления, как MRP (Material Requirement Planning — планирование материальных потребностей), ERP (Enterprise Resource Planning — планирование ресурсов предприятия), PLM (Product Lifecycle Management — управ­ ление жизненным циклом изделия), модели гибкого автоматизиро­ ванного завода, модели адаптивного автоматизированного управле­ ния.

Возникшая в настоящее время эволюция автоматизированного управления во многом связана с переходом от плановых к рыночным отношениям. Это выразилось в появлении новых моделей управле-

з

ния и новых подходов к построению АСУ. В соответствии с этим в книге последовательно рассмотрен переход от подсистемного подхо­ да к автоматизированному управлению через внедрение стандартов ERP, QMS, методологию планирования материальных ресурсов предприятия MRP, концепцию логистических цепочек, концепцию виртуального бизнеса. На современном этапе развития автоматизи­ рованного управления важное значение приобретает решение задачи адаптации к быстро изменяющимся внешним условиям. Возникает проблема создания теории адаптивного автоматизированного управ­ ления. В учебнике приведено общее математическое описание адап­ тивного управления, являющегося основой для исследования задач планирования и управления при изменяющемся спросе.

Теория автоматизированного управления служит основой эффек­ тивного проектирования автоматизированных систем различного на­ значения. Этой цели отвечает излагаемая в учебнике методология проектирования АСУ как коллективного процесса. Проанализирова­ ны основные этапы и задачи проектирования АСУ на основе объект­ но-ориентированной технологии как основы создания открытых, гибких, многофункциональных систем для различных предметных областей.

Содержание предлагаемого учебника соответствует программе дисциплины «Теоретические основы автоматизированного управле­ ния». Авторы надеются, что его издание будет способствовать повы­ шению качества подготовки кадров российской высшей школой.

Авторы

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизированное управление прошло длительный путь разви­ тия. Исходным на начальном этапе явилось ручное управление объ­ ектами, при котором обратная связь по результатам управления вос­ принималась органами чувств человека и задача заключалась в уменьшении мускульных усилий, прикладываемых к рычагам управ­ ления исполнительного органа. Совершенствование управления ста­ ло возможным, когда человек начал использовать средства вычисли­ тельной техники. Возникло два контура: контур управления и контур обработки информации, которые взаимодействовали через человека.

Развитие средств вычислительной техники позволило создать программные средства, которые не только поддерживали вычисли­ тельный процесс, но могли на базе предварительно разработанных алгоритмов осуществить в реальном времени управление требуемым объектом. Это привело к возникновению автоматического управле­ ния объектом, в котором человек выполнял функцию оператора, не внося в процесс управления творческого начала, а лишь исполняя требования инструкций.

Автоматическое управление получило глубокое творческое обос­ нование на основе исследований замкнутых систем управления. Воз­ никла теория автоматического регулирования, в которой основное внимание акцентировалось на проблемах устойчивости, чувствитель­ ности, организации обратной связи и т. д. Существенным объектом управления при автоматическом управлении стал технологический процесс, что позволило выделить технологический уровень управле­ ния производством. Наряду с ним самостоятельное значение приоб­ рел и организационно-экономический уровень управления. На этом уровне в основе управления оказался процесс принятия решения, вы­ полняемый человеком — руководителем производства. Управление приобрело автоматизированный характер.

В общем случае процесс принятия решения не поддается форма­ лизации. Оказывается возможным разработать набор типовых реше­ ний, из которых человек-руководитель может осуществить эффек­ тивный выбор оптимального решения с использованием средств вы-

числительной техники. Однако математическая поддержка процес­ сов принятия решений является основным фактором эффективности автоматизированного управления. Поэтому в учебнике рассмотрена общая проблема формализации и алгоритмизации процессов приня­ тия решений в условиях автоматизированного управления.

Содержание математического обеспечения дано на примере ряда областей традиционного автоматизированного управления произ­ водством. Подробно проанализированы вопросы математического обеспечения задач тактического планирования и стратегических за­ дач управления: технико-экономическое планирование, материаль­ но-техническое снабжение и сбыт, маркетинг, стратегическое управ­ ление. Значительное внимание уделено математическому обеспече­ нию задач оперативного управления основным производством, мето­ дам оперативного управления КАНБАН и Just-In-Time (JIT).

В целом автоматизированная система управления (АСУ) относит­ ся к классу разомкнутых систем, для которых разработанная традици - онная теория автоматического управления не может быть применена. Это заставляет с иных позиций подойти к исследованию процесса ав­ томатизированного управления и разработке соответствующей тео­ рии. Рост сложности задач, повышение требований к оперативности принятия решений приводят к необходимости дальнейшего развития автоматизированного управления в различных предметных областях. Этому способствует появление новых математических и экономи­ ко-математических моделей, а также непрерывное совершенствова­ ние средств вычислительной и телекоммуникационной техники.

Вучебнике сделана попытка изложить теорию автоматизирован­ ного управления. Исторически в основе построения автоматизиро­ ванных систем управления использовался системный подход. Авторы предлагают развитие системного подхода в направлении системной инженерии как нового средства анализа и проектирования системы. Отличительная особенность рассматриваемой теории состоит в реа­ лизации функционального анализа на основе бизнес-процессов, что обеспечивает комплексный подход к анализу функционирования объекта автоматизированного управления. Цель теории — обеспе­ чить эффективное проектирование автоматизированного управле­ ния.

Врамках общей теории изложены два подхода: подсистемный и процедурный. Подсистемный подход показан на примере автомати­ зированного управления производством. В процедурном подходе ис­ следованы следующие компоненты: ERP-стандарт, международный стандарт QMS, упорядочение решения задач, «плоская» структура управления, реинжиниринг, схематика и компьютерная поддержка

представления. Несмотря на специфику конкретных объектов, уда­ лось разработать модели автоматизированного управления.

Сформировавшиеся к настоящему времени идеология и практика применения автоматизированного управления требуют дальнейшего развития средств анализа информационных процессов и технологий как целостной системы. Авторы излагают подходы системной инже­ нерии, позволяющие совместно рассматривать все компоненты АСУ. Методы системной инженерии позволяют оценить варианты архи­ тектуры и выбрать из них наилучшие. Анализ структуры АСУ предложено проводить на базе следующих моделей: информацион­ но-логической, функциональной и модели на основе бизнес-процес­ сов. Информационно-логическая модель АСУ базируется на анализе предметной области и использует два подхода: функционально-мо­ дульный (структурный) и объектно-ориентированный. Функцио­ нальная модель исходит из анализа функциональных возможностей и использует три аспекта рассмотрения: функциональный, информа­ ционный, организационный. Модель на основе бизнес-процессов направлена на комплексный анализ деятельности объекта автомати­ зированного управления.

Отличительной особенностью учебника является рассмотрение теории адаптивного автоматизированного управления. Приведено общее математическое описание адаптивного управления, являюще­ гося основой для исследования задач планирования и управления при изменяющемся спросе. В рамках задачи планирования при изме­ няющемся спросе последовательно рассмотрены технология реше­ ния задачи планирования, ресурсное обеспечение плана, согласова­ ние интересов элементов и уровней при определении плана, форми­ рование плана при переходе на выпуск новой продукции, расчет пла­ на с помощью декомпозиции (по частям). В рамках задачи управления при изменяющемся спросе исследованы векторное свой­ ство элементов и этапы его изучения, анализ свойств элементов с по­ мощью декомпозиции, координация управления элементов и уров­ ней системы, управление при изменяющихся структурных связях.

Теория автоматизированного управления должна предоставить разработчику системы конструктивный аппарат и средства проекти­ рования. В книге проанализованы основные этапы и задачи проекти­ рования АСУ на основе объектно-ориентированной технологии как основы создания открытых, гибких, многофункциональных ДСУ для различных предметных областей. Рассмотрены вопросы создания АСУ при подсистемном и процедурном построении, исследованы во­ просы использования реинжиниринга в процессе проектирования АСУ. Особое внимание уделено современному подходу к построению

АСУ. Дана характеристика основному инструментальному средст­ ву — CASE-технологиям. Материал подкреплен изложением вопро­ сов практического проектирования АСУ. Таким образом, данный учебник охватывает широкий круг тем, обеспечивая студенту ком­ плексное представление о содержании современной теории автома­ тизированного управления, а также направлениях ее конструктивно­ го использования при исследовании, разработке и проектировании автоматизированных систем управления.

ГЛАВА 1

Общая характеристика

автоматизированного управления

Рост сложности задач, повышение требований к оперативности принятия решений приводят к необходимости дальнейшего развития автоматизированно­ го управления в различных предметных областях. Этому способствовали появле­ ние новых математических и экономико-математических моделей, а также не­ прерывное совершенствование средств вычислительной и телекоммуникацион­ ной техники.

Вданной главе приведена используемая терминология, рассмотрены облас­ ти применения автоматизированного управления. Дана характеристика основ­ ных аспектов автоматизированного управления: главенствующая роль информа­ ции в процессе управления; иерархический характер процесса управления; сис­ темный подход к процессу построения автоматизированных систем. Приведена классификация АСУ и средств обеспечения процессов их проектирования, вне­ дрения и эксплуатации.

1.1. ПОНЯТИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

УПРАВЛЕНИЯ

Управление — целенаправленный перевод системы из одного со­ стояния в другое желаемое.

Система управления — совокупность взаимодействующих компо­ нентов: объекта управления и управляющих частей.

Структура — совокупность элементов и их связей. Простейшая структура приведена на рис. 1.1. Структура системы

управления может быть многоуровневой (структурой подчинения). Объект управления (ОУ) — динамическая система любой природы, преобразующая ресурсы в продукты и находящаяся под действием управляющих и возмущающих воздействий.

Возмущающее воздействие — воздействие, выводящее систему в нежелательное состояние.