Классификация систем управления

4. Классификация систем управления

1. По характеру связи между объектом управления и управляющим органом

— без обратной связи. Не знает о конечном результате. Мало эффективны. Редко используются.

— системы управления с обратной связью

Классификация систем управления

2. По специфике объекта управления:

— технические (рефлексные). Однозначно реагируют на управляющее воздействие.

— организационные системы (не рефлексные). Объект управления – совокупность людей, организаций, наличие человека. Это приводит к тому, что не однозначно может реагировать. В плане управления, описания такие системы гораздо сложнее технических.

В технических объектом является некоторое техническое устройство. Отличительная особенность подобных систем – однозначно детерминированная рефлексная реакция объекта на любое управляющее воздействие. Характер реакции зависит от внутренней природы объекта, его конструкции. Такие системы часто называют рефлексными.

Организационные системы. В них объектом управления является совокупность технических средств и человеческих коллективов. Наличие свойства активности поведения человека приводят к тому, что функционирование орг. систем не рефлексно, т.е. одно и то же управление порождает самые различные реакции у исполнителей. Реакции определяются локальными собственными интересами каждого исполнителя. Для успешного управления такими системами УО должен учитывать фактор активности и принимать соответствующие меры.

Классификацию систем управления можно осуществлять по таким признакам как: степень автоматизации функций управления, степень сложности системы, степень определенности, тип объекта управления и др. В зависимости от степени автоматизации функции управления различают: ручное, автоматизированное и автоматическое управление. Соответственно принято различать, как было сказано выше, автоматизированные и автоматические системы управления.

По степени сложности системы делят на простые и сложные. Сложные системы характеризуются следующими особенностями: число параметров, которыми описывается система, весьма велико, многие из этих параметров не могут быть количественно описаны и измерены; цели управления не поддаются формальному описанию без существенных упрощений; невозможно дать строгое формальное описание системы управления.

По степени определенности системы разделяются на детерминированные и вероятностные (стохастические). В детерминированной системе по ее предыдущему состоянию и некоторой дополнительной информации можно вполне определенно предсказать ее последующее состояние. В вероятностной системе на основе такой же информации, можно предсказать лишь множество будущих состояний и определить вероятность каждого из них.

5. Методы формализации постановки задач, принятия решений

Наличие человека в контуре управления приводит к определенным специфическим особенностям. Дело в том, что человеку свойственна целенаправленность поведения.

Классификация систем управления

х1 0. х2 0 – характеризуют исходное состояние объекта.

Должен существовать некоторый критерий, который позволял бы нам оценить исходное состояние.

Подобному критерию предъявляют ряд требований:

Количественность – какое-то число, числовой измеритель.

Измеряемость – должны быть инструменты, которые позволяли бы измерить.

Сопоставимость – когда оценивается состояние объекта по оцениваемым параметрам, нужно уметь сопоставлять их.

Классификация критериев управления.

2 Внутренние критерии. Они генерируются органами управления рассматриваемой системы.

Будем рассматривать задачу, что Центр стремится этот критерий максимизировать.

Классификация систем управления,

Ф(х 0 ) – начальное состояние.

Также возможно поставить целью минимизацию или неизменность критерия, в зависимости от преследуемых целей

В этом случае орган управления генерирует управленческое воздействие так, чтобы перевести объект из исходного состояния Ф(х 0 ) в некоторое желаемое.

Х – вектор состояния объекта.

Постановка задач принятия управленческих решений предусматривает наличие двух составляющих:

Критерий задачи Ф(х) → max.

Классификация систем управления.

Находится оптимальное решение х 0 – то, что хотелось бы управляющему органу, то наилучшее с его точки зрения состояние системы.

Ограничение, в рамках которого принимается управленческое решение, определяется двумя факторами:

Внешние ограничения – это те ограничения, которые диктует внешняя среда, например, спрос на продукцию, цена покупаемого сырья, объем поставок, который готов нам дать поставщик и т.д.

Внутренние ограничения – это те ограничения, которые определяются внутренней природой объекта, его спецификой, его возможностями.

Правила математической формализации:

Содержательное описание задачи.

Введение переменных, параметров, индексов.

Математическая постановка задачи.

Выбор метода решения (для задач ЛП и НЛП).

В зависимости от того, какой вид имеет критерий и система ограничений, м.б. различные ситуации:

1 класс: задачи ЛП

2 класс: задачи НЛП

В задачах ЛП управляющие переменные и в критериях и в ограничениях им. Линейный вид, т.е. находятся в 1 степени.

В задачах НЛП им разную степень

Решение, анализ полученных результатов (возможно возврат на п.1).

Х – количество выпускаемой продукции.

j Классификация систем управления= 1,2 — вид продукции (номер),

хj – количество продукцииj-го типа, которую мы должны будем выпускать,

а – норматив затрат на производство единицы продукции,

аj – норматив затрат на производство 1 шт.j-й продукции,

сj – цена единицыj-й продукции,

О – оборотные средства, которыми располагает управленческий орган при принятии решения.

Классификация систем управления

Классификация систем управления

1.3.1. Основные классификационные признаки

В основу классификации могут быть положены различные признаки. Классификация по основным из них представлена на рис. 1.6. Одним из главных признаков является метод управления, по которому САУ подразделяются на системы, неприспосабливающиеся к изменяющимся условиям работы объекта регулирования и приспосабливающиеся (или адаптивные) системы.

Классификация систем управления

Рис. 1.7. Классификация систем автоматического управления и регулирования

Неприспосабливающиеся САУ — это наиболее простые системы, не изменяющие своей структуры и параметров в процессе управления. Большинство САУ относятся к неприспособливающимся. Для этих систем на основе априорной (существует до начала работы) информации выбирают структуру и параметры, которые обеспечивают заданные свойства системы (выполнение целей управления) для типовых или наиболее вероятных условий ее работы.

Неприспосабливающиеся САУ подразделяются на три типа:

стабилизирующие системы, обеспечивающие поддержание постоянного заданного значения регулируемой величины;

программные системы, обеспечивающие изменение регулируемой величины во времени по заданной программе изменения задания;
следящие системы, обеспечивающие изменение регулируемой величины в определенном соотношении с задающим воздействием (можно рассматривать, что заданное значение изменяется произвольным образом, не зависящим от данной системы).

В зависимости от степени участия человека системы управления делятся на автоматизированные и автоматические.

В автоматических системах участие человека ограничивается функциями инициализации задачи управления.

В автоматизированных системах функции управления выполняемые человеком, как правило, связаны с выбором вариантов при многовариантных решениях.

Большинство систем автоматического управления замкнутые. т.е. для принятия решения об изменении состояний объекта управления используется информация о результатах управления, т.е. используется принцип обратной связи. Обратная связь называется положительной, если ее введение увеличивает значение хвых (по сравнению со значением без обратной связи), и отрицательной, если оно уменьшает значение хвых. При положительной обратной связи выходная величина ОС хос суммируется с входной величиной хвх. при отрицательной вычитается. Таким образом, входная величина основного элемента при введении ОС

Таким образом, входной величиной регулятора является отклонение регулируемой величины от ее заданного значения е, а выходной величиной — положение исполнительного механизма у. Величина у является входной величиной объекта — управляющим (регулирующим) воздействием.

В замкнутой системе автоматического регулирования одной величины на вход элемента сравнения поступает измеренное значение регулируемой величины х и установленное оператором с помощью задающего элемента (задатчика) заданное ее значение х0 =хe. Величина отклонения 0 -х поступает на вход регулятора, который вырабатывает регулирующее воздействие у с целью устранения отклонения объекта от желаемого состояния, а, следовательно, поддержания заданного значения х0 регулируемой величины х. Такие САУ называются системами с регулированием по отклонению. Роль человека в такой системе сводится в установке задания регулятору; а основная задача стабилизации значения регулируемой величины осуществляется без участия человека, автоматически.

В некоторых случаях принцип обратной связи использовать не удается или его использование приводит к существенным затратам. В иных случаях когда известна реакция системы на возмущение известны динамические характеристики объектов управления и потенциальные возможности управляющего органа используется управление по разомкнутому циклу. Для построения электромеханических систем такого типа необходимы исполнительные органы, имеющие жесткие механические характеристики (синхронные машины, шаговые двигатели)

Разомкнутые системы при относительной простоте и низкой стоимости обладают следующими недостатками:

-не учитывается возможная неточность отработки входного воздействия.

-не учитывается влияние случайных возмущений (электрические помехи, механические толчки и вибрация)

-не учитывается изменение состояния объекта в процессе эксплуатации.

По числу регулируемых величин САУ делятся на одномерные и многомерные (или многосвязные). Одномерные САУ — это системы управления простейшими объектами с одной регулируемой величиной. Например, в приводах подач станков регулируемой величиной является только одна величина –скорость и поэтому САУ будет одномерной (аналогично в электрической печи с неконтролируемой атмосферой имеется только одна регулируемая величина — температура печи).

В большинстве случаев САУ регулируют несколько величин и являются многомерными. В некоторых многомерных системах можно выделить несколько каналов регулирования. Каждая регулируемая величина определяется своим регулирующим воздействием и канал имеет свой регулирующий орган (состояние которого практически не влияет на другие регулируемые величины). Тогда сложный объект как бы распадается на несколько одномерных объектов с одномерными САР. Вместе с тем для многомерных систем характерно наличие связей между регулируемыми величинами. Связи эти могут быть двух родов. Первый род связей — внутренние, обусловленные физическими свойствами объекта. Так, если в приводе подач регулируется момент, то изменение момента будет одновременно оказывать влияние и на скорость подачи. Второй род связей — внешние, т. е. между отдельными регулируемыми величинами. Эти связи накладываются на систему по условиям ее функционирования или на основании требований технологического процесса. Так, при работе привода в составе системы программного управления он оказывается внутри контура позиционного управления.

В зависимости от принципа представления информации, системы управления делятся на:

непрерывные системы (аналоговые);

В непрерывных САУ информация о работе системы и регулирующие воздействия — непрерывные функции времени. В каждом элементе непрерывных систем при наличии непрерывного изменения входной величины непрерывно изменяется и выходная величина. В прерывистых АСУ информация и регулирующие воздействия появляются только в определенные моменты времени, т. е. в системе существует минимум один элемент, в котором при наличии непрерывного изменения входной величины выходная величина изменяется прерывисто (скачкообразно) или существует только в определенные (дискретные) моменты времени.

Непрерывные системы в свою очередь делятся на:

К линейным относятся системы, поведение которых описывается линейными дифференциальными уравнениями. Поскольку систем, абсолютно точно описываемых линейными дифференциальными уравнениями, практически не существует, то к линейным системам относятся так называемые линеаризованные системы, описываемые линейными дифференциальными уравнениями приближенно, при определенных допущениях и ограничениях. К нелинейным САУ относятся системы, поведение которых описывается нелинейными дифференциальными уравнениями. При этом в систему достаточно включить один нелинейный элемент (все остальные линейные), чтобы сделать всю систему нелинейной.

Дискретные системы делятся на:

В релейных системах один из элементов, обычно регулятор, имеет релейную характеристику: его выходная величина скачкообразно изменяется при определенном значении входной величины.

В импульсных САУ присутствует минимум один элемент с импульсной характеристикой: при непрерывном изменении входной величины выходная величина появляется только в определенные, дискретные, моменты времени. Импульсные характеристики могут иметь различные элементы: чувствительный (или преобразующий) элемент (информация о выходной величине поступает периодически) или регулятор.

В цифровых система используются цифровые устройства: электронные цифровые вычислительные машины, цифровые измерительные приборы, цифровые регуляторы (контроллеры), созданные на базе микропроцессорной техники.

В зависимости от того, в каком параметре импульсного сигнала (рис. 1.8) содержится информация, различают:

1) Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ).

Рис. 1.8. Диаграмма импульсного сигнала

2) Широтно-импульсная модуляция (ШИМ).

14) Классификация систем управления

Системы управления весьма разнообразны, и их целесообразно разбить на классы. Рассмотрим классификацию систем управления по трем следующим признакам: степень автоматизации функций управления; степень сложности и степень определенности.

В зависимости от степени автоматизации функ­ций управления различают ручное, автоматизированное и автоматическое управление. При ручном управлении все функции процесса выполняются человеком — оператором. Автоматизиро­ванным называют процесс управления, в котором часть функций выполняется человеком, другая частьавтоматическими устрой­ствами. При автоматическом управлении все функции выполняются автоматическими устройствами. Соответственно принято различать автоматизированные и автоматические системы управления.

По степени сложности системы управления делят на простые и сложные. Строгого определения, позволяющего четко разделить эти системы, не существует. Понятие «сложная система» возникло как отражение факта существования в реальном мире таких объектов, достаточно полное описание которых либо затруд­нительно, либо совсем невозможно. Интуитивно представление о сложной системе можно получить, рассмотрев свойства систем, состоящих из большого числа элементов.

Пусть система состоит из п элементов. Максимальное число направленных связей между элементами, очевидно, равно п (п – 1). Число комбинаций связей (по типу «связь есть», «связь отсутствует») определяется значением . Это значит, что система из трех элементов может иметь число комбинаций связей 64, система из четырех элементов — 4096, а система из десяти элементов — . Если считать (упрощенно), что состояние системы опре­деляется наличием или отсутствием тех или иных связей в системе, то легко представить, как быстро растет число возможных состоя­ний системы при сравнительно небольшом увеличении количества составляющих ее элементов. Сложной принято называть такую систему, которую трудно или невозможно изучать путем исследо­вания ее всех возможных состояний.

Естественно, такую характеристику сложности нужно рассмат­ривать лишь как ее иллюстрацию. На практике приходится учиты­вать качественные особенности связей, их существенность и ряд других факторов, которые могут упростить или еще более усложнить исследование системы.

Рассмотрим теперь понятие сложной системы управления. Как следует из выражения (1.4), управляющее воздействие есть функция состояния объекта управления, т. е. каждому состоянию объекта управления должно соответствовать определенное состояние управ­ляющего органа. Это значит, что управляющий орган должен обла­дать не меньшим числом возможных состояний, чем объект управ­ления. Следовательно, управляющий орган для эффективного управления должен быть такой же сложности, как и объект управ­ления. Когда объектом управления является сложная система, управляющий орган тоже представляет собой сложную систему. Совокупность сложного управляющего органа и сложного объекта управления называют сложной системой управления.

Сложные системы управления имеют следующие важные особен­ности:

1. Число параметров, которыми описывается сложная система, весьма велико. Многие из этих параметров не поддаются количест­венному описанию и измерению,

2. Цели управления не поддаются формальному описанию без существенных упрощений. Цели являются функциями времени. Система может состоять из подсистем, каждая из которых имеет собственную цель управления. В процессе управления собственные (локальные) цели подсистем нужно согласовывать с общей (глобаль­ной) целью системы, что, как правило, является сложной задачей.

3. Трудно или даже невозможно дать строгое формальное описа­ние сложной системы управления. Как правило, основной задачей при моделировании таких систем является поиск разумного упроще­ния их описания.

По степени определенности системы управле­ния обычно разбивают на детерминированные и вероятностные (стохастические).

Детерминированной системой называют систему, в которой по ее предыдущему состоянию и некоторой дополнительной информа­ции можно безошибочно (т. е. вполне определенно) предсказать ее последующее состояние.

В вероятностной системе на основе предыдущего состояния и дополнительной информации можно предсказать лишь множество возможных будущих состояний и определить вероятность каждого из них.

Разбиение систем на простые и сложные, детерминированные и вероятностные в определенной мере условно. По мере развития средств моделирования и исследования конкретная реальная система может перейти из одного класса в другой. В результате использова­ния двух последних классификационных признаков все системы управления можно разделить на четыре категории: простые детерми­нированные; сложные детерминированные; простые вероятностные; сложные вероятностные.

К числу простых детерминированных систем относится, напри­мер, автопилот. Примером сложной детерминированной системы служит ЭВМ. Этот весьма сложный прибор, включающий большое количество элементов и имеющий огромное число возможных состоя­ний, является все же полностью детерминированным устройством. Поведение ЭВМ определяется совокупностью программ, которые она выполняет. Отклонение от поведения, предписанного програм­мами, означает неисправность.

Простой вероятностной системой можно назвать систему ста­тистического контроля качества продукции предприятия по одному или нескольким параметрам, которая предусматривает выборочную проверку заданных параметров с определенной периодичностью. Сложной вероятностной системой являются производственное предприятие, крупная строительная организация, отрасль промыш­ленности и подобные им объекты.

Число элементов, разнообразие связей, вероятностная природа законов функционирования делает эти системы настолько сложными, что их полное формальное описание не представляется возможным. Потребность в управлении сложными системами привела к созда­нию специальных методов.

В последние годы в большинстве работ, посвященных исследованию общих принципов управления, используется методология системного анализа, Системный анализ позволяет исследовать различные по своей природе объекты с единой точки зрения. В основу методологии системного анализа положены такие понятия, как «система», «сложная система», «иерархия систем», «модель», «цель» и др. Определение этих понятий, а также некоторые принципы системного анализа изложены в объеме, необходимом для понимания последующего материала. Од­нако для современного специалиста требуется более глубокое знание методоло­гии системного анализа.

Используются технологии uCoz

Классификация систем управления.

Рассмотрим классификацию систем управления по следующим признакам:

1. степень автоматизации функций управления;

2. степень сложности;

3. степень определенности;

4. типу объекта управления.

В зависимости от степени автоматизации функций управления различают

3. автоматическое управление.

Соответственно принято различать автоматизированные и автоматические системы управления.

По степени сложности системы делят на простые и сложные .

Сложные системы имеют следующие важные особенности:

1. число параметров, которыми описывается сложная система весьма велико. Многие из этих параметров не поддаются количественному описанию и измерению.

2. цели управления не поддаются формальному описанию без существенных упрощений.

3. трудно или даже не возможно дать строгое формальное описание сложной системы управления.

По степени определенности системы разделяются на:

2. вероятностные (стохастические).

В детерминированной системе по ее предыдущему состоянию и некоторой дополнительной информации можно вполне определенно предсказать ее последующее состояние.

В вероятностной системе на основе ее предыдущего состояния и дополнительной информации можно предсказать лишь множество будущих состояний и определить вероятность каждого из них.

1. Простая детерминированная система – автопилот.

2. Сложная детерминированная система – ЭВМ.

3. Простая вероятностная система – система контроля качества продукции.

4. Сложная вероятностная система – производственное предприятие.

По виду объекта управления АСУ делят на:

o АСУТП (технологический процесс),

o АСУП (предприятие),

o САПР (процесс проектирования),

o АСНИ (процесс научного исследования),

o ГИС (системы, в которых для описания объекта, или его элементов, используется географическая информация).

Автоматизация — одно из направлений научно-технического прогресса, применение саморегулирующих технических средств, экономико-математических методов и систем управления, освобождающих человека от участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации, существенно уменьшающих степень этого участия или трудоёмкость выполняемых операций. Требует дополнительного применения датчиков (сенсоров), устройств ввода, управляющих устройств (контроллеров), исполнительных устройств, устройств вывода, использующих электронную технику и методы вычислений, иногда копирующие нервные и мыслительные функции человека. Наряду с термином автоматический, используется понятие автоматизированный, подчеркивающий относительно большую степень участия человека в процессе.

· организация, планирование и управление;

· бизнес-процессы и многое другое.

Цель автоматизации — повышение производительности труда, улучшение качества продукции, оптимизация управления, устранение человека от производств, опасных для здоровья. Автоматизация, за исключением простейших случаев, требует комплексного, системного подхода к решению задачи, поэтому решения стоящих перед автоматизацией задач обычно называются системами, например:

· система автоматического управления (регулирования) (САУ или АСР));

· система автоматизации проектных работ (САПР);

· автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) и др.

Автоматизация технологического процесса — совокупность методов и средств, предназначенная для реализации системы или систем, позволяющих осуществлять управление самим технологическим процессом без непосредственного участия человека, либо оставления за человеком права принятия наиболее ответственных решений. Как правило, в результате автоматизации технологического процесса создаётся АСУ ТП. Основа автоматизации технологических процессов — это перераспределение потоков вещества и энергии в соответствии с принятым критерием управления (оптимальности). Цели достигаются посредством решения следующих задач автоматизации технологического процесса:

· улучшение качества регулирования;

· повышение коэффициента готовности оборудования;

· улучшение эргономики труда операторов процесса;

· хранение информации о ходе технологического процесса и аварийных ситуациях.

Решение задач автоматизации технологического процесса осуществляется при помощи:

· внедрения современных методов автоматизации;

· внедрения современных средств автоматизации.

Автоматизация технологических процессов в рамках одного производственного процесса позволяет организовать основу для внедрения систем управления производством и систем управления предприятием.

В связи с различностью подходов различают автоматизацию следующих технологических процессов:

· автоматизация непрерывных технологических процессов (Process Automation );

· автоматизация дискретных технологических процессов (Factory Automation );

· автоматизация гибридных технологических процессов (Hybrid Automation ) и др.

Автоматизированная система управления или АСУ — комплекс аппаратных и программных средств, предназначенный для управления различными процессами в рамках технологического процесса, производства, предприятия. АСУ применяются в различных отраслях промышленности, энергетике, транспорте и т. п. Термин автоматизированная, в отличие от термина автоматическая подчеркивает сохранение за человеком-оператором некоторых функций, либо наиболее общего, целеполагающего характера, либо не поддающихся автоматизации.

Основные понятия о автоматизированной системе управления (АСУ). АСУ — это человеко-машинная система, обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку информации, необходимый для оптимизации управления в различных сферах человеческой деятельности. Различают АСУ производственного и организационного типа.

К АСУ производственного типа относят: автоматизированные системы управления предприятиями (АСУП, MES – systems), автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) и интегрированные АСУ (ИАСУ).

1. доминирующее значение в АСУ имеют экономические задачи управления задачи снабжения, реализации, управления финансовыми средствами, трудовыми ресурсами, бухгалтерский учет и статическая отчетность.

2. в АСУП используются специфические формы хранения и движения информации – документооборот; в качестве управляющих воздействий в АСУП выступают документы в виде приказов, распоряжений, графиков, отчетов и т.д.;

3. реализация управляющих воздействий возлагается на рабочих и служащих;

Особенности АСУ ТП:

1. в АСУ ТП применяется большой объем технических средств (АСУП использует большинство вычислительных процессов).

2. АСУП может быть отнесена к классу АСУ ТП только в том случае, если система осуществляет воздействие на объект в том же темпе, что протекающие в нем технологические процессы. Другими словами АСУ ТП функционирует в режиме реального времени.

3. цель функционирования АСУ ТП – оптимизация работы объекта управления путем формирования и реализации управляющих воздействий.

АСУП и АСУ ТП могут функционировать самостоятельно, либо могут объединяться в одну систему, которая называется интегрированная АСУ (ИАСУ).

Совокупность технологического оборудования и реализуе­мого на нем технологического процесса является технологическим объектом управления (ТОУ). Человеко-машинную систему, обеспечивающую автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимального управления в различных сферах человеческой деятельности, называют ав­томатизированной системой управления (АСУ).

АСУТП называют АСУ для выработки и реализации управ­ляющих воздействий на ТОУ в соответствии с принятым кри­терием управления — показателем, характеризующим качество работы ТОУ и принимающим определенные значения, в зави­симости от используемых управляющих воздействий. Совокуп­ность совместно функционирующих ТОУ и АСУТП образует автоматизированный технологический комплекс (ATK).

АСУТП отличаются от локальных систем автоматизации более совершенной организацией потоков информации; практически полной автоматизацией процессов получения, обработ­ки и представления информации; возможностью активного диалога оперативного персонала с УВМ в процессе управления для выработки наиболее эффективных решений; более высокой степенью автоматизации функций управления, включая пуск и остановку производства.

От систем управления автоматическими производствами типа цехов и заводов-автоматов (являющихся высшей сту­пенью автоматизации) АСУТП отличается значительной сте­пенью участия человека в процессах управления. По мере технического совершенствования технологических объектов и развития АСУТП эти различия уменьшаются. B настоящее время переход к более полной автоматизации тормозится несо­вершенством технологических процессов (наличием немехани­зированных технологических операций, низкой надежностью технологического оборудования и т. п.), недостаточной надеж­ностью средств автоматизации и вычислительной техники, труд­ностями математического описания задач, решаемых человеком в АСУТП, и другими причинами. Сформированы основные представления об АСУТП, их функциях и принципах построе­ния; созданы документы, регламентирующие порядок их раз­работки, производства, внедрения и эксплуатации. Каждая АСУТП характеризуется целью управления, функциональной, технической и организационной структурами.

При построении АСУТП необходимо обеспечить разумное сочетание цели ее функционирования (задаваемой критерием управления) и множества взаимосвязанных функций, достаточ­ного для достижения главной цели.

Глобальная цель управления ТОУ с помощью АСУТП со­стоит в поддержании экстремального значения критерия управ­ления при выполнении всех условий, определяющих множество допустимых значений управляющих воздействий. Прямое ре­шение такой задачи оптимального управления возможно лишь для относительно простых ТОУ. B большинстве же случаев приходится производить декомпозицию глобальной цели управ­ления на ряд частных целей; для достижения каждой из них требуется решение более простой задачи управления меньшей размерности.

Функцией АСУТП называют действия системы, направлен­ные на достижение одной из частных целей управления’. Част­ные цели управления, как и реализующие их функции, нахо­дятся в определенном соподчинении, образуя функциональную структуру АСУТП. Элементами этой структуры являются от­дельные функции, связи между которыми указывают порядок их выполнения. Функции АСУТП делятся на информационные, управляющие и вспомогательные.

K информационным функциям относятся те, цель которых — сбор, преобразование и хранение информации о состоянии ТОУ, представление этой информации оперативному персоналу или передача ее для последующей обработки. Основными ин­формационными функциями являются: первичная обработка информации о текущем состоянии ТОУ; обнаружение откло­нений технологических параметров и показателей состояния оборудования от установленных значений; расчет значений неизмеряемых величин и показателей (косвенные измерения, расчет ТЭП, прогнозирование и т. д.); оперативное отображе­ние и регистрация информации, обмен информацией с опера­тивным персоналом; обмен информацией со смежными и выше­стоящими АСУ.

Управляющие функции обеспечивают поддержание экстре­мального значения критерия управления в условиях изменяю­щейся производственной ситуации. Они делятся на две груп­пы: первые служат для определения оптимальных управляющих воздействий, при которых поддерживается оптимальный (или близкий к нему, т. е. рациональный) режим технологического процесса; ко второй группе относятся функции, обеспечиваю­щие реализацию этого режима путем формирования управляю­щих воздействий на ТОУ. Управляющие функции второй груп­пы соответствуют традиционным функциям локальных систем автоматизации — регулированию (стабилизации или программ­ному регулированию) и программно-логическому управлению технологическими процессами.

В общей структуре автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУТП) (см. рисунок 1.1) объектом служит как отдельный производственный агрегат, так и некоторый взаимосвязанный их комплекс (отделение, установка, поточная линия, участок цеха или цех). На выходах и выходах объекта располагаются датчики Д1. ДN (первичные и вторичные измерительные преобразователи) измерения технологических параметров, как источники оперативной информации о состоянии технологического объекта управления (ТОУ). Входы ТОУ оборудуются исполнительными механизмами ИМ1. ИМK. (воздействующими на регулирующие органы) для ввода управляющих воздействий, вырабатываемых УВК. или в простых случаях программируемый микропроцессорным контроллером (Programming Logical ControollerPLC ). Часто, с целью повышения надежности возможен вариант, когда управляющие воздействия подается не непосредственно на объект, а на задатчики локальных АСР или на вход локальных PLC. Тогда систему управления называют двухуровневой. Изображенный на рисунке 1.1 коммутатор служит для переключения входных (информационных) и выходных (управляющих) каналов связи, а специальное устройство сопряжения с объектом (УСО ) предназначено для преобразования информационных и управляющих сигналов посредством ЦАП и АЦП. На рисунке показано: данные — это задания технологичного регламента, нормативно — справочная информация, настройки и др.; программы – это компоненты программного обеспечения, обеспечивающие выполнение всех функций АСУТП. В зависимости от типа АСУТП, оператор может принимать участие в выработке управляющих воздействий или только выполнять функции наблюдения. Используется также понятие автоматизированный технологический комплекс (АТК ) – это совокупность ТОУ и АСУТП.

Классификация систем управления

Рисунок 1.1 — Пример структуры промышленной системы управления

Для УВК, как цифрового вычислительного устройства входные и выходные сигналы имеют вид цифровых кодов. В то же время от датчиков поступают сигналы в аналоговой форме, то есть в виде непрерывно изменяющихся токов или напряжений. Для преобразования таких сигналов в цифровую форму служат аналого-цифровые преобразователи (АЦП ), а преобразование цифровой информации с выхода компьютера в аналоговые силовые воздействия (достаточно мощные токи и напряжения для привода ис­полнительных механизмов) существуют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП ).

Многие проекты автоматизированных систем контроля и управления для большого спектра областей применения используют сетевую схему их реализации, представленную на рисунке 1.2. Как правило, этодвухуровневые (распределенные)системы. Специфика каждой конкретной системы управления определяется используемой на каждом уровне программно — аппаратной платформой.

Нижний уровень — уровень объекта (контроллерный, уровень PLC, ЛСА ) — включает различные датчики для сбора информации о ходе технологического процесса, электроприводы и исполнительные механизмы для реализации регулирующих и управляющих воздействий. Датчики поставляют информацию УВК верхнего уровня и локальным PLC, которые могут выполнять функции сбора и обработки информации о параметрах ТОУ и управления ТОУ или чаще только функции управления электроприводами и другими исполнительными механизмами или выполнения задач автоматического логического управления и др. Так как информация в PLC или в интеллектуальных датчиках предварительно обрабатывается и частично используется на месте, существенно снижаются требования к пропускной способности каналов связи. На рынке представлены многие десятки и даже сотни типов PLC, способных обрабатывать от нескольких переменных до нескольких сот переменных. К аппаратно-программным средствам контроллерного уровня управления предъявляются жесткие требования по надежности, времени реакции на исполнительные устройства, датчики и т.д. Программируемые логические контроллеры должны гарантированно откликаться на внешние события, поступающие от объекта, за время, определенное для каждого события.

Информация с локальных контроллеров может направляться в сеть диспетчерского пункта непосредственно, а также через контроллеры и/или УВК верхнего уровня (см. Рисунок 1.2). В зависимости от поставленной задачи контроллеры верхнего уровня (концентраторы, интеллектуальные или коммуникационные контроллеры) реализуют различные функции. Некоторые из них это: сбор данных с локальных контроллеров; обработка данных, включая масштабирование; поддержание единого времени в системе; синхронизация работы подсистем; организация архивов по выбранным параметрам; обмен информацией между локальными контроллерами и верхним уровнем; работа в автономном режиме при нарушениях связи с верхним уровнем; резервирование каналов передачи данных и др.

Верхний уровень — диспетчерский пункт (ДП) — включает, прежде всего, одну или несколько станций управления (УВК), представляющих собой автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера/оператора. Здесь же может быть размещен сервер базы данных, рабочие места (компьютеры) для специалистов и т. д. Часто в качестве рабочих станций обычно используются ПЭВМ типа IBM PC различных конфигураций. Станции управления предназначены для отображения хода технологического процесса и оперативного управления. Эти задачи призваны решать SCADA — системы. При решении задач реализации (построения) АСУТП обычно используются специализированные программные пакеты, которые достаточно условно можно разбить на два подмножества:

1). CASE –средства (Computer Aided Software Engineering ). предназначенные для программирования задач, реализуемых подсистемами нижнего уровня АСУТП на промышленных микроконтроллерах (PLC);

2). SCADA –системы, которые предназначены для автоматизированного конфигурирования АСУТП из таких элементов как микроконтроллеры, компьютеры, технологические станции и т. д. и программирования задач отнесённых к SCADA – уровню. SCADА — это специализированное программное обеспечение, ориентированное на обеспечение интерфейса между диспетчером и системой управления, а также коммуникацию с внешним миром. Спектр функциональных возможностей определен самой ролью SCADA в системах управления и реализован практически во всех пакетах. Это обычно: автоматизированная разработка, дающая возможность создания ПО системы автоматизации без реального программирования; средства исполнения прикладных программ; сбор первичной информации от устройств нижнего уровня; обработка первичной информации; регистрация алармов и исторических данных; хранение информации с возможностью ее пост-обработки (как правило, реализуется через интерфейсы к наиболее популярным базам данных); визуализация информации в виде мнемосхем, графиков и т.п.; возможность работы прикладной системы с наборами параметров, рассматриваемых как единое целое.

Рассматривая обобщенную структуру систем управления, следует ввести и еще одно понятие — Micro-SCADA. Micro-SCADA — это системы, реализующие стандартные (базовые) функции, присущие SCADA — системам верхнего уровня, но ориентированные на решение задач автоматизации в определенной отрасли (узкоспециализированные). В противоположность им SCADA — системы верхнего уровня являются универсальными. Одной из основных задач, решаемых ими, является обеспечение высокого уровня сервиса при представлении информации о процессе. Поэтому иногда SCADA–пакеты, предназначенные главным образом для визуализации и удобного представления информации, получили название MMI — систем (Man Machine Interface ) или HMI. На рисунке 1.3 приведена также функциональная схема управления, в которой SCADA–система представлена как ядро АСУТП, а всё остальное условно отнесено к АСУП.

Рисунок 1.2 — Обобщенная схема реализации АСУТП

В некоторых отраслях промышленности, существует значительная неопределенность в различиях между SCADA — системами и DCS — распределенными системами управления (англ. Distributed Control System — распределённая система управления). Вообще говоря, понятие SCADA обычно применяется к системе, которая координирует, но не управляет процессами в режиме реального времени. Дискуссия по управлению в реальном времени замутнена усовершенствованием телекоммуникационных технологий. Это дает надежный, с малыми задержками, высокоскоростной обмен данными на большие расстояния. Большинство различий между SCADA и DCS установлено человеком и обычно может игнорироваться. По мере развития инфраструктуры коммуникации различия между SCADA и DCS стираются.

Распределённые системы управления (англ. Distributed Control System, DCS) — системы управления технологическим процессом, характеризующаяся построением распределённой системы ввода вывода и децентрализацией обработки данных будут рассмотрены нам в лекции 6, а вопросы, связанные со SCADA- системами – в лекции 5.

На рисунке 1.4 показан фрагмент примера схемы, отображающей структуру АСУТП

Рисунок 1.3 — Типичная функциональная схема управления технологическим процессом

Определение, состав и основные принципы проектирования АСУП и интегрированных АСУ (ИАСУ). Промышленное предприятие предназначено для организации, обеспечения и проведения производственного процесса изготовления определенного вида продукции.

В составе предприятия можно выделить следующие составляющие:

· производственные подразделения, непосредственно участвующие в производственном процессе;

· службы управления, планирующие, контролирующие и корректирующие работу производственных подразделений.

Цехи основного производства делятся на заготовительные, обрабатывающие, сборочные. Они участвуют в производстве как основного вида продукции предприятия, так и не основного, но оба эти вида составляют товарную продукцию.

Цехи вспомогательного производства выпускают продукцию, необходимую для обеспечения основного производственного процесса. К цехам и службам вспомогательного производства относятся:

· служба главного механика, обеспечивающая энергоснабжение предприятия (электрической энергией, сжатым воздухом и т.д.);

· транспортный цех и др.

Службы технического управления обеспечивают техническую подготовку производства, к ним относятся:

· отдел главного конструктора, обеспечивающий производственный процесс технической документацией;

· отдел главного технолога, обеспечивающий производственный процесс технологической документацией.

Оба эти отдела подчиняются главному инженеру предприятия. Службы экономико-финансового управления обеспечивают долгосрочное планирование предприятия (менеджмент), сбыт и реализацию готовой продукции (маркетинг). Ядро этой службы составляет планово-экономический отдел, возглавляемый главным экономистом предприятия.

Службы планово-диспетчерского управления обеспечивают оперативное (краткосрочное) планирование работы основных и вспомогательных цехов, учет незавершенного производства и готовой продукции, материально-техническое обеспечение производственного процесса. Ядро этой службы составляет планово-диспетчерский отдел (ПДО), возглавляемый главным диспетчером предприятия.

Рисунок 1.4 – Пример фрагмент схемы, отображающей структуру АСУТП

Службы административно-хозяйственного управления обеспечивают бухгалтерский учет и решают вопросы труда и заработной платы сотрудников предприятия. Кроме того, они обеспечивают учет и подготовку кадров (отдел кадров), хозяйственную деятельность предприятия (отдел капитального строительства, жилищно-коммунальный отдел, столовая, поликлиника и др.)

Предприятие возглавляет директор (генеральный директор), его заместителями являются руководители служб управления:

• технический директор (главный инженер),

• зам. директора по экономике (главный экономист),

• зам. директора по производству (главный диспетчер),

• зам. директора по административно-хозяйственной деятельности.

Начальники основных и вспомогательных цехов подчиняются непосредственно директору предприятия или зам. директора по производству. Казанная здесь структура предприятия и взаимоподчиненность является обобщенной и может отличаться в условиях конкретного предприятия.

Промышленное предприятие с его сложной структурой и многочисленными производственно-экономическими внутренними связями представляет собой наиболее сложный объект управления. По своей размерности он в несколько порядков может превосходить объекты управления других видов АСУ. Поэтому необходимость автоматизации функций управления этим объектом очевидна, что и является побудительным мотивом к разработке АСУП.

АСУП – организационно-технический комплекс, обеспечивающий организацию управления промышленным предприятием на базе использования экономико-математических методов и ЭВМ, включающий в ограниченной степени выработку и принятие установленных человеком решений. Т.е. АСУП представляет собой человеко-машинную систему, обеспечивающую автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления предприятием как автономно, так и в составе АСУ производственным объединением.

• АСУП предназначена для достижения следующих основных целей:

• повышение уровня производства путем более полного и рационального использования производственных мощностей; трудовых, материальных и денежных ресурсов, сокращение сроков подгонки производства к выпуску новых изделий;

• сокращение запасов незавершенного производства;

• освобождение управленческого персонала от трудоемких расчетных работ;

• улучшение качества принимаемых решений и обеспечения оперативности руководства.

С точки зрения технологии функционирования АСУП решает три основных проблемы:

• получения и передачи информации об управляемом объекте;

• переработки этой информации в соответствии с заданной целью;

• выдачи управляющих воздействий на данный объект управления;

Как мы рассмотрим далее интегрированная АСУ (ИАСУ) это совместно работающие АСУ и АСУТП.

1. Автоматическое управление в химической промышленности: Учебник ВУЗов./Под ред. Е.Г.Дудникова. — ML: Химия, 1987. 168 с, ил.

2. Дорф Р. Бишоп Р. Современные системы управления. М. Лаборатория Базовых Знаний, 2002. 871с.

3. Федоров Ю.Н. Справочник инженера по АСУТП: Проектирование и разработка. – M. Инфра-Инженерия, 2008. – 928 с.

4. Нестеров А.Л. Проектирование АСУТП: Методическое пособие. Книга 1. – СПб. Издательство ДЕАН, – 2006. – 757 с

5. Нестеров А.Л. Проектирование АСУТП: Методическое пособие. Книга 2. – СПб. Издательство ДЕАН, – 2009. – 944 с

5.189.137.82 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам.

Существует много различных подходов к классификации систем.

Напри­мер, классификация может основываться на взаимодействии с внеш­ней средой:

1). Изолированная система. Границы такой системы закрыты для экспор­та и импорта вещества и энергии (или информации).

2). Закрытая система. Границы ее препятствуют экспорту и импорту вещества, но открыты для энергии (или информации).

3). Открытая система. Такая система обменивается и веществом, и энер­гией (информацией) с внешней средой. Все управленческие системы явля­ются открытыми, хотя при анализе мы иногда рассматриваем их как закры­тые, игнорируя всякое взаимодействие с внешней средой.

По возможности адаптации к изменению параметров окружающей среды системы делятся на:

1). Системы с адаптацией;

2). Системы с отсутствием адаптации.

Адаптивная система может “адаптироваться” к изменениям среды таким образом, что создается впечатление, что отсутствуют изменения среды. Конечно, это отно­сится к тем изменениям, которые происходят во внешней среде и не касают­ся внутренних проблем фирмы.

По способности возвращаться в исходное состояние системы делятся на:

1) Устойчивые системы;

2) Неустойчивые системы.

Экономисты часто говорят об экономических системах, находящихся в состо­янии равновесия. В таких системах при действии на них возмущающих факторов со стороны внешней или внутренней среды, система возвращается к заданным значениям параметров, определяющим ее эффективность работы. Причем эти параметры должны находиться в определенных диапазонах значений. В настоящее время в качестве таких параметров чаще всего рассматривают показатели эффективности, определяемые при использовании сбалансированной системы показателей [6].

По наличию обратной связи системы делятся на:

На рисунке 2.1 представлена система управления с обратной связью. В системах управления любой физической природы обратная связь служит для обеспечения сравнения некоторого параметра на выходе системы с его заданным значением. В некоторых системах обратная связь имеет устройство обратной связи (УОС). Назначение УОС – преобразовывать значения выходного параметра (А) в величину такой физической природы (А`), которую можно сравнивать с заданным значением ( D ).

Регулирование является частным случаем управления, при котором желаемой течение процесса обеспечивается путем стабилизации одного или нескольких параметров (переменных) относительно их заданных значений. Системы с такими алгоритмами работы принято называть системами регулирования или контроля. Применительно к социально – экономическим системам чаще используется термин “система контроля”. Как показано на рисунке 2.1, сигнал рассогласования Е определяется как разность D – A `. Само устройство, где определяется эта разность принято называть “сравнивающим устройством”. Обратите внимание, что для получения разности обратная связь должна быть отрицательной. В системах могут присутствовать местные обратные связи, охватывающие отдельные элементы, которые могут быть как положительными, так и отрицательными, но главная обратная связь, обеспечивающая сравнение выхода с входом системы всегда выполняется отрицательной. Если A выходит за границы допустимого, т. е. фактическое выполнение выше или ниже заданного значения, то это рассогласование должно быть устранено с помощью субъекта управления (СУ), который вырабатывает корректирующее воздействие Z. которое поступает на объект управления (ОУ). Мы более подробно рассмотрим эти вопросы позже, когда будем рассматривать вопросы управления процессами с помощью цикла Деминга – Шухарта.

Контроль (регулирование) имеет место везде, где фактическое значение сравнивается с заданным, при условии, что цель состоит в уменьшении разности между этими двумя величинами. Так, если D обозначает предполагаемые затраты по про­дукту или процессу, то она называется нормативом затрат и E есть отклоне­ние. Если D связана с ожидаемыми затратами отделения или всей компании, то ее можно рассматривать как бюджет, а формула E = D — A представляет про­цесс контроля за исполнением бюджета. В общем случае D может соответствовать стратегии развитии компании, обеспечивающий ее переход из состояния, соответствующего миссии компании, в новое состояние, соответствующее ее видению. Количественное выражение этой стратегии может быть реализовано через сбалансированную систему показателей [7]. Причем необходимо будет контролировать, чтобы показатели эффективности реализации стратегии лежали в заданных пределах. В этом случае на входе в систему необходимо будет рассматривать не одну переменную, а несколько (вектор переменных). Переменные Е, D. А, А`, Z будут соответствующими векторами. Система из одноконтурной превратится в многоконтурную. Существует много различных систем управления, и в основе всех их лежит общность подхода, которую не всегда мож­но сразу распознать. Специалист по системному анализу, описывая эту общность, пользуется большим количеством терминов, которые в основном взяты из технической кибернетики и могут быть не всегда понятны, поэтому наша задача состоит в пояснении этих терминов.

Рис. 2.1. Система с замкнутым контуром и отрицательной обратной связью

Для оценки эффективности систем управления формируются различные критерии эффективности, которые позволяют судить о степени достижимости цели. Эти критерии мы рассмотрим в следующих разделах.

Существуют системы с открытым контуром управления, в которых обратная связь отсутствует. Например, если в некоторой системе фактическая температура отклоняется от 70°, то устройство управления включает или выклю­чает печь. Если бы вход видоизменялся в результате непосредственного восприятия реальных возмущающих воздействий вне помещения, то система была бы открытой. Системы с открытым контуром могут быть более эффективными в определенных хозяйственных ситуациях, так как в отличие от систем, в которых регулирование осуществляется на основе значений ошибки, они теоретически могут осуществлять более совершенный контроль.

В комбинированных системах имеется обратная связь, но в них присутствует также канал, с помощью которого парируют вредное влияние одного из возмущающих воздействий.

По наличию или отсутствию в контуре управления лица принимающего решения (ЛПР), системы делятся на:

· автоматизированные, в которых присутствует ЛПР;

· автоматические, в которых отсутствует ЛПР и процесс управления происходит в автоматическом режиме.

В качестве ЛПР в системах, предназначенных для управления сложными экономическими объектами, можно рассматривать административно-управленческий аппарат предприятия.

Существуют и другие классификации систем. Мы рассмотрели только основные.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *