автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизированный синтез алгоритмических структур систем управления

¿V/ ' Ц Ч - Н / ^ У М

¡: ' ^ ^ V ^ / /V и- /V /V

санкт-петербургский государственный технологический институт (технический университет)

На правах рукописи

кУ

РОГОВ АЛЕКСАНДР ЮРЬЕВИЧ О

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ СИНТЕЗ АЛГОРИТМИЧЕСКИХ СТРУКТУР СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В.В. Сотников

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент В.И. Халимон

Санкт-Петербург 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.................................................................................................. 4

Глава I. Литературный обзор и анализ проблемы..................................................................12

1.1. Выделение исследуемой проблемы..............................................12

1.2. Определение понятий и аспекта исследования.................................13

1.3. Методики представления структур систем управления....................17

1.4. Способы задания алгоритмической структуры системы управления.............................................................................................21

1.5. Синтез и анализ структуры.................................................................................26

1.6. Постановка задачи исследования................................................................................................31

1.7. Выводы к главе I.............................................................................................................................33

Глава II. Методика синтеза и анализа алгоритмических структур систем управления................................................................................... 34

2.1. Описание алгоритмических структур граф-схемами.................. 35

2.2. Формализация синтезирующей системы..................................... 40

2.3. Правила стыковки связей............................................................. 48

2.4. Формализация типов информации.............................................. 53

2.5. Декомпозиция графа реализаций................................................. 58

2.6. Краткое описание методики......................................................... 67

2.7. Выводы к главе II.......................................................................... 68

Глава III. Ядро системы проектирования алгоритмических структур ... 69

3.1. Структура программного комплекса ........................................... 69

3.2. Редактор графовых схем..........................................................................71

3.3. Программа синтеза....................................................................... 76

3.4. Подсистема анализа графов......................................................... 78

3.5. База граф-схем...............................................................................84

3.6. Редактор правил подстановки...................................................... 92

3.7. Подсистема загрузки и сохранения правил и графов.................. 93

3.8. Выводы к главе III.........................................................................93

Глава IV. Проектирование алгоритмической структуры системы управления технологическим процессом............................................... 94

4.1. Формализация типовых задач и процедур

цифрового управления................................................................. 94

4.2. Описание установки каталитического риформинга ................... 127

4.3. Описание процесса каталитического риформинга..................... 129

4.4. Выделение параметров процесса и функций системы управления.................................................................................... 132

4.5. Синтез алгоритмической структуры для первого реактора....... 136

4.6. Синтез алгоритмической структуры для второго реактора....... 147

4.7. Выводы к главе IV......................................................................... 149

Выводы по работе.................................................................................... 150

Список литературы..................................................................................151

Акты внедрения........................................................................................160

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время, при автоматизации технологических процессов (ТП) в химической промышленности все более широкое распространение получают системы управления, построенные на базе микропроцессорной технике и управляющих вычислительных машин /1,2/. Основные функции таких систем управления реализуются программными средствами. При этом, одна управляющая машина может заменить функции многих локальных регуляторов. В практике проектирования, системы управления, реализующие функции управления технологическим процессом посредством программно реализованных модулей управления, называют цифровыми системами управления /3,4/.

Цифровые системы управления строятся из программных модулей, которые реализуют по заданному алгоритму некоторую задачу управления, и называются алгоритмическими модулями. Используется также термин управляющая процедура. Алгоритмические модули, связанные в системе управления по информации и логическим порядком исполнения, образуют алгоритмическую структуру. Вопросы, связанные с постановкой задач управления для цифровой системы управления, выбором алгоритмических модулей и разработкой алгоритмической структуры, составляют этап алгоритмизации системы управления /5/.

Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) являются динамическими системами с быстро изменяющимися характеристиками. Процесс их разработки связан с проведением целенаправленной структуризации, которая состоит в декомпозиции системы управления на элементы, представляемые затем в виде алгоритмических модулей. При этом каждый модуль должен иметь четко выраженное целевое назначение и описываться входными и выходными связями /6/.

Проектирование автоматизированных систем управления (АСУ) технологическими процессами, с учетом сложности проектных процедур, предполагает необходимость формализации этапов проектирования. Формализация этапов проектирования систем управления и,в частности, этапа синтеза алгоритмической структуры системы управления имеет большое значение при массовом создании АСУТП при участии специалистов различной квалификации. Процесс синтеза должен обеспе-

чивать генерацию наиболее рациональной структуры алгоритмических модулей, обеспечивающих решение заданных задач управления. Алгоритмические модули систем управления часто модифицируются в процессе проектирования и наладки. Все это требует, чтобы процесс создания структуры решался быстро и комплексным путем с выходом на программное обеспечение управляющих вычислительных машин /7/.

Работы по алгоритмизации составляют 25-30% общего объема затрат на проектирование и определяют уровень качественных показателей проектируемой системы управления. Однако, в большинстве случаев, процесс разработки систем управления отождествляется с проблемой формализации отдельных задач управления и выбора методов их решения, т.е. разработки и унификации алгоритмических модулей, а этапу синтеза алгоритмической структуры не уделяется достаточного внимания. Такой подход оправдан при решении отдельных инженерных задач, поскольку в нем не учитываются взаимосвязи по информации и результатам решения между отдельными алгоритмическими модулями. Игнорирование этого обстоятельства приводит к увеличению затрат на разработку цифровой системы управления /8/.

Работы по синтезу алгоритмической структуры системы управления технологическим процессом в химической промышленности недостаточно формализованы в связи с физической неоднородностью и сложностью управляемых процессов и существенного разнообразия используемого математического аппарата на различных уровнях системы управления. Периодическая модернизация систем управления требует постоянного совершенствования многоуровневой алгоритмической структуры системы управления, с учетом требований к информационным потокам, степени автоматизации, комплексу решаемых задач, принятых методов решения и возможности технической реализации. Для эффективного решения этой задачи требуется автоматизация процесса синтеза алгоритмических структур.

При синтезе алгоритмической структуры должен учитываться опыт проектирования систем управления, т.е. синтез должен осуществляться по формализованным правилам с использованием базы данных типовых алгоритмических структур. Используя современные математические методы и вычислительную технику возможно создать компьютерные

системы автоматизированного синтеза алгоритмических структур систем управления. Применение таких систем позволит сократить затраты времени на синтез алгоритмической структуры, что предоставит проектировщикам больше времени для анализа качественных показателей систем управления.

При этом возникает необходимость в разработке эффективного математического аппарата для построения синтезирующих алгоритмов и анализа алгоритмических структур на предварительном этапе проектирования. Эффективным математическим аппаратом на этом этапе проектирования видится применение аппарата теории графов /9/, теории порождающих систем, теории алгоритмов /10/ и системного анализа /11,12/. Математическая теория систем располагают эффективными средствами описания, синтеза и анализа структурных компонент систем различной сложности.

В рамках работы встает задача автоматизации процесса синтеза алгоритмических структур систем управления с целью последующего их анализа.

При синтезе алгоритмической структуры нужно учесть, что перечень процедур управления должен выполнять требуемые заказчиком функции системы управления. Одна и та же функция может быть реализована различными алгоритмическими структурами в зависимости от вида входной и выходной информации. Разработка системы проектирования, которая позволяла бы в интерактивном режиме по описанию функций, входной и выходной информации системы управления предлагать проектировщику варианты алгоритмических структур на некотором формализованном языке позволит существенно сократить затраты времени на проектирование, повысить качество проектов и поднять процесс проектирования на более высокий интеллектуальный уровень, чем и объясняется актуальность задачи.

Таким образом, целью диссертационной работы является:

Цель работы. Разработка методики построения автоматизированной системы синтеза программно реализуемой алгоритмической структуры системы управления технологическим процессом по перечню функций, входной и выходной информации системы управления.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) провести анализ способов построения цифровых систем управления, проанализировать существующие способы представления алгоритмической структуры системы управления и представления потоков информации в системе;

2) разработать способ формализации алгоритмических структур и правил синтеза, разработать методику автоматизированного синтеза алгоритмической структуры из типовых подструктур, предложить для этих целей математический аппарат для описания процесса синтеза ;

3) для обоснования корректности методики осуществить программную реализацию разработанной методики, в рамках которой разработать программные средства задания графов, правил, программы синтеза и анализа, базу данных ;

4) формализовать в соответствии с разработанной методикой типовые алгоритмические структуры, применить результаты исследований для разработки алгоритмической структуры системы управления конкретным технологическим процессом.

Работа, представленная в настоящей диссертации включает такие вопросы как графовое представление структуры системы управления; описание процесса синтеза в терминах теории порождающих систем, позволяющее использовать правила преобразования на графах с целью последующего анализа и оптимизации создаваемых алгоритмических структур; разработка компьютерных систем структурного синтеза по формализованным правилам. Диссертационная работа содержит четыре главы.

Первая глава посвящена анализу литературных источников и обоснованию задачи исследования. В этой главе определены проблема и аспект исследования. Приведен обзор методик представления структур систем управления и даны различные варианты математических методов их описания. С системных позиций рассматриваются методики описания алгоритмической структуры системы управления, проводится обзор матричных и графовых методов представления алгоритмических структур, и дана их сравнительная оценка. Рассмотрены методики

синтеза алгоритмической структуры. Анализ опубликованных работ показал актуальность исследования. В связи с этим, возникла необходимость разработки методики построения систем синтеза алгоритмической структуры. В конце главы осуществлена постановка задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке математических методов построения синтезирующих систем на основе графов. В ней проведена формализация описания алгоритмической структуры системы управления посредством графовой схемы. Предложен математический аппарат для формализации синтезирующей системы, в основу которого положена теория порождающих систем. При формализации правил, для процесса синтеза вводятся: правила подстановки подграфов алгоритмических структур и правила стыковки связей. Разработаны способы описания правил синтеза. Рассмотрен алгоритм синтеза графовой схемы по порождающим правилам. Введен критерий выбора рациональной структуры, и приводится метод определения рационального варианта на основе графового описания структуры. Рассматриваются методы декомпозиционного анализа алгоритмических структур с использованием графов. Описаны алгоритмы синтеза и декомпозиции.

В третьей главе рассматривается программная реализация методики формализованного синтеза алгоритмических структур систем управления на основе графового представления структуры. Практической реализацией методики является разработанный программный продукт - ядро синтезирующей системы. В этой главе изложены детали программной реализации основных компонент ядра синтезирующей системы: программа синтеза, редакторы графов и правил, строение базы данных, процедуры управления базой, программы анализа, как представляющие наибольший практический интерес. Разработанная синтезирующая система может рассматриваться как основа для построения синтезирующих систем в другой предметной области.

В четвертой главе проведена классификация основных типовых алгоритмов систем управления, применяемых при автоматизации типовых технологических объектов. На основе предложенного описания построены графовые схемы этих типовых задач систем управления.

После проведенной классификации построена база данных по процедурам и графовым схемам. Описываются действия по построению начального графа для программы синтеза. В этой главе предложенная методика применяется при разработке алгоритмической структуры цифровой системы управления для технологических объектов блока риформинга бензинов. Блок риформинга рассмотрен как объект управления. На основании регламента выделены технологические параметры и функции системы цифрового управления по этим параметрам. По перечню функций и параметров построены исходные графы объектов риформинга для программы синтеза. С помощью программы синтеза и разработанной базы данных осуществлена генерация вариантов алгоритмических структур системы управления. Подробно рассмотрен первый шаг алгоритма структурного синтеза и применение порождающих правил для первого реактора.

Практическая значимость проведенных исследований подтверждается актами о внедрении результатов диссертационной работы:

• в научно-исследовательскую деятельность специального конструкторского бюро "Система" АООТ "Ленинец" ;

• в исследовательскую деятельность Белгородского центра новых информационных технологий ;

• в учебный процесс на кафедре автоматизации производственных процессов в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете);

• в учебный процесс на кафедре систем автоматизированного проектирования и управления в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (техническом университете).

Основные результаты работы апробированы:

• на конференции при Третьей Санкт-Петербургской Ассамблее молодых ученых и специалистов, проходившей в Санкт-Петербурге в декабре 1998 года ;

• на научно-технической конференции, посвященной памяти М.М. Сычева, проходившей в Санкт-Петербурге в мае 1997 года ;

• на конференции Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-12), проходившей в Великом Новгороде в июне 1999 года.

Основными положениями диссертационной работы, выносимыми на защиту, являются:

1) осуществление синтеза алгоритмической структуры системы управления на базе теории порождающих систем, реализуемого в рамках графовых преобразований с учетом информационных и логических связей на основе исходной и текущей информации ;

2) математический аппарат, позволяющий осуществлять организацию алгоритмической структуры системы управления с использованием типовых модулей в соответствии с поставленной целью для последующей ее проверки и декомпозиции на графе ;

3) разработанное ядро програ