О возможном развитии структур САУ

Размещено на http://www.allbest.ru/

О возможном развитии структур САУ

Проектирование (организационно-технической) системы основано на предварительном выборе (или построении) представительной (типовой, унифицированной, адекватной целевым реалиям) модели системы [1-3] и последующем формулировании требований, предъявляемых к ней. Формулировка требований - это, по существу, наполнение модели содержательностью тех технических, эксплуатационных и организационных характеристик, которые определяют и фактически гарантируют системе требуемые свойства и параметры в конкретных условиях функционирования. Если это проводится в рамках ОКР (опытно-конструкторских работ), то формат и объём требований, как правило, определяется соответствующими государственными (ГОСТ) [например, 4], отраслевыми (ОСТ) или фирменными (СТП) нормативами. Полнота формируемых требований ориентирована на обеспечение достаточной содержательности модели для конкретных обстоятельств целевого использования создаваемой системы.

Несмотря на известные определения системы [например, 5], в реальности модели систем существенно обуславливаются не столько определениями и даже не столько природой систем, сколько (субъективными) целями (и представлениями) конкретного исследования (исследователя), (субъективно) устанавливающими преимущественную роль тех или иных вещественных, энергетических или информационных характеристик системы, методики их восприятия и обработки [3,6-8]. Это ведёт к появлению специализированных моделей, что, в свою очередь, способствует возникновению потребности в решении вопросов выделения их системного типажа. Типаж как ограниченная совокупность системных компонент играет важную роль в процессе проектирования, поскольку проектирование как таковое - это конструирование изделия из относительно небольшой номенклатуры унифицированных моделей, например, модулей (печатных плат) или «элементов» (микросхем), являющихся техническими «аналогами» этих системных компонент.

Проектирование с использованием унифицированных моделей, во-первых, является основой организации эффективных процессов эксплуатации, гарантируя высокую степень ремонтопригодности системы, и, во-вторых, обеспечивает продуктивность собственного производства посредством возможности внедрения унифицированных технологических процессов, использования единого наладочного и испытательного оборудования, упрощения конструкторско-технологического контроля и сопровождения, снижения нагрузки на обеспечивающие подразделения (материально-техническое снабжение и внешнюю кооперацию предприятия) и т.д. Актуальность поиска системных компонент структур управления обусловлена прежде всего тем, что формулировка системных компонент предшествует созданию унифицированных моделей: надо определиться в том, под что будет создана (объектно-ориентированная) элементная база.

Установление типажа возможно по-разному. Представляется существенно значимым учёт тенденций развития разных направлений по организации систем управления и особенно в таких группах, как САУ и АСУ. Принято считать, что первые моделируют усилия и представления человека в технологических процессах или в «технологиях» жизнедеятельности в границах формального описания целевой функции и структуры системы [9-10]. Вторые - в границах текущего понимания человеком отношений и закономерностей «среда - система», выраженных средствами естественного языка в условиях текуще ограниченных организационных (в том числе и производственных) возможностей и в рамках текущей технической потребности реализации этого понимания [11,12]. Охватывая, вероятно, всё многообразие систем, очевидно, что модели САУ и АСУ по отдельности являются первыми претендентами на роли системных компонент (унифицированных моделей) [3, 8,12-14]. Ретроспективные оценки позволяют, в частности, заметить ряд особенностей в развитии САУ, важных при формировании функций системных компонент.

Направленность рассуждений. В течение нескольких последних десятилетий проектирование и применение САУ распространилось от локальных регуляторов до масштабных систем управления технологическими процессами и производствами, включая робототехнику [например, 15-17]. Заметны отличия ранних [например, 18] и современных [например, 16,19] технических идеологий (подходов) построения САУ, в том числе: автоматический синтез законов управления [20], экспертные технологии в контурах управления [21], распределенные регуляторы [22], распределенное управление [23] и распределенные системы [24], переменные структуры [25], самоорганизующиеся САУ [17] и т.п.

Можно пытаться по-разному объяснять прогресс в методологии. Есть основания полагать, что это связано, в большей степени, с существенным усложнением объекта управления и с переходом к работе в трудно прогнозируемых средах. Сложность объекта управления ставит ряд непростых вопросов, среди которых, вероятно, наиболее существенным является вопрос «ощущения» (фиксирования сигналов и создание образа) управляющим устройством собственно сложного объекта управления [например, 3,6-8,14,16] и тем более, когда «сложность» представляется в контексте концепции интеллектуальных объектов [26-28]. Прагматически это выражается, прежде всего, тем, какая «материальность» сигнала с объекта («вещество-энергия-организация» - кратко ВЭО) фиксируется управляющим устройством: его мгновенные, усредненные, среднеквадратичные, пиковые (максимальные) значения; параметры мощности, энергии, моменты, спектральные значения, спектральные функции (гармоники) [29 - 30] и т.д. От этой зафиксированной «материальности» сигнала зависит, вообще говоря, весь ход последующего (создания образа объекта и) функционирования (замкнутого) контура управления [Рис. 1], обусловленный существенными параметрами контура, его моделями, используемыми языками и инструментальными средствами.

Существенные параметры контура. Различают управляющие и регулируемые параметры. Первые участвуют в формировании управляющих воздействий и определяют их значения. Это те параметры, посредством которых и осуществляется управление. Вторые - те существенные параметры, по которым оценивается содержание объекта, его состояние, поведение, то есть качество функционирования. Очевидно, что выбор существенных параметров обуславливает конкретность системы управления. Более того, каждая ВЭО объекта («материальность» сигнала, фиксируемая с объекта), выбранная для целей управления, будет определяться своим набором или наборами существенных параметров. В этой относительности существенных параметров заключены возможности их широкого выбора. Но в этом кроются и значительные трудности априорного формулирования состава каждой группы существенных параметров для организации требуемого процесса управления. Поэтому важна роль и потребность в компонентах по определению значений регулируемых и управляющих параметров, а также выделению и изменению состава этих параметров [Рис. 2]. При этом язык информационно-энергетического взаимодействия может предназначаться для связи с управляющими воздействиями и для связи с устройством управления посредством регулируемых параметров .

Формирование моделей. Средства формирования моделей для компонент контура управления [Рис. 1] могут быть представлены в виде некоторой взаимодействующей группы специализированных устройств или программно-аппаратного комплекса, реализующего соответствующие лингвистические конструкции и язык формирования. Существенным является не только то, что при любых реализациях в них всегда можно выделить аналог лингвистических конструкций, из которых формируется модель и аналог языка, осуществляющего процесс формирования (изменения, коррекции) моделей. Наиболее важным, по нашему мнению, является стратегия построения моделей. Именно стратегия определяет то, что изменять, когда корректировать, к чему стремиться.

Новые данные об объекте, среде, качестве функционирования системы управления в целом - исходный материал для стратегии формирования. В этом плане стратегия построения моделей является ядром всего комплекса, обеспечивающего формирование моделей. По-видимому, одним из проблемно реализуемых мест стратегии являются, вероятно, значительные сложности создания стратегии, способной начать работу с «пустыми» моделями (с пустого места). Априорно человек должен задать исходную модель, начальную ситуацию, с которой и начнется развиваться процесс управления. Поэтому несомненна полезность средств диалогового формирования начальных моделей и стратегий (как обучение или идентификация объекта) в структуре процесса управления [Рис. 3].

Языки моделирования и имитации. Моделирование и имитация являются центральными событиями во всей структуре процесса управления. В них вырабатываются наиболее подходящие управляющие воздействия, оценивается качество управления, проводится экспериментирование на моделях объекта, среды и устройства управления, принимаются превентивные меры защиты от нежелаемых последствий процесса управления и т.д. В настоящее время в структурах управления при моделировании и имитации оперируют описаниями, представленными на языках, близких к естественным, оперируют с нечетко выраженными понятиями, целями, ситуациями и критериями.

В составе средств для моделирования и имитации основная нагрузка ложится не на языки моделирования и имитации функционирования объектов, а на стратегию моделирования. Какие эксперименты с моделями и в какой последовательности, с какими наборами существенных параметров - это основное содержание стратегии моделирования. Сюда же можно ввести средства коррекции и формирования конструкций языков имитации и моделирования, а также средства диалогового формирования начальных стратегий [Рис. 4].

управление моделирование язык

Полнота инструментальных средств процесса управления. Создаваемые человеком процессы (технического) управления, в любом случае, обуславливаются целеположением более широких (охватывающих) организационных или организационно-технических систем. Причинно-следственное содержание цели в бульшей степени связано с функцией контроля, чем с функцией оперативного управления, с оценкой контролируемой деятельности в целом, чем отдельных технологических процессов. Функция контроля, прежде всего, находит свою реализацию в прогнозирующих процессах экспертной технологии оценивания качества функционирования [31] и поэтому полнота структуры системы управления, несомненно, в целом, достигается учетом моделей экспертных технологий [Рис. 5]. И в таком плане не может быть достаточности инструментальных средств проектирования без учета инструментария для процессов экспертного оценивания качества функционирования.

Принято считать, что в (функционирующих) САУ человеку отводится роль организатора и исполнителя ремонтно-профилактических мероприятий. В процессе управления, то есть в процессе формирования управляющих воздействий, его участие не предусмотрено самой теорией автоматического управления (формальным аппаратом синтеза передаточных функций). Но при существенном усложнении объекта управления выбор текуще необходимых (адекватных текущим обстоятельствам) существенных параметров, моделей, языков, стратегий моделирования и инструментальных средств оперативного изменения компонентного состава контура управления [Рис. 2 - Рис. 5] без человека может быть попросту невозможен поскольку, в общем, не допускает ни формализации условий выбора (построение предикатов), ни «адекватной» формальной оценки «состояния» среды. Возникает некоторая методологическая «заминка»: человек не может участвовать в процессах управления в контурах САУ по определению, но без его участия в процессе управления может быть крайне затруднено достижение требуемого качества функционирования системы.

В утилитарном плане автоматизация процессов управления ведёт либо к полному, либо к частичному возложению действий человека на автоматику. В частности, автоматизация - это моделирование физических и интеллектуальных усилий человека любыми инородными (относительно человека) рукотворными или нерукотворными агрегатами искусственного или естественного происхождения, в том числе, средствами технического и производственного назначения. В этом ракурсе автоматизация, по существу, это переложение, передача, замена, воссоздание, воспроизведение или реализация (наличие и использование) опыта человека (экспертных знаний). Исходя из этого концептуального представления, потребность участия человека в САУ может естественно трактоваться как потребность использования его опыта в процессах формирования управляющих воздействий в конкретных обстоятельствах среды.

Другими словами, в контурах САУ человеку достаточно проявлять себя не столько своим физическим присутствием, сколько посредством своих экспертных знаний. Если эти знания лингвистически зафиксированы, то технология извлечения и использования этих знаний может реализовываться как человеком (не обязательно хозяином опыта), так и формальными процедурами. Если при этом человек не осуществляет творческую интерпретацию предложений (положений) зафиксированного опыта, то, по-видимому, выбор между человеком или формальной процедурой реализации может обуславливаться исключительно показателями эффективности (быстродействием, точностью, стоимостью, критериями оценки качества функционирования и пр.). Ныне наблюдается активизация усилий по использованию опыта человека в контурах автоматического управления именно в этих направлениях:

а) Через обучение. Обосновывается мысль о том, что при построении САУ сложными объектами важным принципом является идея первичности процессов обучения [17].

управление моделирование язык

Но поскольку и САУ, и объекты управления подвержены воздействиям изменяющихся сред, то следует ожидать, что этот принцип будет трактоваться не только методологически как первичность, но и конструктивно как цикличность процессов обучения (повторяющейся коррекции и передачи опыта). Например, подобно тому, как рассматриваются вопросы формирования проблемно-ориентированных баз знаний и их пополнения в режиме самообучения [19].

б) Через формальные представления лингвистически зафиксированного опыта. Модели интерпретации внешнего мира на основе опыта работы человека в сложных динамических средах [32], стратегии дефазификации [33] и реализации нечётких [21] и экспертных [34] регуляторов и т.п. Идея использования формализованного или «частично» формализованного опыта оказала влияние и на методологию создания САУ в целом [17,19,20], предлагая (проектировщикам) ориентацию не столько на методики синтеза передаточных функций, сколько на триаду «теория автоматического управления- информационные технологии- искусственный интеллект»[35,36].

в) Опосредствованно через автоматизированные средства управления (диалог через посредника). Наряду с идеями по организации интеллектуального управления роботами [37], реализуются новые проектные решения по созданию неких промежуточных коллаборативных роботов (манипуляторов), направленные на обеспечение возможности их непосредственного (физического) взаимодействия с человеком-оператором [например, 38,39] и обычным роботом. Возможно, именно связка «САУ робота - САУ кобота - АСУ кобота (человек)» позволит приступить к решению многих проблемных вопросов не только управления роботами, но и организации эффективного функционирования роботизированных технологических линий и производств.

В плане проведённых рассуждений можно говорить о тенденции развития САУ в направлении АСУ. Но автоматизация это не только моделирование усилий человека, но ещё и моделирование его представлений об объекте управления, управляющем устройстве, среде и существе их взаимоотношений. Здесь трудно отказаться от мысли о том, что в основе этого моделирования лежит мотивация человека: как сделал бы человек, если бы мог; если бы функционировал в микро- или макромире; если бы пропорционально увеличить или уменьшить его возможности; а если это сделать не совсем пропорционально (нелинейно) относительно определенных критериев и т.д. и т.п. Выход на человека при организации процессов принятия решений в подобных условиях - это фактическое принуждение принимать решения в «не человеческой», в модельной (виртуальной) сфере познавательных интересов человека, поэтому, естественно, здесь человеческая мотивация и его мерки могут далеко не соответствовать объективной реальности.

В этом аспекте, навряд ли, можно говорить об утилитарной ценности опыта (экспертности), его лингвистического или иного фиксирования и использования. Скорее - о неком концептуальном видении проблемы, особо важном, вероятнее всего, на этапах выбора (проектирования) структуры системы и умении моделирования этого видения. Хотя в этом аспекте проводятся исследования (например, [40, 41]), навряд ли в этом плане можно говорить о возможности введения человека в контуры САУ.

Однако грани объективно необходимого «сочленения» человека и САУ, непосредственного и постоянного участия человека в процессах автоматического управления определяются не только вопросами усложнения объекта управления, но и методологическими обстоятельствами, вызванными этим усложнением:

1. Необходимостью учёта изменений среды. Традиционное проектирование исходит из парадигмы существования оптимальной (наиболее подходящей) САУ для каждого конкретного объекта, что приводит в процессе проектирования к созданию соответствующей уникальной системы. Но объект всегда воспринимается как образ-симбиоз «объект -среда» и на предпроектном этапе, и в процессе проектирования, и в процессе функционирования системы. Среда изменчива, непостоянна и, в известном смысле, произвольна (случайна с неизвестным законом распределения), что в реальности приводит к тому, что созданные оптимальные САУ всегда не являются оптимальными со всеми вытекающими последствиями по качеству функционирования системы. Естественны два направления: а) создания изолированных сред или б) реализация многообразия САУ для достижения целей управления в реальностях непредсказуемой среды. Первое в определенной степени возможно в варианте управляемой внешней среды [42], но для общепромышленных условий, по-видимому, нереально. Второе требует человека для текущей и постоянно оценки «состояния» среды, объекта управления, средств управления и, в целом, всех участников системы для выбора соответствующей конкретной САУ из их имеющегося многообразия. В плане создания многообразия САУ представляются ценными идеи создания САУ с переменной или целенаправленно изменяемой структурой [например, 25,43,44];

2. Необходимостью реализации процессов контроля. Традиционно проблема контроля сложных систем представляется двумя разделами: оценки качества управления и обеспечения требуемого функционирования используемых технических средств. Вопросы первого раздела, по существу, относятся к методикам оценки применимости используемых методов оперативного управления в заданной точке структуры управления с позиций охватывающих (вышестоящих) структур иерархии управления или, вообще, с позиций целевой функции системы. Здесь контроль выступает в виде: а) некоего обобщенного (с позиций целевой функции системы) критерия «правильности» организованной структуры системы управления, по крайней мере, для текущего момента управления; б) критерия приемлемости выделенных «элементов» объекта управления, над которыми организованы соответствующие замкнутые контуры управления; г) критерия оценки полноценности учёта влияния среды и организованных диалоговых контуров взаимодействия с нею; д) критерия качества производимого продукта и т.п.

Вопросы второго раздела связаны с предотвращением аварийных (нештатных) ситуаций (сбоев, отказов) или «смягчением» результатов их возникновения. Основная нагрузка ложится на процессы предвосхищения (предугадывания, прогнозирования, установления) и предупреждения таких изменений в функционировании элементов, частей или фрагментов структуры, которые могут привести к нарушениям в отработке заданной (ожидаемой) целевой функции системы. При этом важным фактором такого контроля является не столько определение факта (или идентификация) непригодности чего-либо (диагностика неисправности), сколько процесс «наблюдения» постепенного изменения этого чего-либо. Такое наблюдение может быть использовано: а) для возможности подготовки системы к (поэтапному, постепенному, в соответствии с обстоятельствами) переходу на резервные технические агрегаты или иные (модернизированные) технические структуры; б) для установления адекватных изменений в процессах управления в заданной точке системы для нормального функционирования более широких структур управления; в) для определения того, каким изменениям должны быть подвергнуты процессы управления для исполнения системой своего целевого назначения в новых условиях ухудшенных (изменённых) параметров аппаратуры и т.д.

Исследования показывают [например, 45-47], что организация контроля в целом - это: а) процессы проверки и б) процессы реализации организационно-технических мероприятий, соответствующих результатам проверки, в результате которых могут из-мениться и процесс функционирования системы, и её структура, и взаимоотношения со средой (равно как и сама среда). Другими словами, процессы контроля предполагают непременное участие человека в оценке качества функционирования системы управления независимо от её функционального характера (САУ или АСУ). В САУ потребность такого участия человека нашла выражение в двух направлениях по: а) внедрению опыта человека в отработку закона управления (реализация экспертных (нечётких) регуляторов), б) созданию иерархических систем автоматического управления (ИС), обладающих «интеллектуальным (дружественным в отношении к человеку) интерфейсом». В частности, двухъярусные структуры ИС имеют фактически ЦВМ (координации и управления) в верхнем уровне иерархии и промышленные контроллеры на нижнем [например, 48,49]. Появление таких структур отметило новое направление по «модернизации» структур САУ, в котором структуры САУ трансформировались в типичные структуры АСУ, но с реализацией «низовой (технологической) автоматики» в виде замкнутых контуров автоматического управления [50]. Традиционная методология синтеза передаточных функций в этом направлении охватила и определила не всю структуру системы автоматического управления, а только её технологический уровень;

3. Необходимостью проведения превентивных процессов моделирования для получения оценок и заключений об эффективности возможных управляющих воздействий, возможных реакциях объекта управления на них и возможных состояниях среды в целесообразно обозримое время одновременно с процессами управления. Как известно [2, 51-53], отсутствие алгоритма управления является существенной характеристикой управления большими (сложными) системами. Воздействия (влияние) среды, понимаемые (человеком) и выражаемые на естественном языке, адекватно не представимы формальными моделями. Это непременно означает подключение человека к процессам формирования управляющих воздействий или процессам оценки качества функционирования большой (сложной) системы, обуславливающими дальнейшее функционирование. Поэтому и принято полагать, что большие (сложные) системы нереализуемы в структурах систем автоматического управления. Трудности определения границ сложных и «простых» систем [например, 3,6,7,51- 54] не позволяют делать адекватный выбор структур на этапе проектирования. Но это, по нашему мнению, является методологически позитивным моментом взаимоотношений больших (сложных) и «малых» («несложных») систем. Поэтому естественна потребность и актуальность исследования возможностей построения систем автоматического управления с изменяющимися структурами, изменяющимися целями, оптимальными законами управления и пр.

В этом ракурсе, по нашему мнению, целесообразно заметить следующее. Во-первых, при проектировании явно недостаточна ориентация на формальные статистические модели [55], (искусственные) нейронные сети [например, 20,35,56] и другие модели, «зажимающие» всё пространственно-временное функционирование системы в некие априорно задаваемые статистические или детерминированные закономерности, ведущие так или иначе к представлению процесса функционирования в управляемой внешней среде. Во-вторых, конструктивнее в плане поиска оптимальных (в конкретном временном интервале) законов управления ориентироваться на идею слабо предсказуемой внешней среды как более соответствующей представлениям о реальности. Тогда в большей степени необходим учёт реальной ретроспекции и предыстории [31,57] с целью формирования некоего подобия «опыта» управления и необходимо формирование упреждающих реакций [58] для проведения оценки различных ответных воздействий управляющей среды и объекта управления. Другими словами, по существу, необходимы процессы превентивного моделирования, которые, не мешая текущему управлению, могут являться естественными реализаторами реального интеллекта (человека).

Вывод. Объединяя и формулируя суждения в более обобщенной форме, можно констатировать:

1) факт определенной трансформации «классических» функций систем автоматического управления (САУ) и методов формирования оптимальных законов управления в связи с активизацией усилий по использованию экспертного знания (опыта специалистов);

2) факт того, что при реализации (современных) САУ важная роль отводится многоуровневым структурам-посредникам, связывающим «чистые» контуры САУ с организованными для взаимодействия с человеком так называемыми интерактивными цепями (контурами);

3) факт того, что участие человека в САУ может выражаться не только в виде оконечного звена в многоуровневых структурах-посредниках, но и в виде автоматической имитации его присутствия посредством использования экспертных (нечётких) технологий в самом контуре управления;

4) факт того, что в любой промышленной (производственно-технической) системе управления «низовая автоматика» должна реализовываться в виде замкнутых контуров автоматического управления.

Всё это даёт достаточно веские основания предположить следующее. В настоящее время идёт фактическое «движение САУ к АСУ» по сближению структур и в связи с этим следует ожидать существенные изменения в самих процессах проектирования систем автоматического управления.

Литература

управление моделирование язык

1.Гуд Г.Х., Макол Р.Э. Системотехника. Введение в проектирование больших систем. - М., 1962. - 383 с.

2.Захаров В.Н., Поспелов Д.А., Хазацкий В.Е. Системы управления. Задание. Проектирование. Реализация. - 2-е изд. - М.: Энергия, 1977. - 424 с.

3.Гайкович А.И. Основы теории проектирования сложных технических систем. - Спб: Моринтех, 2001. - 430 с.

4.ГОСТ 2.102-68 ЕСКД. Виды и комплектность конструкторских документов.

5.Системный анализ в экономике и организации производства./ С.А. Валуев, В.Н. Волкова, А.П. Градов и др. Под общей ред. С.А. Валуева, В.Н. Волковой. - Л.: Политехника, 1991. - 398 с.

6.Квейд Э. Анализ сложных систем. - М.: Сов. радио, 1969. - 519 с.

7.Дедков В.К., Северцев Н.А. Основные вопросы эксплуатации сложных систем. - М.: Высш. шк., 1976.- 406 с.

8.Безопасность жизнедеятельности. Организационно - антропотехническая надежность функциональных систем мобильной среды строительного производства. Серия «Инфографические основы функциональных систем»./ Под ред проф. Чулкова В.О.. - М.: Изд-во АСВ, 2003. - 176 с.

9.Александров А.Г. Конструктивная теория управления: концепция.//Аналитическая теория автоматического управления и её приложения: Труды Международной научной конференции, Саратов, 5-9 июня 2000. - Саратов: Изд-во СГТУ, 2000. - С.92-97.

10.Подчукаев В.А. Аналитические методы теории автоматического управления. - М.: Физматлит, 2002. - 255 с.

11.Глушков В.М. Введение в АСУ. - К.: Технiка, 1972. - 310 с.

12.Литовкин Д.В. Автоматизация процесса управления функциональным состоянием органичной системы: Автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук.- Волгогр: Гос. тех. ун-т, 2004.-20 с.

13.Князева Е.Н. Ситуационное и нелинейное управление, или почему теория управления становится экологической. //Анализ систем на рубеже тысячелетий: теория и практика -2003: Матер. 6-ой Межд. Науч.-практич. конф., Москва, 28-29 мая, 2003.- М.: ИПУ РАН, 2003. - Т.1. - С.27-40.

14.Асеев О.А., Ломков А.Н. Проблемные вопросы построения моделей сложных систем.//21 Межведомственная научно-техническая конференция «Проблемы обеспечения эффективности и устойчивости функционирования сложных технических систем»: Труды конференции. - Серпухов, 2002. - Ч.1. - С.116-120.

15.Салихов З.Г., Арунянц Г.Г., Рутковский А.Л. Системы оптимального управления сложными технологическими объектами. - М.: Теплоэнергетик, 2004. - 495 с.

16.Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления/ Пер. с англ. - М.: Лаб. баз. знаний, 2002. - 831 с.

Размещено на Allbest.ru