автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Исследование задачи выбора морфологического описания объекта оперативного управления методом имитационного моделирования

Введение

1. Обоснование задачи исследования.

1.1. Обсуждение и формулировка задачи исследования.

1.1.1. Проблема построения описания сложного динамического объекта управления.

1.1.2. Задача выбора морфологического описания сложного динамического объекта оперативного управления.

1.2. Характеристика класса исследуемых объектов

1.2.1. Класс объектов исследования.

1.2.2. Система оперативного управления рассматриваемого класса объектов

1.3. Исходные данные к синтезу систем оперативного управления.

1.3.1. Анализ существующих методик и принципов синтеза систем управления.

1.3.2. Исходные данные к синтезу.

1.4. Обоснование 1фитериев системного анализа объектов оперативного управления.

1.4.1. Эффективность и критерии синтеза системы оперативного управления.

1.4.2. Основной критерий системного анализа объектов оперативного управления и понятие оперативной управляемости объектов в критериальном пространстве.

Выводы

2. Постановка задач анализа.

2.1. Задача выбора границ 00У.

2.1.1. Исходные предпосылки.

2.1.2. Постановка задачи выбора границ объекта оперативного управления.

2.1.3. Алгоритм решения задачи по критерию оперативной управляемости.

2.2. Задача оперативной наблюдаемости.

2.2.1. Состояние динамического объекта управления и его свойства

2.2.2. Исходные данные и алгоритм решения задачи оперативной наблюдаемости.

2.3. Анализ условий оперативной координируемости технологических процессов.

2.3.1. Предварительные замечания и исходные предпосылки решения задачи.

2.3.2. Постановка задачи.

2.3.3. Алгоритм решения задачи.

2.4. Напряженность функционирования объекта оперативного управления.

2.4.1. Исходные предпосылки исследования напряженности.

2.4.2. Исходные данные исследования напряженности

2.4.3. Постановка задачи исследования напряженности функционирования объекта.

Выводы

3. Результаты решения основных задач анализа в задаче выбора морфологического описания объектов оперативного управления.

3.1. Классификация результатов имитационных экспериментов

3.1.1. ЕЫбор методов классификации.

3.1.2. Критерий качества классификации в задачах анализа объектов оперативного управления.

3.2. Результаты решения основных задач анализа на примере горнообогатительного комбината.

3.2.1. Результаты решения задачи выбора границ объекта оперативного управления.

3.2.2. Результаты решения задачи оперативной наблюдаемости.

3.2.3. Результаты исследования оперативной координируемости.

3.2.4. Исследование оперативной напряженности. . 125 Выводы.

4. Методика системного анализа динамики материальных потоков объектов оперативного управления

4.1. Цель проведения системного анализа объектов оперативного управления.

4.1.1. Исходные предпосылки.

4.1.2. Системный анализ объектов управления.

4.2. Методика системного анализа и результаты ее • применения при исследовании горнообогатительного комбината как объекта оперативного управления

4.2.1. Анализ функционального назначения объекта оперативного управления

4.2.2. Анализ временных рядов.

4.2.3. Построение имитационной динамической модели объекта оперативного управления

4.2.4. Состав и содержание работ по проведению системного анализа.

4.2.5. Результаты использования методики в решении задачи выбора морфологического описания на примере горнообогатительного комбината.

Взводы.

5. Машинные имитационные эксперименты в системном анализе объектов оперативного управления.

5.1. Исходные предпосылки экспериментального изучения

00У методом имитационного моделирования.

5.1.1. Общие положения.

5.1.2. Исходные данные имитационного моделирования

5.2. Описание имитационных экспериментов.

5.2.1. Эксперименты по оценке вектора оперативной управляемости.

5.2.2. Имитационные эксперименты в решении задачи оперативной наблюдаемости

5.2.3. Имитация 00У в решении задачи оперативной координируемое ти.

5.2.4.Имитационные эксперименты в исследовании оперативной напряженности функционирования объектов.

Актуальность темы исследования. В настоящее время идет широкое внедрение вычислительной техники и экономико-математических методов в практику управления производством. Это требует наличия хорошо разработанных методик построения формализованных описаний объектов управления. Однако до настоящего времени ка -чество модели объекта управления в большей степени определялось искусством разработчика, чем строгими научными рекомендациями.

Особенно остро стоит вопрос построения формализованного описания сложных динамических объектов оперативного управления (ДООУ). Под оперативным управлением понимается совокупность целенаправленных воздействий на объект для достижения заданной программной траектории. Характерной особенностью такого управления динамическими объектами является малая длительность интервалов принятия решений, динамический характер изменения материальных: потоков, высокая неопределенность последствий управления.Все это делает исследование указанных объектов и вопросов оперативного управления особо сложной проблемой. Разрешение этой проблемы невозможно без надежного инструмента исследования - формализованного описания объекта.

Указанные особенности оперативного управления определяют ряд противоречивых требований к модели объекта: необходимость учета большого числа факторов различной природы, определяющих все многообразие динамики объекта, максимальная простота модели, обеспечивающая возможность ее использования в реальном времени.

Необходимость повышения эффективности оперативного управления сложными производствами на базе математических моделей, отсутствие научно-обоснованных методов конструирования моделей, высокая стоимость и трудоемкость анализа сложных технологий все это определяет актуальность исследования вопросов и методов построения описания динамических объектов оперативного управления.

Цель и задачи исследования. Одним из важнейших эталов построения описания является этап определения морфологии этого описания (модели). Исходя из этого, целью исследования ставится разработка методики анализа динамического объекта оперативного управления, позволяющей получить наилучшее с точки зрения оперативного управления морфологическое описание объекта.

Основные задачи, вытекающие из цели:

- определение критериев анализа динамических объектов оперативного управления;

- постановка и исследование набора задач, обеспечивающих построение морфологического описания:

- задача выбора границ объекта управления (описания);

- задача определения координат состояния и частоты их из -мерения (оперативной наблюдаемости);

- задача исследования оперативной координируемоети техно -логических процессов;

- исследование ограничений на оперативные управляющие воздействия (задача оперативной напряженности);

- разработка алгоритмов и программ решения указанных задач.

Методы исследования, применяемые в работе - методы системного анализа, имитационного моделирования, анализа временных рядов и матстатистики, кластер-анализа, теории управления, теории принятия решений.

Научная новизна результатов.

I. В работе предложена векторная оценка оперативной управляемости объекта в критериальном пространстве; обосновано ее использование в качестве критерия анализа ДООУ.

2. Решена задача выбора наиболее предпочтительных границ объекта оперативного управления (описания) по используемому критерию анализа.

3. Дано решение задачи определения набора координат состояния ДООУ, подлежащих имитации и контролю в процессе оперативного управления; частота контроля координат определяется с учетом скорости их реакции на ресурсы управления.

4. Исследована зависимость ограничений на скорость ввода ресурсов оперативного управления от уровня этого ресурса, находящегося в производстве.

5. Определены условия иерархического и автономного (децентрализованного) оперативного управления технологическими процессами, образующими единый производственный процесс.

Практическая ценность.

Полученные в работе результаты позволяют выдать конкретные рекомендации по изменению системы оперативного управления ДООУ с целью стабилизации технологических процессов, уменьшению простоя оборудования и снижению потерь в оперативном управлении.

Получаемое в результате исследования описание ДООУ, может быть использовано в виде имитационной модели в процессе принятия оперативных решений. Модели, обеспечивающей требуемую неоцреде -ленность прогноза последствий управления, обладающей минимально допустимой сложностью, требующей минимум оперативно измеряемой информации о состоянии ДООУ.

Содержащаяся в диссертации последовательность задач может рассматриваться как основа методики системного анализа объектов оперативного управления в рамках организационно-технологических (интегрированных) АСУ.

Использование указанных практических результатов работы,например, для горнообогатительного комбината "Удачнинский" объединения "Якуталмаз" позволяет снизить потери от оперативного управления с 1490 до 700 рублей в смену, стабилизировать шихтовку руд в рудопотоке: уменьшить нарушение шихтовки в среднем с 30 % до 8 %.

Внедрение результатов работы. На базе разработанной методики анализа, включающей результаты диссертационной работы, было проведено предпроектное обследование и составлено техническое задание на проектирование автоматизированной системы оперативного управления "Удачнинского" горнообогатительного комбината произ -водственного объединения "Якуталмаз", в соответствии с Постановлением Совета Министров СССР от 24 октября 1980 г. по развитию алмазодобывающей промышленности СССР, что обеспечивает 68 тыс. рублей ожидаемого годового дохода.

Задачи анализа динамических объектов, поставленные автором, были решены для Мирнинского рудника объединения "Якуталмаз" при разработке и внедрении системы оперативного управления основным производством. Методика системного анализа, изложенная в диссертационной работе, была применена при проектировании автоматами -рованной системы оперативного управления пластмассового производства предприятия п/я А-1456. Экономический эффект составляет 20 тыс.рублей в год.

Диссертационная работа проводилась в рамках НИР Новосибирского электротехнического института по темам: "Оперативное управле -ние основным производством ГОКа "Удачнинский" ПО "Якуталмаз" (№ гос.регистрации 79022613) и "Разработка структуры и алгорит -мов АСУ производственным процессом" гос.регистрации -01823027040 и 0183014415).

Основные методические положения и результаты работы используются в учебном процессе в курсах "Автоматизированные системы управления предприятиями", "Основы построения АСУ", "Проектирование подсистем и звеньев АСУ".

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

У1 Всесоюзном симпозиуме (с участием ученых социалистических стран) "Эффективность, качество и надежность эрготехничес -ких систем" (г.Новгород, 1981 г.);

Всесоюзной научно-технической конференции "Создание комп -лексных систем управления на предприятиях машиностроения с ис -пользованием ЭШ" (г.Омск, 1979 г.);

Всесоюзном научно-техническом семинаре "Управление при наличии расплывчатых категорий" (г.Кишинев, 1978 г.);

Областной научно-технической конференции "Опыт эксплуатации и современные тенденции развития АСУ" (г.Омск, 1976 г.);

Теоретических семинарах кафедры АСУ НЭШ, кафедры прикладной математики ТЛИ, кафедры автоматизации и процессов управления ЛЭТИ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ и одно учебно-методическое пособие.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка используемой литературы, приложения и сведений о внедрении.

Выводы.

Решенные в работе задачи позволяют на этапе анализа ДООУ получить имитационную модель объекта, наиболее полно отражающую его возможности по оперативному управлению и содержащую минимальный перечень координат, подлежащих имитации.

При синтезе систем оперативного управления ДООУ результаты диссертационного исследования позволяют определить:

- границы объекта оперативного управления (задача выбора границ описания);

- количественные характеристики неопределенности управления объектом (задача выбора границ описания);

- ограничения на управляющие воздействия;

- ограничения на интервалы принятия оперативных управляющих решений (задача определения координат состояний и частоты их контроля);

- точки и периодичность съема оперативной информации о состоянии объекта (задача определения координат состояний и частоты их контроля);

- тип структуры (иерархическая или децентрализованная) системы управления и условия его применения (задача определения условий иерархического и автономного управления).

Использование результатов диссертационной работы в реальном управлении конкретным объектом (горнообогатительным комбинатом) позволяет:

- стабилизировать технологические процессы;

- снизить потери от оперативного управления в два раза.

Указанные результаты диссертационной работы были проверены и внедрены на одном из горнообогатительных комбинатов производственного объединения "Якуталмаз",на предприятии п/я А-1456.

Основные методические и теоретические положения работы используются в учебном процессе кафедры АСУ НЭТИ.

Использование результатов диссертационного исследования возможно для анализа, оперативного управления, синтеза автоматизированных систем оперативного управления, широкого класса объектов, в которых велика стоимость принятия оперативных решений: производственные процессы, промышленные комплексы,системы противовоздушной обороны.

1. Форрестер Дж. Основы кибернетики предприятия,- М.: Прогресс, 1971,- 340 с.

2. Оперативное управление материальными потоками ГОКа "Удачнин-ский" производственного объединения "Якуталмаз". (Руководящие методические материалы по проведению системного анализа динамики материальных, энергетических и информационных потоков

3. ГОКа): Отчет / Новосиб.электротехн.ин-т; рук.работы В.Н, Ель-суков.- АСУ-1-79/А, В гос.per. 79022613; инв. № Б778162.-Новосибирск, 1979.- 87 с.

4. Первозванский A.A. Математические модели в управлении произ -водством.- М.: Наука, 1975.- 615 с.

5. Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических мно -гоуровневых систем.- М.: Мир, 1973.- 334 с.

6. Материалы обработки экспериментальных данных, анализ динамики функционирования ГОКа: промежуточный отчет / Новосиб. электро-техн.ин-т; рук.работы В.Н.Ельсуков.- АСУ-1-79/А, гос. per. 79022613; инв. № Б804946.- Новосибирск, 1979.- 48 с.

7. Смилянский Г. А. и др. Справочник проектировщика систем автоматизации управления производством.- М.: Машиностроение, 1976.589 с.

8. Общеотраслевые руководящие методические материалы по созданию автоматизированных систем управления предприятиями (АСУП).-Минск: изд-во ГКНТ при СМ СССР, 1972.- 376 с.

9. Боголюбов И.Н., Воронцова И.П., Овсневич Б.Л. Об одном подходе к выбору структур систем управления.- Изв.АН СССР. Сер. Техн.киберн.,1974, № 3, с.150-155.

10. Миллерова М.Г. Способ построения организационной структуры системы управления технологическим процессом непрерывного типа.-Изв. АН СССР. Сер. Техн.киберн. ,1980, $ 3, с.ПО-116.

11. Власюк Б.А., Моросанов И.С. Синтез иерархической структуры управления в больших системах.- Автоматика и телемеханика, 1973, £ 3, с.110-120.

12. Коекин А.И. 0 некоторых принципах построения иерархических систем.Управляющие системы и машины, 1975, № 2, с. 1-7.

13. Цвиркун А.Д. Структуры сложных систем.- М.: Сов.радио, 1975. 199 с.

14. Кегердинский Г.А. Принципы построения структур децентрирован-ных систем переработки информации.- Изв. АН СССР. Сер. Техн. киберн. ,1980, №5, с.31-40.

15. Вавилов A.A. Структурный и параметрический синтез сложных систем.- Л.: ЛЭТИ, 1979.- 94 с.

16. Бурков В.Н., Кондратьев В. В. Двухуровневые активные системы I.- Автоматика и телемеханика, 1977,6, с. 64-72.

17. Бурков В.Н., Кондратьев В. В. Двухуровневые иерархические системы П.- Автоматика и телемеханика, 1977, № 7, с.62-70.

18. Бурков В.Н., Кондратьев В. В. Двухуровневые иерархические системы Ш.- Автоматика и телемеханика, 1977, № 9, с.83-91.

19. Бурков В.Н., Кондратьев В. В. Двухуровневые иерархические системы 1У.- Автоматика и телемеханика, 1980, Jfc 6, c.IIO-117.

20. Моисеев И.Н. Элементы теории оптимальных систем.- М.: Наука, 1975, 526 с.

21. Гермейер Ю.Б. Игры с не противоположными интересами.- М. ¡Наука, 1976.- 328 с.

22. Розен B.B. Цель оптимальность - решение.- М.: Радио и СВЯЗЬ, 1982.- 168 С.

23. Бурков В.Н., Кондратьев В. В., Молчанова В. А., Щепкин A.B. Модели и механизмы функционирования иерархических систем (обзор).- Автоматика и телемеханика, 1977, № II, с.106-131.

24. Чернявский А.Л. Количественные методы исследования организационных систем П.- Автоматика и телемеханика, 1978, & 3,с.88-108.

25. Мильнер Б.З. Методы анализа и формирования организационных структур: опыт системного исследования.- В кн.: Системные исследования. Методологические проблемы. Ежегодник, 1980.-М.: Наука, 1980, с.109-134.

26. Гладких В.А., Перегудов Ф.И., Сагатовский В.Н. и др. Основы системного подхода и их приложение к разработке территори -альных автоматизированных систем управления.-Томск. :Изд-во Томск, ун-та, 1976.- 243 с.

27. Дружинин В. В., Конторов Д. С. Проблемы системологии.- М.: Сов.радио, 1976.- 296 с.

28. Федулов A.A., Федулов Ю.Г., Дыгичко В.Н. Введение в теорию статистически ненадежных решений.- М.: Статистика, 1979.334 с.

29. Мамиконов А.Г., Кульба В. В., Цвиркун А. Д., Косяченко С. А. Проектирование подсистем и звеньев автоматизированных систем управления.- М.: Высшая школа, 1975.- 248 с.

30. Габор Д. Перспективы планирования.- Автоматика, 1972, № 2, с.23-34.

31. Ивахненко А.Г., Зайченко Ю.П., Димитров В.Д. Принятие решений на основе самоорганизации.-М.:Сов.радио, 1976.- 280 с.

32. Авен О.И. Что же такое АСУ? М.: Наука, 1981.- 176 с.33,34,35,36