О методологии проектирования иерархических автоматизированных систем управления технологическими процессами
Автоматизированные системы управления технологическими процессами являются сложными системами управления. Существует множество определений сложной системы, которые подчеркивают тот или иной признак сложности. Не всякая АСУ ТП состоит из иерархически организованных подсистем. Но если эта система иерархически организована, ее, несомненно, следует считать сложной. Так как большинство автоматизированных систем представляет собой системы комплексной автоматизации каких-либо процессов, состоящих из ряда подпроцессов со своими локальными системами управления, большинство из них является иерархическими в том или ином плане. Отсюда вытекает важность рассмотрения методов исследования и проектирования указанных систем.
Задачи проектирования иерархических автоматизированных систем управления во многом зависят от признаков, которые положены в основу при подразделении сложной системы на соответствующие уровни иерархии.
Чаще всего используется организационный признак, который позволяет отображать фактически существующую субординацию. При этом каждый из уровней можно подразделить еще на ряд подуровней. Так, автоматизированные системы управления технологическими процессами первого уровня могут быть подразделены на локальные системы управления отдельными агрегатами и системы комплексного управления технологическими процессами, автоматическими линиями, участками производства и т.д.
В качестве признака часто используется избранный метод управления: регулирование, обучение и адаптация, самоорганизация. В ряде случаев подразделение на основные уровни или расчленение основных уровней на подуровни можно выполнять по признаку, характеризующему определенный аспект деятельности.
Систему можно разбить на иерархически связанные между собой уровни также по временному признаку. В этом случае при отнесении элементов к тому или иному уровню в основу кладется интервал времени, через который необходимо вмешательство последующего уровня в процессе управления нижестоящим уровнем для обеспечения нормального функционирования системы.
Иерархические системы управления образуются также в результате расчленения какой-либо сложной задачи на более простые подзадачи. В этом случае элементы иерархической структуры называют уровнями сложности принимаемого решения.
В автоматизированных системах управления технологическими процессами весьма распространены двухуровневые системы, методы синтеза и анализа которых в настоящее время разработаны наиболее полно.
Ввиду того, что алгоритмы управления локальных подсистем не учитывают связей между отдельными подпроцессами, возникает проблема координации.
Сущность этой проблемы заключается в следующем: требуется разработать автоматизированную систему более высокого иерархического уровня, которая управляла бы локальными подсистемами таким образом, чтобы они функционировали согласованно и были подчинены общей цели.
В теории иерархических систем разработаны несколько принципов, пригодных для синтеза алгоритма функционирования координатора, которые подобны принципу обратной связи в теории автоматического регулирования и управления.
Принцип прогнозирования взаимодействий заключается в том, что управляющие воздействия верхнего уровня распределяются между подсистемами нижнего уровня таким образом, что каждая из подсистем становится автономной относительно других подсистем этого же уровня.
В качестве примера можно привести использование этого принципа для цели координации функционирования двух локальных подсистем управления. Подпроцессы автоматизируемой системы связаны между собой посредством связующих переменных. Локальные ПЛК выбирают управляющие воздействия на основании сигналов обратной связи, прогнозируемых координатором значений связующих переменных.
Если пространство связующих переменных определено, то можно найти ошибку прогнозирования. Синтез алгоритма координации заключается в нахождении итеративной процедуры, с помощью которой на основании значения ошибки прогнозирования находят значение вектора на очередном шаге управления. Если на некотором шаге значение ошибки окажется равным нулю, то задача координации считается решенной.
Принцип оценки взаимодействий в отличие от принципа прогнозирования взаимодействий утверждает, что задача координации решается всякий раз, когда ошибка прогнозирования находится в заданной области.
Принцип согласования взаимодействий заключается в том, что элементы автоматизированной системы управления технологическим процессом трактуют связующий сигнал как дополнительную переменную решения. Этот принцип утверждает, что управляющее воздействие решает поставленную задачу, когда оно является решением задач управления подсистемами и связующие сигналы, выбранные нижестоящими элементами, совпадают с действительными значениями связующих переменных.
В теории иерархических систем рассмотрены вопросы применимости указанных принципов, синтеза процедур координации и анализа скорости их сходимости.
Наиболее часто в двухуровневой АСУ ТП используют линейную процедуру координации. При линейной координации координирующие сигналы подаются дискретно в некоторые последовательные моменты времени. В каждом цикле координации локальные решающие элементы ПЛК осуществляют выбранное ими управление без дальнейшего вмешательства координатора.
Цикл координации определяет требования к производительности решающих элементов и временные соотношения процессов обмена информации между ними. В связи со стохастическим характером большинства автоматизированных систем управления и связанного с ним случайным во времени процессом выработки сигналов обратной связи локальными подсистемами длительность цикла координации также является случайной. Поэтому при синтезе алгоритма координации целесообразно использовать теорию массового обслуживания.
