Лекция 1. Автоматизация и управление. Компьютерные технологии, автоматизированные и автоматические системы.

Системы автоматизации и управления

Автоматизация технологического процесса – совокупность методов и средств, предназначенных для реализации систем, позволяющих осуществлять управление требуемого качества технологическим процессом без непосредственного участия человека, либо с оставления за человеком права принятия наиболее ответственных решений. Здесь понятие технологический процесс используется в самом широком смысле как последовательность действий, направленных на получение заданного продукта, энергии или информации. Использование средств автоматизации может служить для уменьшения в целом затрат на производство продукции, информации или энергии, либо повышения производительности, либо получения качества выходного продукта или информации, недостижимого без использования этих средств.

Автоматизация технологических процессов, проводимая за счет средств вычислительной техники, может способствовать эффективному решению следующих задач:

• получение более рациональных вариантов решения задач проектирования, управления за счет внедрения эффективных и сложных математических алгоритмов обработки информации;

• освобождение работников от рутинной и монотонной работы за счет ее автоматизации;

• повышение достоверности информации, на основе которой принимаются решения за счет фильтрации помех и случайных выбросов путём математической обработки;

• совершенствование структуры информационных потоков (включая систему документооборота);

• уменьшение в целом затрат на производство продукции или информации.

Процесс выработки и осуществления управляющих воздействий определяется, как управление. При этом выработка управляющих воздействий включает сбор, передачу и обработку необходимой информации, принятие решений, определяющих управляющие воздействия, а осуществление управляющих воздействий включает передачу управляющих воздействий и преобразование их в форму воспринимаемую объектом управления.

Ключевая тенденция развития современных технических систем автоматизации и управления в том числе сложных технических систем (СТС) - перенос функциональной нагрузки с механических и электрических устройств и подсистем к интеллектуальным компонентам и технологиям, на которые возлагаются функции определения и изменения во времени управляющих воздействий, логической и информационной увязки работы энергетических и силовых компонент взаимодействующих устройств.

Эта тенденция привела к тому, что в современных системах автоматизации и управления основным техническим средством обработки информации для непосредственного управления системами, выполнения научно-технических расчетов, моделирования для прогноза поведения системы на будующие времена, вычисления задающих и управляющих воздействий является компьютер и его программное обеспечение (ПО).

В дальнейшем мы чаще будем употреблять термины встроенная в систему ЦВМ, цифровое управляющее устройство, так как термин Компьютеру большинства людей ассоциируется с персональными компьютерами, которые по распространенности стали «бытовыми приборами». Мы же рассматриваем технические средства автоматизации и управления, в которых цифровое управляющее устройство, будучи ЦВМ, подчас конструктивно имеет мало общего с персональным компьютером.

Информационные процессы в системах автоматизации и управления

Информация – важнейший компонент управления физическими процессами, протекающих в физических системах, и связанных с преобразованием материи, энергии и всё той же информации. Система управления процессами выполняет много функций (рис. 1.1), различающихся для различных физических автоматизируемых процессов, но информационные процессы типичны:

- сбор и оценка данных физического процесса – мониторинг,

-анализ и отображение этой информации для человека - оператора,

- управление некоторыми параметрами физического процесса, которое может быть прямым встроенным автоматическим управлением или удаленным управлением от оператора ,

- связь входной и управляющей информации через алгоритм обработки входной информации – результатов мониторинга.

Рис. 1.1 – Функции системы управления

Кроме перечисленных базовых процессов компьютерные технологии, обеспечивающие работу автоматизированной или автоматической системы любого назначения, дополнительно обеспечивают следующие информационные процессы:

- хранение информации в виде баз данных, информационных массивов, файлов;

- получение более рациональных вариантов решения задач управления за счет внедрения математических методов обработки информации и оптимизации;

-повышение достоверности информации, на основе которой принимаются решения, за счет её математической обработки;

-совершенствование структуры информационных потоков (включая систему документооборота);

- передачу информации по каналам связи от источника потребителю;

- компьютерное моделирование процессов, протекающих в таких системах, на стадиях проектирования и эксплуатации, которое постепенно вытесняет классические методы исследований докомпьютерной эры;

- идентификации структуры и параметров систем в процессе их функционирования;

В автоматизированную систему должен быть заложен принцип дальнейшего развития и расширения (расширяемость, масштабируемость).

Компьютерные технологии. Определение автоматизированной системы

Между терминами "компьютерная технология" и "информационная технология" существует различие в том смысле, что обработка информации может осуществляться и без помощи компьютера. Однако в современных условиях, тем более в таких областях как автоматизация производственных процессов, управления системами, проектирование изделий и систем различного назначения, проведение научных исследований, выпуск документации и др. использование компьютеров находит самое широкое применение. В этой связи оба термина будут использоваться как синонимы.

Информационная технология – процесс, использующий совокупность средств и методов сбора, обработки и передачи данных (первичной информации) для получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления (информационного продукта).

Компьютерная технология – информационная технология, использующая компьютеры и телекоммуникационные средства.

Таким образом, в понятие "компьютерная технология" включаются также коммуникационные технологии, которые обеспечивают передачу информации по каналам связи между компьютерами (информационно-вычислительные сети), поскольку распределенная обработка информации, распределенный доступ к общим информационным ресурсам, которые также могут быть распределены, распределенное управление получили широкое распространение в системах автоматического и автоматизированного управления.

Причина широкого применения компьютерных технологий связана с тем, что в системах компьютерного управления автоматизированными и автоматическими системами можно обеспечить обработку информации по сложным и эффективным алгоритмам при этом сравнительно легко вносятся новые стратегии автоматизации поскольку можно легко изменять характер функционирования без переоснащения и перепроектирования всей системы, полностью изменив образ действий того же самого компьютера, заменив ему программное обеспечение. Именно эти возможности развития, наряду с надежностью и возможностями обработки информации по сложным и эффективным алгоритмам предопределили бурный рост компьютерных технологий автоматизации и управления.

На аппаратном уровне стандарты физического уровня той или иной примененной сетевой технологии определяют методы и средства передачи информации между узлами системы автоматизации или устройствами автоматической системы, оснащенных встроенными ЦВМ. Все это позволяет утверждать, что системообразующим элементом современных систем автоматизации и управления является соответствующая управляющая сеть с её программным обеспечением.

Система (system – целое, составленное из частей; греч.) – это совокупность элементов, взаимодействующих друг с другом, образующих определенную целостность, единство.

Производственные процессы и управляющие ими системы состоят из множества разнообразных элементов, сложным образом взаимодействующих друг с другом. Цель системы - получить результат, качественно или количественно отличающийся от простой суммы результатов работы отдельных её элементов. Объединение в систему даёт «нечто большее», которое определяется не наличием тех или иных составляющих системы , а есть результат их взаимодействия.

Представление некоторой системы в виде элементов и подсистем зависит от уровня и степени детализации. Это особенно проявляется при рассмотрении сложных систем.Например, на верхнем уровне детализации в системе управления производством можно выделить следующие подсистемы: экономическую, логистическую, производственную, энергетическую и т.п. В то же время каждую из названных подсистем можно рассматривать как самостоятельную систему. На следующих, более нижних уровнях детализации, в качестве самостоятельной системы может рассматриваться, например, система охранной сигнализации или система утилизации производственных отходов, которые также можно детализировать и т.д.

Динамика системы - важнейшая характеристика, определяющая изменение состояний и характеристик системы во времени. Знание динамики системы позволяет предвидеть её будущее поведение и выбрать правильное управление в соответствии с поставленной целью.

Структура системы – состав, порядок и принципы взаимодействия элементов системы, определяющие основные свойства системы. Иными словами, создание структуры – структурирование это процесс разбиения системы на части и установления связей между частями. Если отдельные элементы системы разнесены по разным уровням подчинения и характеризуются внутренними связями, то говорят об иерархической структуре системы. В сложных системах и задачах создание правильной организации процессов и правильной её динамики обеспечивается должным структурированием системы.

Приведем определения в соответствии с ГОСТ 34.003-90:

Автоматизированная система(AC): Система, состоящая из персонала и комплекса средств автоматизации его деятельности, реализующая информационную технологию выполнения установленных функций в соответствии с заданной целью.

В зависимости от вида деятельности выделяют, например, следующие виды АС: автоматизированные системы управления (АСУ), системы автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированные системы научных исследований (АСНИ) и др.

В зависимости от вида управляемого объекта (процесса) АСУ делят, например, на АСУ технологическими процессами (АСУТП), АСУ предприятиями (АСУП) и т.д.

В современном понимании автоматизированная система немыслима без персонала, взаимодействующего с компьютерами и телекоммуникациями.

Системы управления делятся на два больших класса: системы автоматического управления (САУ) и автоматизированные системы управления (АСУ). В САУ управление объектом или системой осуществляется без непосредственного участия человека автоматическими устройствами. Это, как правило, замкнутые системы с обратной связью, но имеются и чисто программные системы управления. Основные функции САУ: автоматический контроль и измерения, автоматическая сигнализация, автоматическая защита, автоматические пуск и остановка различных двигателей и приводов, автоматическое поддержание заданных режимов работы оборудования, автоматическое регулирование, автоматическое управление СТС от встроенных компьютеров по вычисляемым в процессе работы критериям для достижения поставленных целей;

В отличие от САУ в АСУ в контур управления включен человек, на которого возлагаются функции принятия наиболее важных решений и ответственности за принятые решения. Классификация АСУ и САУ может осуществляться по различным признакам: функциональному, структурному, по сфере применения, по характеру используемой информации и др.

Классификацию по сфере применения проводить затруднительно из за огромного разнообразия и практически повсеместного применения в настоящее время компьютерных технологий. Примерная и далеко не полная классификация:

-управления предприятием (АСУП);

-производственные системы;

-автоматическое управление СТС от встроенных компьютеров по вычисляемым в процессе работы критериям для достижения поставленных целей;

-административные системы (человеческих ресурсов);

-финансовые и учетные системы;

-системы маркетинга;

-системы научных исследований;

-автоматизации проектирования;

-системы моделирования;

-системы проведения медицинских исследований,

-системы для проведения научных исследований.

Компьютерные технологии и управление производством. Три базовых иерархических уровня ПО управления производством и СТС. MES технологии

Сейчас в автоматизации производственных процессов с использованием компьютерных технологий произошел переход от попыток автоматизации отдельных технологических процессов и процессов управления к общесистемной сквозной интегральной автоматизации, направленной на выпуск новой продукции в максимально сжатые сроки.

В связи с этим разрабатываются программные пакеты, обеспечивающие планирование производства, составление оптимальных производственных графиков, управления запасами и складами. Эти пакеты получили название MES (Manufacturing Execution System – производственные исполнительные системы).

Анализ предметной области комплексной автоматизации работы предприятий приводит к трем иерархическим уровням управления предприятием, и к трем уровням соответствующего ПО.

1. Управление предприятиями. На этом уровне решаются стратегические задачи, в частности, финансы, маркетинг, бухгалтерия, кадры, сбыт, долгосрочное планирование производства в масштабах года, квартала, месяца. АСУ предприятием (АСУП) предназначены для автоматизации функций управленческого персонала.

2. Оперативное управление производством – разработка детальных планов использования сырья и ресурсов, производственных заданий в масштабах месяца, дня, смены (MES пакеты).

3. Управление технологическими процессами и установками (АСУ ТП). Управление в масштабах часов, секунд, миллисекунд, Управление осуществляется в реальном масштабе времени (РМВ). Именно с этими системами связывают термин системы промышленной автоматизации.

Аналогичную трехуровневую структуру мы увидим, рассматривая автоматическое компьютерное управление сложными техническими системами (СТС): планирование общее работы СТС; детальное планирование и управление совокупностью процессов управления – управление совместной работой подсистем в процессе решения функциональных задач СТС; и, наконец, управление отдельными процессами в подсистемах СТС.

Система управления, объект управления, виды управления

Система управления – это система, состоящая из управляющего устройства (УУ) и объекта управления (ОУ). Понятия объект управления, цель управления, управляющие воздействия взаимосвязаны и не могут быть определены отдельно друг от друга. Объект управления (ОУ)- объект (или система объектов), для которого необходимо достичь желаемые цели управления.

ОУ могут быть как отдельные объекты, так и системы взаимосвязанных объектов – тогда мы говорим о распределенном объекте управления.

Цели управления – это значения координат или соотношение значений координат процессов, происходящих с/в ОУ, а также их изменение во времени, которые надо получить в процессе управления для достижения желаемых результатов функционирования ОУ (рис. 1.2).

Например, целью управления системы автоматической посадки самолета является:

Получить в заданной точке, координаты которой известны (начало посадочной полосы) скорость полета не менее 250 км. /час и высоту над поверхностью земли в этой точке H=0.

Т.е. управление должно вестись сразу по нескольким координатам в заданном соотношении. В более простых случаях управление проводится по одной координате, например, управление температурой в холодильной камере.

Рис. 1.2 – Объект управления

Управляющее устройство – устройство, предназначенное для воздействия на ОУ для достижения цели управления.

Виды управления. Классификацию управления и СУ можно проводить различным образом:

Во-первых, имеются виды управления по концепции его применения:

1. Координация – согласование временное и логическое процессов, протекающих в различных объектах, элементов сложного ОУ;

2. Управление – регулирование – поддержание значений координат ОУ в требуемых пределах, отслеживание изменений приходящих извне или вычисляемых в системе требований к значениям координат;

3. Стабилизация – поддержание постоянных значений требуемых координат ОУ;

4. Терминальное управление – перевод ОУ в процессе управления из заданного начального состояния координат в заданное конечное состояние координат за заданное время.

Прямое управление и управление с отрицательной обратной связью

Схема разомкнутого управления (рис. 1.3) (прямого управления, управления без ОС).

Рис. 1.3 - Схема разомкнутого управления

В разомкнутой системе фактическое состояние ОУ (выходных координат ОУ) не известно и используется априорная или расчетная информация об состоянии ОУ. Измерения выходных координат не проводятся.

Прямое управление ведется с большими некомпенсированными ошибками от воздействий возмущений и неточности знания характеристик УУ и ОУ системы.

Управление с обратной связью. Система в этом случае имеетОС по состоянию ОУ (значений координат ОУ) (рис. 1.4). При этом проводятся измерения действительного значения управляемых координат ОУ (всех или части), которые сравниваются с желаемыми значениями. Разница используется для управления координатами ОУ с целью устранения этой разницы.

Рис. 1.4 – Управление с обратной связью

Управление, при котором управляющее воздействие вырабатывается с учётом измеренного фактического состояния ОУ, обусловленного предыдущем управлением называется управлением с обратной связью. Управление с ОС резко уменьшает влияние возмущений, повышает точность управления, однако, возникают проблемы с устойчивостью.

Пример прямого управления и управления с ОС. Управление скоростью вращения диска (компакт диска).

Требуется постоянная заданная скорость вращения диска. Решение этой задачи на первый взгляд возможно путем настройки скорости вращения электродвигателя подбором, регулирующего сопротивлении в его цепи возбуждения на специальном стенде при производстве данного устройства (рис. 1.5).

Рис. 1.5 - Управление скоростью вращения диска (компакт диска)

Однако, в процессе эксплуатации сохранить эту настройку не представляется возможным из-за разброса питающего напряжения сети, изменения сопротивления вращения по причине нарастающего со временем износа. Введение системы управления скорости вращения диска с обратной связью позволяет стабилизировать скорость вращения с очень незначительной ошибкой, несмотря на колебания питающего напряжения и изменения сопротивления вращения из-за износа (рис. 1.6).

В теории управления принято системы управления представлять в виде структурных схем управления, где объект управления, датчики, управляющие устройства (исполнительные органы) изображаются в вид соответствующих прямоугольников и указываются связи между этими элементами.

Рис. 1.6 - Системы управления скорости вращения диска с обратной связью

Возмущения, управление по возмущению

Воздействие на ОУ или любой другой элемент системы затрудняющее управление или уводящее ОУ от цели управления (ошибки, отказы, помехи) – определяются как возмущения.

Изменение характеристик системы, вследствие неточного изготовления или износа, силовые воздействия (ветер), разброс питающего напряжения, разброс температуры- все это возмущения, действующие на систему.

Можно попробовать измерять действующие на систему возмущения, например, изменения напряжения в сети и учитывать их в разомкнутом управлении.

Однако, погрешности измерения возмущений, не полностью известный состав возмущений не позволят кардинальным образом повысит точность стабилизации скорости вращения диска.

Измерив возмущения возможно в УУ рассчитать компенсирующие эти возмущения воздействия. Но здесь отсутствует ОС по выходной переменной и выходная переменная по прежнему не измеряется.

Компенсация случайных и систематических погрешностей измерения возмущений в УУ позволяют только частично повысить точность управления. Неполная компенсация множества действующих возмущений приводит по прежнему к большим ошибкам в управляемой координате.