Управление в системах

Управление можно определить как функцию системы, обеспечивающую либо сохранение ее основных свойств, либо ее развитие в направлении определенной цели, т.е. управление неразрывно связано с системой и без нее не существует.

Система управления (рис.1.1) – это совокупность объекта управления (ОУ), управляющей структуры (УС) и исполнительной структуры (ИС). В системе управления выделяют две подсистемы: управляющую, которая содержит управляющую и исполнительную структуры, и управляемую с объектом управления.

 

Рис.1.1. Структурная схема системы управления

 

На схеме обозначено: И_вх – входная информация о том, в каком состоянии должен находиться объект управления; И_ос – информация обратной связи о состоянии объекта управления; И_у – управляющая информация; V – внешнее возмущение (воздействие со стороны внешней среды); U – управляющее воздействие.

Принцип действия. Управляющая структура получает входную информацию и информацию обратной связи, сравнивает их, в результате этого получается управляющая информация, которая поступает в исполнительную структуру. На основе управляющей информации исполнительная структура вырабатывает управляющее воздействие с целью устранения отклонений объекта управления, которые происходят под воздействием внешней среды.

Объектом управления может выступать, например, строительный объект. Тогда управляющей структурой является прораб стройки и исполнительной структурой – рабочие.

Следовательно, для работы системы управления необходима информация. Входная информация сообщает управляющей структуре о множестве возможных состояний объекта управления и о том, в каком состоянии должен находиться объект управления при заданных внешних возмущениях. Входная информация обязательно должна содержать информацию о цели управления, выраженную критерием оптимальности или целевой функцией, так как управление – это процесс целенаправленный переработки информации и без цели управление бессмысленно.

Различают системы автоматического управления (САУ) – без участия человека, и системы автоматизированного управления – с участием человека. Автоматическое управление обычно осуществляется в простых системах, когда заранее известно описание объекта.

С ростом и усложнением производства объекты управления представляют собой сложные системы и здесь возможно осуществлять только автоматизированное управление. В контур управления включаются компьютер и человек – лицо, принимающее решение (ЛПР). Структурная схема такой системы управления приведена на рис. 1.2.

 

Рис. 1.2. Структурная схема автоматизированной системы

Управления

 

ЛПР получает информацию И_ос о состоянии объекта управления и вводит ее в компьютер И_вх. Компьютер с помощью соответствующего программного обеспечения (ПО) вырабатывает некоторое множество вариантов управления и выдает их И_вых лицу, принимающему решению. ЛПР анализирует их, принимает решение и в виде управляющей информации И_у передает в исполнительную структуру. ИС вырабатывает соответствующее управление U, которое переводит ОУ в необходимое состояние.

Тема 2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ

ОБСЛУЖИВАНИЯ

 

Развитие науки, техники, экономики, транспорта и связи привело к необходимости иметь дело с большими системами, обладающими определенной целостностью. К таким системам можно отнести крупное предприятие, крупный аэропорт, телефонный узел и др. Естественно, что во всех этих системах возникают многочисленные задачи, отражающие специфику конкретной системы и целей, которые ставит перед собой руководство этой системой. Однако в этом огромном разнообразии индивидуальных особенностей выявляются и задачи общего характера, свойственные многим сложным системам самой разнообразной природы. Следовательно, можно разработать единую методику проектирования и планирования развития систем. Основная проблема при этом – определение и исследование внутренних и внешних связей. Решается проблема на основе системного подхода и системного анализа.

Народное хозяйство страны можно представить в виде совокупности систем обслуживания. Системой обслуживания (СО) условно назовем совокупность производственного персонала, машин, устройств или сооружений, предназначенных для выполнения всего множества работ или услуг, определенных на уровне решения однотипных задач экономики в масштабе страны.

К системам обслуживания относятся системы организаций:

· выпускающих одноименную продукцию (например, строительно-дорожные машины, железобетонные или металлические конструкции, автомобили и т.д.);

· обеспечивающих население водой, газом и пр.

· торговых предприятий, банков, медицины, связи;

· учебных заведений, готовящих специалистов определенного профиля;

· транспортных перевозок пассажиров и др.

Системы обслуживания разделяют на два класса: системы, выпускающие продукцию, и системы, выполняющие услуги. Таким образом, система обслуживания – это совокупность технических средств и производственного персонала любой под отрасли народного хозяйства.

Создание СО, оптимальным образом обслуживающей потребности народного хозяйства, возможно только при системном подходе к решению проблемы. Особенности системного подхода по сравнению с традиционным подходом:

¨ Необходимость совместного проектирования и планирования производства продукции и вспомогательных устройств, образующих комплекс технических средств СО. Необходимо, прежде всего, точно определить все множество отдельных работ, которое она должна выполнять. Для этого системный подход предусматривает разделение всего народного хозяйства на два взаимодействующих компонента – проектируемую (изучаемую) СО и среду, в качестве которой рассматривают все остальные СО народного хозяйства.

¨ Системный подход основан на принципе возникновения, развития и вырождения отдельных СО, т.е. в процессе непрерывного взаимодействия СО одни из них интенсивно развиваются, вторые стабильно функционируют, третьи зарождаются, четвертые отмирают.

¨ Системный подход предусматривает всестороннее изучение законов развития среды и способов использования новых научных идей в проектируемых системах, что позволяет прогнозировать пути их совершенствования, т.е. проектируемая система должна быть открытой.

¨ Системный подход предусматривает при выборе критерия качества ориентироваться на то, что проектируемая система должна способствовать повышению эффективности всей национальной экономики. При этом эффективность следует рассчитывать для полного жизненного цикла системы.

Системы массового обслуживания (СМО) предназначены для многократного проведения некоторой однотипной элементарной операции, которую называют операцией обслуживания. При обслуживании очень важно качество обслуживания и как это обслуживание организованно. Организационная сторона процесса обслуживания характеризуется различными показателями:

· временем ожидания начала обслуживания;

· длиной очереди;

· возможностью получения отказа в обслуживании;

· др.

Каждая система массового обслуживания состоит из некоторого числа обслуживающих единиц, которые называют каналами обслуживания. В качестве каналов обслуживания могут быть:

· лица, выполняющие те или иные операции;

· комплекс технических средств;

· приборы;

· линии связи;

· компьютер;

· и т. д.

Всякая СМО может быть представлена некоторой совокупностью однородных устройств – каналов и заявок, нуждающихся в обслуживании.

СМО включает следующие обязательные элементы:

· входящие заявки;

· обслуживающие устройства – каналы;

· обслуживание – процесс выполнения заявок;

· выходящие заявки – обслуженные и не обслуженные.

Кроме того, в СМО некоторых видов в качестве их элемента выступает очередь – заявки, поступившие в систему при занятых каналах и ожидающие начала обслуживания.

Все СМО делятся на два основных вида: одноканальные и многоканальные (рис. 2.1). Различают два основных типа СМО: с отказами и ожиданием. Для систем с отказами характерно, что заявки, поступившие в систему при занятых каналах, получают отказ и выбывают из системы не обслуженными. Такие заявки в дальнейшем функционировании не учитываются. В СМО с очередями заявка не получает отказ, а становится в очередь и обслуживается при освобождении канала.

По характеру ожидания СМО делятся на две большие группы: с неограниченным и ограниченным временем ожидания. В первом случае заявка находится в очереди до тех пор, пока не будет обслужена. Во втором случае заявка после определенного срока ожидания выбывает из очереди не обслуженной. СМО с ограниченным временем ожидания является смешанной.

 

 

Рис.2.1. Классификация систем массового обслуживания

 

По характеру обслуживания СМО делятся на три группы. В группе СМО со случайным обслуживанием при освобождении очередного канала из очереди случайным образом выбирается любая заявка, т.е. предполагается равнозначность всех заявок. В СМО с упорядоченным обслуживанием заявки выбираются из очереди в порядке поступления. В СМО с приоритетным обслуживанием первыми выбираются из очереди заявки с большим приоритетом. Например, при одновременном выходе из строя того или иного оборудования первым будет ремонтироваться то, которое более важно для производства.

По характеру функционирования различают разомкнутые и замкнутые системы. В разомкнутых системах количество заявок неограниченно и не зависит от состояния самой системы. В замкнутых системах общее количество заявок ограниченно и возможности поступления новых зависит от того, сколько их уже находится в системе (обслуживается и ожидает обслуживания).

 

Тема 3. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ

 

3.1. Взаимодействие СО с внешней средой

Прежде чем приступить к проектированию системы обслуживания, необходимо определить ее место в общей системе народного хозяйства.

Система обслуживания является сложной системой управления. Рассмотрим структурную схему взаимосвязи СО с внешней средой, представляемой смежными системами обслуживания народного хозяйства (рис. 3.1). Обозначения на схеме: ПП СО – производственные подразделения системы обслуживания; УС – управляющая структура (отделы управления); ИС – исполнительная структура (отделы снабжения); СП – склад продукции; С – снабжение; И – информация; И_ос – информация обратной связи; U -управление.

 

Рис. 3.1. Структурная схема взаимодействия СО и среды

Систему обслуживания можно представить как часть народного хозяйства, предназначенную для преобразования некоторых входных потоков в однородные выходные потоки продукции или услуг, которые необходимы для успешного решения народнохозяйственных задач. Входные потоки СО – это материальные (МП), энергетические (ЭП), информационные (ИП) потоки и труд работников (трудовые ресурсы ТР), участвующих в производственном процессе. Выходные потоки СО – это поток однородной продукции (П) или множество однородных услуг и отходы.

Каналы, по которым в систему обслуживания поступают входные потоки, называют входами СО. Выходами СО называют каналы, через которые из системы обслуживания в среду поступают продукция или услуги, вырабатываемые СО.

Материальные потоки из среды в УС представляют собой финансы и фонды, а материальные потоки из среды в ИС – сырье, материалы, комплектующие изделия и основные фонды. Материальные потоки от СО к среде содержат готовую продукцию или услуги и отходы использованных ресурсов.

Информационные потоки из среды в УС содержат сведения:

· о потребности народного хозяйства в этом типе продукции или услуг;

· о новых фундаментальных открытиях и технологических принципах, способствующих дальнейшему развитию СО;

· об управлениях и располагаемых ресурсах.

От системы обслуживания в среду поступает информация о качестве и количестве вырабатываемой продукции или услуг и необходимых ресурсах. Входные и выходные потоки характеризуют производственную деятельность СО.

При взаимодействии со средой СО должна функционировать. Функция СО – это совокупность действий, направленных на выполнение заданной ей программы. Управление системы должно обеспечивать ее устойчивость и адаптивность. Устойчивому состоянию СО характерна способность восстанавливать баланс входных и выходных энергетических и материальных потоков. Системы, обладающие свойством адаптации, изменяют свою программу и структуру так, чтобы расширить область устойчивости и обеспечить функционирование системы в новых условиях при значительных изменениях в среде и системе.

3.2. Жизненный цикл системы обслуживания

На стадии проектирования требуется планировать жизненный цикл проектируемого объекта. Жизненный цикл СО или изделия - время от момента начала разработки проекта до момента снятия с эксплуатации. В таблице 3.1 приведены этапы жизненного цикла.

 

Таблица 3.1. Этапы жизненного цикла

Этап	Годы (условно)
									…
Подготовительная стадия (НИР)
Техническая подготовка производства, в том числе: эскизный проект технический проект
Изготовление опытного образца
Пробная эксплуатация
Отработка конструкции
Серийное производство изделий
Промышленная эксплуатация (срок физической амортизации условно 10 периодов)										…
Период подготовки
Период экономической полноценности изделия
Период экономически полноценной эксплуатации
Период морального старения

Анализ периодов жизненного цикла изделий показывает, что при традиционном проектировании много времени занимает период подготовки. Нельзя ли сократить время разработки проекта за счет автоматизации проектирования?

3.3. Возможность автоматизации процесса проектирования

Анализ существующих СО свидетельствует о том, что проектирование на базе типовых решений (по имеющемуся образцу) не решает проблему создания экономичных и надежных в эксплуатации систем обслуживания. Без качественной перестройки проектной деятельности невозможно коренным образом повысить технический уровень и качество проектируемых объектов, а также сократить сроки и трудоемкость проектирования. Нужна качественно новая, автоматизированная форма организации проектирования на базе математических методов и средств компьютерной техники с сохранением преимуществ традиционного проектирования.

Решить проблему резкого сокращения сроков разработки и освоения высокоэффективной техники и технологии можно с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР).

Процесс проектирования – это сложный процесс, включающий совокупность проектно-конструкторских работ, выполняемых в определенной последовательности, начиная от разработки технического задания и заканчивая выпуском рабочих чертежей на изделие. В общем случае этот процесс соответствует алгоритму, изображенному на рис. 3.2.

Анализ работ, указанных в алгоритме, показывает, что процесс проектирования можно ускорить путем автоматизации расчетных и графических работ. В результате труд конструктора станет более интеллектуальным, что будет способствовать поднятию престижа его деятельности.

Современные САПР должны:

· иметь базы данных со справочными характеристиками материалов, прежних технических решений, чертежами конструкций и др. информацией, необходимой проектировщику;

· обеспечивать корректировку баз данных в процессе проектирования;

· осуществлять моделирование (математическое, графическое) отдельных элементов и конструкции в целом;

· содержать программное обеспечение для проведения структурного и параметрического синтеза;

· иметь возможность развития путем подсоединения новых и расширения имеющихся пакетов программ;

· содержать развитые графические подсистемы;

· обеспечивать одновременную работу многих пользователей

 

Рис.3.2. Алгоритм цикла проектно-конструкторских работ

 

САПР является проблемно-ориентированной человеко-машинной системой, в которой на любом этапе проектирования ведется активный диалог между пользователем и компьютером.

3.4. Методология проектирования систем обслуживания

Система обслуживания относится к сложным системам и при ее проектировании необходимо использовать способ декомпозиции к решаемым задачам, т.е. замене малого числа проектных задач чрезмерной сложности большим числом задач допустимой сложности.

Рассмотрим методологию проектирования на базе широкого использования математических методов и средств компьютерной техники с сохранением преимущества традиционного проектирования. На рис. 3.3 представлена качественная картина, характерная для традиционного процесса проектирования.

Анализ графиков подтверждает важность обстоятельного и детального начального поиска, поглощающего всего несколько процентов общей стоимости проекта, но влияющего на все последующие этапы.

На рисунке пунктирной линией изображена тенденция накопления сведений о проекте по мере его проработки. Наглядно видна целесообразность максимального обогащения информацией начального момента завязки проекта, пока не приняты окончательные решения по его реализации, пока есть возможность просмотреть и отбросить многие конкурирующие варианты.

Рис.3.3. Качественная схема проектных работ:

1 – поиск проектного решения; 2 – эскизное проектирование;

3 – техническое и рабочее проектирование;

4 – изготовление опытного образца; 5 – доводка конструкции.

Проектирование – это творческая деятельность, формализовать которую полностью не удается. САПР дает возможность проектировщику просматривать, сопоставлять и анализировать десятки и сотни различных вариантов проектных решений. При автоматизированном проектировании можно математически моделировать поведение проектируемого объекта во внешней среде, не прибегая к дорогостоящим экспериментам на реальных объектах, осуществлять оптимизацию и обоснованно выбирать лучший вариант проектируемой конструкции.

САПР содержит функциональную и обеспечивающую части (рис. 3.4).

К функциональной части САПР относится набор подсистем, удовлетворяющих целям проектирования:

· информационного поиска,

· инженерных расчетов,

· моделирования и оптимизации,

· машинной графики, подготовки технической документации и др.

 

 

Рис.3.4. Структурная схема САПР

 

Обеспечивающая часть САПР - это семь видов обеспечения проектирующих подсистем: техническое, математическое, программное, информационное, лингвистическое, методическое и организационное.

САПР автоматизирует подготовку конструкторской документации. Малопроизводительный метод технологической подготовки производства сводит к минимуму эффективность САПР, поскольку требуется значительный объем «ручного» труда для кодирования входной информации. Поэтому в состав САПР при отсутствии автоматизированной системы технологической подготовки производства (АСТПП) необходимо включить подсистему технологической подготовки производства.

3.5. Интегрированный производственный комплекс и ГАП

Современное производство в рыночных условиях хозяйствования выдвинуло на передний план способность систематически повышать качество и обновлять продукцию. Наиболее перспективным направлением в этом плане является создание гибких автоматизированных производств (ГАП), которые способны быстро перестраиваться на выпуск новой продукции. ГАП должны работать под управлением системы управления (СУГАП), входящей в состав интегрированного производственного комплекса (ИПК), структура которого представлена на рис. 3.5.

 

Рис.3.5. Структура ИПК

 

Состав ИПК:

· АСУП – автоматизированная система управления предприятием;

· АСНИ - автоматизированная система научных исследований;

· САПР – система автоматизированного проектирования;

· АСТПП - автоматизированная система технологической подготовки производства;

· СУГАП – система управления гибким (переналаживаемым) автоматизированным или автоматическим производством;

· АСКИО - автоматизированная система контроля и испытаний объектов;

· МТО – материально-техническое обеспечение;

· БД – база данных.

Соединение отдельных автоматизированных подсистем с помощью локальной компьютерной сети в единую систему, создание программно-информационных интерфейсов и общей базы данных приводит к качественному скачку в производительности труда конструкторов, технологов и организаторов производства, к резкому увеличению подготовленных и обеспеченных заданий для ГАП и, в конечном счете, к росту потока готовой продукции.

Таким образом, в современном производстве должны быть автоматизированы все процессы по созданию изделий, начиная с разработки технического задания (ТЗ).

Создавать такую сложную систему следует поэтапно. В качестве первого этапа целесообразно создать подсистему САПР-АСТПП-ГАП.

На рис. 3.6 приведена общая структурная схема ГАП. Сокращения на схеме означают: ГАЦ, ГАУ, ГАЛ – соответственно гибкий автоматизированный цех, гибкий автоматизированный участок, гибкая автоматизированная линия; ГПМ – гибкий производственный модуль; АТК – автоматические технические комплексы, в том числе транспортные; АСК – автоматические складские комплексы; АИК – автоматические измерительные комплексы; ЧПУ – числовое программное управление; ПР – промышленные роботы.

 

Рис.3.6. Структура ГАП

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: