автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Методы, модели и алгоритмы управления процессами в производственных системах

На правах рукописи

МУХИН КИРИЛЛ ОЛЕГОВИЧ

МЕТОДЫ, МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМАХ

Специальность: 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в

промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир - 2013

005538243

Работа выполнена на кафедре «Информационные системы и программная инженерия» (ИСПИ) Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ) '

Научный руководитель:

Костров Алексей Владимирович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры ИСПИ ВлГУ, г. Владимир

Официальные оппоненты:

Егоров Игорь Николаевич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры автоматизации технологических процессов ВлГУ

Затонский Андрей Владимирович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автоматизация технологических процессов» Березниковского филиала ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», г. Березники Пермского края

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Костромской государственный технологический университет», г. Кострома

Защита состоится «.^М...» ..Л^^^.РА...................... 2013г. в 14ч. на заседании

диссертационного совета Д212.025.0Т во Владимирском государственном университете по адресу: г. Владимир, ул. Горького, д. 87, корп. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» по адресу: г. Владимир, ул. Горького, д. 87, корп. 1.

Автореферат разослан « 0.1...» М«*Щ.......20ІЗ

)года

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, направлять по адресу совета университета: 600000, г. Владимир, ул. Горького 87, ВлГУ, ученому секретарю диссертационного совета Д212.025.01.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., доцент

Давыдов Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Современные производственные процессы обладают рядом особенностей, а именно: сложной элементной структурой и изменчивостью ее тополог™ в краткосрочной временной перспективе, динамичностью, распределенностью и неравномерностью во времени описывающих их параметров и переменных, наличием возмущений, способных серьезно отклонить ход течения производственных процессов от плановой траектории, наличием быстро меняющихся целей управления и противоречивых критериев оценки эффективности. В связи с этим, введение эффективного управления производственными процессами позволяет значительно снизить производственные издержки, а также уменьшить время на принятие управленческих решений.

Именно поэтому в условиях диверсификации и усложнения структуры производственных процессов, усложняющейся структуры изделий, высокой динамичности современного производства, массового применения инновационных высокотехнологичных приборов задача исследования и управления производственными процессами является актуальной.

Однако аналитические модели недостаточно точно описывают сложные системы, а при попытках их уточнения они становятся столь сложными, что получить решение таких уравнений классическими методами теории управления не представляется возможным. В связи с этим с развитием цифровых средств автоматизации стало широко использоваться исследование сложных систем на основе их имитационных моделей.

Вопросам системного анализа и синтеза, а также системного моделирования, в том числе на основе имитационных моделей, посвящен широкий круг работ как зарубежных, так и отечественных авторов; в их число входят Ю.П. Адлер, Д.В. Александров, Е.И. Альтман, С.М. Ара-келян, B.C. Балакирев, JI.A. Бахвалов, И.П. Болодурина, В.Н. Волкова, А.И. Галушкин, A.A. Давыдов, A.A. Денисов, В.В. Дик, Е.В. Егоров, A.A. Емельянов, Е.З. Зиндер, Г.Н. Калянов, A.M. Карминский, В. Кельтон, Н.Б. Кобелев, A.A. Кобзев, В.Ф. Корнюшко, A.B. Костров, P.E. Кузин, Г.Г. Куликов, А. Лоу, Р.И. Макаров, В.И. Малюгин, Е.Г. Ойхман, A.A. Первозванский, Э.В. Попов, С.С. Садыков, С.А. Яковлев и др. Особенностями управления производственными процессами, в том числе на основе имитационных моделей, занимались в своих исследованиях такие авторы как: Р. Бергман, О.В. Веселое, И Н. Егоров, В.Ф. Коростелев, A.B. Затонский, В.П. Ки-рилица, О.В. Логиновский, Р.И. Макаров, Т. Нейлор, Б.Я. Советов, Ю.С. Харин, С В. Черемных и др. В качестве основного недостатка используемых имитационных моделей производственных процессов следует отметить сложность их модификации, а также возможность применения для ограниченного круга задач. Кроме того, применение аналитических (строгих) методов принятия решений при использовании таких моделей весьма затруднено.

Выявлено, что для повышения эффективности управления производственными процессами в условиях автоматизации и информатизации производства имитационные модели долж-

ны обладать следующими свойствами: адекватностью описания управляемого объекта, соответствующей заданной точности; высокой степенью модифицируемости и элементной структурой; наличием комплексной реакции на управляющие воздействия; наглядностью отображения производственных процессов; возможностью автоматизированного применения к ним строгих методов теории управления, а также должны обеспечивать точность и скорость расчетов.

Наличие в модели перечисленных свойств позволит повысить скорость принятия управленческих решений за счет ускорения моделирования производственных процессов, повысить точность моделирования и снизить затраты на модификацию модели в случае появления изменений в соответствующих реальных производственных процессах за счет возможности оперативного изменения ее параметров, структуры и связей, а также повысить эффективность управления за счет применения к модели процедур оптимизации.

Таким образом, по своему существу разработка модели управления производственными процессами является актуальной научно-технической задачей.

Объект исследования. Объектом диссертационного исследования являются дискретные структурно-модифицируемые производственные процессы.

Предмет исследования. Предметом диссертационного исследования являются системы управления дискретными структурно-модифицируемыми производственными процессами.

Цель работы. Целью работы является повышение эффективности управления дискретными структурно-модифицируемыми производственными процессами.

Задачи исследования. В рамках диссертационного исследования поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработана модель динамических структурно-модифицируемых производственных процессов, обладающая требуемыми свойствами.

2. Разработан инструмент конструирования имитационных моделей динамических производственных процессов на основе моделей элементов этих процессов.

3. Предложены методика автоматизированной оценки эффективности производственных процессов для расчета оптимального управления на их имитационных моделях и критерии оценки эффективности управления.

4. Разработаны автоматизированный метод, алгоритм и пользовательский интерфейс для оптимального управления сложными производственными процессами на основе имитационной модели.

Научная новизна результатов работы состоит в следующем.

1. Разработанная имитационная модель дискретных структурно-модифицируемых производственных процессов имеет такой элементный состав, который позволяет в условиях производства собирать автоматизированным спосооом модель процесса и ее модификации из

элементов, обеспечивая при этом требуемую адекватность представления сложных процессов.

2. Разработанный инструмент конструирования моделей производственных процессов путем их сборки автоматизированным способом из моделей выделенных типовых элементов отличается тем, что не требуется составлять полное формализованное описание процесса на математическом языке или языке программирования, что позволяет упростить и ускорить процесс управления, повысить точность и эффективность процедуры принятия решений.

3. Разработанная методика автоматизированной оценки (прогноза) эффективности производственных процессов с использованием их имитационных моделей и предложенных критериев позволяет применить принцип максимума Понтрягина к имитационной модели системы для расчета оптимального управления ею и дать оценку эффективности управления динамическими процессами в нелинейной системе со сложной структурой.

4. Предложен метод управления производственными процессами и комплекс реализующих его алгоритмов, позволяющий в автоматизированном режиме изменять не только значения параметров, возмущений и ограничений, но и структуру модели и критерии эффективности, оперативно наблюдая (прогнозируя) результат управления, что обеспечивает высокую эффективность управления структурно-модифицируемыми сложными объектами в реальном производстве.

Практическая значимость. Модель, инструмент, методика, метод и алгоритмы, предложенные в рамках диссертационной работы, позволяют автоматизировать управление производственными процессами, увеличивают точность описания процесса за счет применения объектного способа имитации при составлении модели, одновременно используя такую форму записи свойств элементов, которая позволяет применить к ним принцип максимума Понтрягина для расчета оптимального управления.

Использование объектного способа составления имитационной модели позволяет сократить время конструирования и модификации моделей производственных процессов за счет сборки их из элементарных моделей. Использование формальной записи модели и применение, таким образом, к ней принципа максимума Понтрягина для решения задач оптимального управления позволяет повысить эффективность управления производственными процессами.

Таким образом, предложен комплексный автоматизированный метод оценки (прогноза) эффективности производственных процессов и управления ими, и создан инструмент проектирования моделей производственных процессов на базе среды моделирования Stratum 2000.

Данный инструмент целесообразно применять для управления дискретными производственными процессами потокового типа на промышленных предприятиях различных отраслей со сложной структурой.

Методы исследования, использованные в работе, включают методы анализа, исследования и классификации предметной области, а также методы имитационного моделирования и объектно-ориентированный подход при проектировании моделей, методы теории оптимального управления.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Динамическая элементная модифицируемая модель производственных процессов.

2. Инструмент конструирования моделей производственных процессов из набора типовых элементов, позволяющий автоматизированным способом составлять достоверные модели сложных объектов с требуемым уровнем точности.

3. Методика автоматизированной оценки (прогноза) эффективности производственных процессов на основе применения принципа максимума Понтрягина к их имитационной модели, а также критерии оценки эффективности управления.

4. Метод и реализующие его комплекс алгоритмов, пользовательский интерфейс для построения моделей производственных процессов, расчета оптимального управления ими в условиях реального производства, а также для анализа влияния топологии и параметров модели на степень эффективности управления процессами в условиях возмущений.

Апробация и внедрение результатов исследования. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Молодежной научно-практической конференции «Молодежная наука Прикамья» (г. Пермь, 2006), Всероссийской научно-практической интернет-конференции «Автоматизированные системы управления и информационные технологии» (г. Пермь, 2006), научно-практической конференции «Высокие технологии, исследования, промышленность» (г. Санкт-Петербург, 2010), IV Международной научно-практической конференции «Перспективы развития информационных технологий» (г. Новосибирск, 2011), 12 Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2011).

Результаты диссертации внедрены в ОАО НПО «Искра» (г. Пермь) и в учебный процесс кафедры информационных систем и программной инженерии ВлГУ.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 11 статьях, в том числе 5 статьях в рецензируемых научных изданиях, входящих в Перечень ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения и изложена на 144 страницах машинописного текста, библиография включает 147 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены основные положения, раскрывающие состояние проблемы и актуальность диссертационного исследования, его научную новизну, практическую значимость, описаны цель и задачи работы.

Первая глава «Современное состояние имитационных комплексных моделей управления сложными производственными процессами» посвящена аналитическому обзору существующих моделей производственных процессов, описанию основных проблем предметной области, а также современным средствам управления производственными процессами. При этом выделены следующие требования к современным моделям производственных процессов:

- высокая точность получаемых результатов, достоверность и обоснованность решений;

- высокое быстродействие;

- адекватная реакция на действия пользователя;

- высокая степень модифицируемости (гибко настраиваемые параметры, начальные условия, ограничения, критерии, структура);

- наглядность отображения информации о состоянии системы;

- автоматизация процедуры управления, соответствующей модифицируемым моделям.

На этом основании сформулированы задачи разработки модели динамических структурно-модифицируемых производственных процессов, инструмента конструирования этих моделей, методики автоматизированной оценки эффективности производственных процессов, а также метода и комплекса реализующих его алгоритмов для поиска оптимального управления производственными процессами.

Вторая глава «Классификация, модели и алгоритмы типовых производственных элементов» посвящена описанию математического аппарата, структурных и блок-схем типовых элементов производственных процессов. С точки зрения автоматизации производственный процесс как система включает несколько типовых подпроцессов. Для их единообразного описания предлагается использовать следующие базовые уравнения с переменными: 11,(1)- интенсивность обработки изделий на / элементе производственного процесса (поток), [ед.трудоемкости/ед.времени], \У,(0 - запас изделий для обработки на / элементе производственного процесса [ед.трудоемкости].

1. Уравнение простого обрабатывающего элемента:

''Ц— = ч,И) •«'(»', (»)) -!/<<)• 'Л С» •

¿Л

представляющее собой уравнение баланса входящих и исходящих изделий на заданном участке процесса. Введением мультипликации производительности 1/(1) с единичной функцией Хевисайда е<1() от состояния обрабатываемого потока 1¥(1) учтено, что производительность бу-

дет равна нулю, если на входном складе отсутствуют изделия. Данное уточнение вносит нелинейность в описание процесса.

2. Уравнение, учитывающее переполнение склада элементов производственного процесса:

= ир (I) * е<1(№р (Г)) » «/((Г, - №) - и (!) * ее/(№(!)) * е<ЦИГ„ - (Г,) >

отражает ситуацию, при которой производительность равна нулю в случае возникновения переполнения склада следующего элемента.

3. Величина брака й(1) учитывается в качестве отдельного слагаемого в уравнении потока производственного процесса.

ир0)' е<1(1¥р(,)) -и(0' е</(Ж<0) - 0(0.

На основе приведенных уравнений построена классификация базовых элементов производственных процессов, разработаны их аналитические модели, уточненные с помощью аналитических компонентов (таблица 1). Классификация обеспечивает формализацию и разбиение сложного производственного процесса на элементы и его дальнейшую автоматизированную модификацию, включая структуру, путем оперирования элементами и связями в дополнение к оперированию переменным и параметрам.

С целью уточнения свойств процесса в рамках классификации произведена эквивалентная замена аналитических выражений в правой части дифференциальных уравнений на алгоритмические аналоги, представленные в дальнейшем модулями, позволяющая представить реальный сложный объект в комплексной модели с заданной точностью.

Таким образом, имеется набор аналитических моделей производственных элементов, свойства которых уточнены с помощью численных процедур для достижения большего соответствия поведения модели реальному ходу течения производственных процессов. Благодаря тому, что введенная для количественного выражения переменных модели координата «трудоемкости» является непрерывной величиной, стало возможно применение аналитической формы записи модели элементов, уточненной численными процедурами, для моделирования и управления производственными процессами.

Таблица 1 - Модели элементов производственных процессов

Третья глава «Постановка задачи управления производственным процессом» посвящена описанию метода решения задачи оптимального управления и методики автоматизированной оценки (прогноза) эффективности производственных процессов с использованием имитационных моделей. При этом учтено, что в процессе функционирования узлы обработки подвергаются возмущениям различного рода, которые вызывают отклонения процесса выпуска или

обработки изделий от плановых показателей. Выявлено, что все возмущения на ведение технологического процесса сводятся к комбинации следующих двух типов возмущений.

1. Выбытие части изделий из производственного процесса вследствие их непригодности для дальнейшей обработки по каким-либо характеристикам под действием факторов, вызывающих брак.

2. Изменения производительности обработки изделий, связанные со снижением интенсивности выпуска продукции в отдельном узле обработки из-за выхода из строя части оборудования, невыходом рабочих на смену, изменением качества сырья и т.п.

Возмущения первого типа представляют собой появление на технологической линии провала («дырки») в функции количества изделий в зависимости от номера узла обработки (трудоемкости обработки, заложенной в технологической карте). При отсутствии специальных регулирующих воздействий «дырка» со временем достигает конца технологического процесса, что сказывается на выпуске готовых изделий временным снижением темпа их поступления на склад готовой продукции и в дальнейшем невыполнением плана.

Возмущения второго типа представляют собой появление одновременно провала («дырки») и скопления («горки») в точке пережатия потока изделий остановкой процесса обработки. При этом «дырка» образуется вследствие того, что остановка обработки в отдельном узле влечет за собой остановку последующих узлов линии из-за недостатка изделий для обработки; «горка» образуется вследствие того, что узел, охваченный возмущением, не может пропустить изделия дальше по линии, и они скапливаются на входном складе данного узла, а в дальнейшем - и на складах предыдущих узлов. Разрастаясь, возмущение усугубляет ситуацию.

Реальный производственный процесс включает композицию возмущений как первого, так и второго типа, распределенную по структуре, и требует нетривиальных воздействий по их компенсации, упорядочению его поведения, обеспечению результата и эффективности управления. Критерии управления, применяемые для этого, представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Критерии управления производственным процессом.

Наименование критерия Формула для расчета критерия

Количество затраченного труда на обработку всего количества изделий на каждом узле производственного процесса. г!Р -± = и](1)+и2(1)+...+ип(0 ш

Количество изделий, ожидающих обработки на узлах производственного процесса. Р2 =1¥1{1) + Цг1{1) + ... + 1¥„(1)

Степень неравномерности распределения производственных мощностей по узлам обработки. Рг=\и1-иг\ + р,-и,\ + ... + рп_,-и„\

Степень неравномерности распределения изделий, ожидающих обработки на узлах.

Наименование критерия Формула для расчета критерия

Неравномерность распределения производственных мощностей во времени., „ <1и, аиг ¿и, р, = —1 + —- +... + —-5 <Л Л Л

Количество изделий на складе готовой продукции

Выпуск готовой продукции с нарастающим во времени итогом. и с;

Количество продукции, ожидающей обработку на узлах к совокупной производительности производственного процесса. р и,+и2+... + и„ 8 Иг1+Цгг+... + Яг„

Отклонение фактических показателей производства от плановых значений. А = К + №-&„{ + ■■■ + К -1 ИР

Производственный процесс сам по себе характеризуется наличием в нем средств управления, с помощью которых возможна компенсация возникающих возмущений. Основным таким средством является согласованное управление производительностью отдельных узлов производственного процесса для достижения общего результата. Для этого осуществляется выравнивание незавершенного производства как статичного ресурса обеспечения ритмичности и выполнения плана путем распределения производительных сил предприятия (рабочие, производственные компоненты, энергия) по узлам обработки, за счет чего течение производственного процесса в целом становится организованным, что гарантирует достижение результата производства и его эффективность.

Кроме того, важными средствами управления являются: наличие задела в производственном канале для компенсации последующих возможных возмущений; поставка изделий на первый узел обработки производственного процесса; управление потреблением готовой продукции на конечном узле обработки, которое в зависимости от конкретного производства может являться как управлением, так и возмущением; согласованное распределение фонда производительных сил. Данное средство управления представляет собой фонд заработной платы и производственные мощности, выделенные на конкретный временной период. Оно является интегральной величиной ¿, задаваемой для производственного процесса в целом, и подлежит распределению по отдельным производственным участкам.

Второй важнейшей целью производства является минимизация отклонения плана готовой продукции от его выпуска на конец планового периода, что гарантирует результат и эффективность его достижения в малом.

Таким образом, выделив возмущения, цели, основные переменные управления узла обработки, можно сформулировать задачу управления производственным процессом:

J = fJccl(Wl(T)-W:(T)y +aJ\fj(Wl-Wl_>fdt i n

.-I о i-2 U10

(показатель неравномерности незавершенного производства и выполнения плана) U,_t(t)* ed(Wt.,(l)) - U,U)*ed(Wt(t)) - D,(t) ,i = l'n

at

(модель технологической линии)

0 <Ul(t)<Ai

(вектор управления)

що ),W;(T),T

(начальные и краевые условия)

(ресурс производительности обработки) Z = С* L (плата за предоставляемый ресурс)

Задача управления производственным процессом сводится к подбору таких управляющих воздействий U(t) в рамках заданных ограничений A(t) и с учетом возмущений D(t), обеспечивающих достижение требуемых значений критерия J.

Алгоритм нахождения экстремума управляющей функции (распределение производительности обработки изделий по узлам обработки технологической линии) будет следующим.

1. Назначается исходное приближение U °(t) для функции управления U (I).

2. На каждой итерации j=0,l,2,... при управлении UJ(t) и соблюдении начального условия (to) = W о интегрируется одним из численных методов система дифференциальных уравнений на участке от t=lo до /=4-

3. Интегрируется система, сопряженная дифференциальному уравнению, с известными

конечными условиями V (it) ОТ t=tk к t=to.

дН

4. С помощью ^ J(t), w J(t), UJ(t) вычисляется градиент функции Гамильтона ^ W .

5. Установив длину шага процедуры поиска И по выражению Л и J(t) = И* —, опре-

dU'( t)

деляется коррекция AUJ(t) управления U'(t), которая дает новое значение управления UJ*'(t) = U'(t) + A UJ(t), j=0,1,2,...

6. Вычисленное значение нового вектора управления корректируется с учетом ограничений:

uJ(t)=

u'(t)JJ m„<u (t)<U* U„b,Umia > U'(t) < UJ(t)

При новой функции UJ+,(t) процесс вычисления повторяется для дальнейших значений j, начиная с шага 2, до тех пор, пока не будет достигнута требуемая точность е, и выполнится условие \Л J\ <е.

В четвертой главе «Реализация программного инструментария для конструирования моделей производственных процессов, моделирования, управления и оценки эффективности» рассмотрены вопросы реализации разработанного инструментария и особенности его применения; для этих целей использованы возможности среды моделирования Stratum 2000. В главе приведен также пример практического применения разработанного инструментария применительно к условиям управления производственной линией изготовления стеновых материалов и элементов благоустройства методом полусухого вибропрессования (рисунок 1).

Рисунок 1 - Структурная схема производственной линии изготовления стеновых материалов и элементов благоустройства методом полусухого вибропрессования.

Данная производственная линия строится по модульному принципу и каждый ее элемент достаточно автономен. В связи с этим появляется возможность встраивать дополнительные параллельные резервные элементы, дублирующие уже имеющиеся, с целью повышения устойчивости производственной линии к отказам отдельных ее узлов.

Изготовление стеновых материалов и элементов благоустройства методом полусухого вибропрессования представляет собой процесс обработки смеси на производственной линии, состоящей из 8 элементов. Для определения управления производственным процессом необходимо составить ее модель, систему из 8 уравнений, и подключить их имитационный аналог.

dWl dt dW 2 dl dW, dl dW4 Л tflT, dt dW, dt dW7 dl dW, Л

1,1/, (<)«*[»', (Ol

k,U3(t) ed[W, (()] -k,U,(l-T) ed[W, (()] •k,U<(•-*) 'd\wr,(t)\ - k< [/,(>) ed[W, (/)] : ks Ui(t)ed[W,(t)] - k7U,(l) ed[Wt (I)] . t, [/,(<) «*[»', (')] " U, (<) (l)]

¿У,

~л

dW2 tft

<Л

dt dW, Л

Л

dt dW, dl

L=f(Wi,U„t)

= f(W2,U„')

■i- = /(W„W„U„U„I,T) = f(W„W„U„U„t,t) = f{W„Wt,Ui,Ui,t) = /(»'„»',.{/.,(/„0 = /(w7,(/,,();

Критерий выполнения плана будет выглядеть следующим образом:

г

р = (0 - Wg(0)2 dt m_in

о

Однако при составлении дифференциальных уравнений был принят ряд допущений (время транспортировки, равное нулю; время сборки, равное нулю; переход изделия на следующий участок в виде цельной неделимой единицы), которые отражаются на точности модели. Замена правых частей уравнений на их функционально-алгоритмические аналоги позволяет избежать этих допущений без изменения алгоритмов расчета оптимального управления.

Далее производится замена функций / на модули М, уточняющие значения возвращаемых значений правых частей дифференциальных уравнений, передача их в алгоритм расчета оптимального управления. Графики изменения во времени оптимальных значений производительности обработки и ресурсов, ожидающих обработки на элементах, представлены на рисунке 2 (единица оси t соответствует 1 мин. 37 сек. реального производственного процесса).

15

10

0

5 -

U

о

5

10

15

20

25

Рисунок 2 - Графики запасов ресурсов и производительности для отдельных участков производственного процесса.

Расчет оптимального управления производственным процессом показывает, что при запуске производственной линии для выхода оборудования в рабочий режим требуется некоторое время, поскольку изначально оно находятся в режиме подготовки к работе. Из-за этого происходит нежелательное накопление смеси для обработки на смесителе (возмущение типа "горка"). С помощью процедуры оптимизации управления удается скомпенсировать это возмущение, параллельно выводя оборудование на стабильный рабочий режим. Так происходит постепенная компенсация избытка ресурсов на узлах, а затем вывод производительности на оптимальное значение. В дальнейшем при образовании новых возмущений («провалов» и «горок») на узлах обработки алгоритмом оптимизации управления удается при наличии соответствующих ресурсов компенсировать их влияние на результат производства (обеспечить выполнение плана).

Решена также задача управления данным производственным процессом в условиях распараллеливания узлов обработки и оценена эффективность данного управляющего воздействия.

Поскольку, благодаря элементной структуре модели, уравнения, описывающие отдельные элементы представляют собой линейные функции (нелинейность задачи проявляется в связях между элементами и в характере различного рода возмущений), траектория поиска решений представляет собой монотонную функцию, что обеспечивает сходимость алгоритма поиска оптимального управления.

Автоматизированный расчет задачи с получением оптимального решения производится за 20 сек. на микропроцессоре Intel 2 гГц. Каждый дополнительный узел обработки в составе модели производственного процесса увеличивает время решения на 2 сек. При автоматизации решения задачи управления структурой модели посредством добавления или замены ее элементов затрачивается машинное время порядка 30 сек. на элемент.

Применение методов оптимального управления с использование имитационной модели в условиях производственного процесса изготовления стеновых материалов и элементов благоустройства методом полусухого вибропрессования позволило не только сократить время произ-

водства готовых изделий на 14,3%, но и сократить на 65% незавершенное производство - количество изделий, ожидающих обработки на промежуточных участках производственного процесса, что, в свою очередь, приводит к снижению производственных издержек.

Проведено исследование чувствительности результата / к величине задаваемых ограничений и условий ведения процесса. Условиями, ухудшающими работу и результаты производственного процесса, являются: нехватка ресурсов (пропускной способности, незавершенного производства), их неравномерное распределение по узлам обработки, задержки в обработке и поставке сырья, увеличение доли выпуска некондиционной продукции, место выпуска некондиционной продукции, момент выпуска некондиционной продукции по отношению к концу планового периода, размер партии. При решении задачи нахождения оптимального управления определялось критическое значение ресурсов и степень ухудшения результатов в зависимости от степени дефицита каждого ресурса и влияния возмущения.

Таким образом, в главе приведено решение задачи оптимального управления процессом изготовления стеновых материалов и элементов благоустройства методом полусухого вибропрессования на его комплексной математическо-алгоритмической объектной модели с применением принципа максимума Понтрягина. Исследовано влияние структуры процесса, его параметров, ограничений и возмущающих факторов на решение задачи.

В заключении представлены основные результаты и выводы по работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В ходе решения задачи разработки моделей производственных процессов как цепей из типовых элементов, инструмента конструирования, методики оценки эффективности производственных процессов и метода поиска оптимального управления в них получены следующие результаты.

1. Анализ предметной области позволил обосновать необходимость создания инструмента, позволяющего строить модели дискретных нелинейных структурно-модифицируемых производственных процессов, моделировать их поведение и находить управление ими, а также необходимость разработки метода оценки эффективности управления производственными процессами.

2. Разработанный набор представлений типовых производственных элементов позволяет конструировать модели производственных процессов, организуя их структуру и связи согласно топологии реальных производственных процессов, обладающие следующими свойствами: высокой степенью модифицируемости, возможностью обеспечения требуемой точности и скорости расчетов, наличием адекватной реакции на управляющие воздействия, наглядностью отображения хода производственных процессов, элементной структурой, возможностью

организации на их основе автоматизированных процессов принятия решений персоналом предприятия.

3. Разработан способ и инструмент проектирования имитационных моделей производственных процессов из моделей отдельных элементов этих процессов.

4. Разработана методика автоматизированной оценки (прогноза) эффективности производственных процессов на основе применения принципа максимума Понтрягина для расчета оптимального управления на их имитационных моделях, предложены критерии оценки эффективности управления ими.

5. Предложены автоматизированный метод, алгоритм, информационное и программное обеспечение для оптимального управления сложными производственными процессами на основе имитационной модели и оценки степени эффективности управления ресурсами.

6. Результаты диссертации внедрены в ОАО НПО «Искра» (г. Пермь). В ходе экспериментов доказано, что использование построенной модели значительно улучшает показатели производства, ускоряет процесс принятия решений и прогнозирования результатов в ходе управления производственными процессами предприятия, а также значительно упрощает работу лиц, управляющих производственными процессами.

ПУБЛИКАЦИИ В ИЗДАНИЯХ, РЕКОМЕНДОВАННЫХ ВАК

1. Мухин, К.О. Классификация базовых производственных элементов и применение методов имитационного моделирования при управлении производством [Текст] / К.О. Мухин // Информационно-измерительные и управляющие системы. Научный рецензируемый журнал. - М: Радиотехника. - 2012. - № 3. - С. 7-11.

2. Мухин, К.О. Методы, модели и алгоритмы управления рисками в сложных производственных системах [Текст] / К.О. Мухин // Нейрокомпьютеры. Научный рецензируемый журнал. - М: Радиотехника. - 2012. - Ms 4. - С. 60-63.

3. Мухин, К.О. Исследование проблем управления сложными производственными системами [Текст] / A.B. Костров, К.О. Мухин // Нейрокомпьютеры: разработка, применение. Научный рецензируемый журнал. - М: Радиотехника. - 2013. - № 9. - С. 65-70. (Соискатель 50%)

4. Мухин, К.О. Описание моделей базовых элементов объектно-ориентированной модели производственных процессов для нахождения оптимального управления [Текст] / A.B. Костров, К.О. Мухин // Наукоемкие технологии. Научный рецензируемый журнал. - М: Радиотехника. -2013. - № 4. - С. 62-67. (Соискатель 70%)

5. Мухин, К.О. Метод применения объектно-ориентированных имитационных моделей для управления сложными производственными процессами [Текст] / A.B. Костров, К.О. Мухин // Нелинейный мир. - М: Радиотехника. - 2013. - № 5. - С. 332-337. (Соискатель 75%)

ПУБЛИКАЦИИ В ЖУРНАЛАХ, СБОРНИКАХ И МАТЕРИАЛАХ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ КОНФЕРЕНЦИЙ

1. Мухин, К.О. Современное программное обеспечение как средство автоматизации решения инженерных проблем [Текст] / К.О. Мухин // Сборник материалов всероссийской научно-практической Интернет-конференции «Автоматизированные системы управления и информационные технологии». - Пермь: Изд-во ПГТУ. - 2006. - С. 388-392.

2. Мухин, К.О. Управление рисками в сложных производственных системах и решение! производственных задач различной сложности [Текст] / К.О. Мухин // Сборник научных трудов «Высокие технологии, исследования, промышленность». Том 3. - СПб: Изд-во СПб ГПУ. -I 2010.-С. 102-104.

3. Мухин, К.О. Анализ современных средств моделирования производственных процессов [Текст] / К.О. Мухин // Сборник трудов XII Международной научно-практической конференции «Высокие технологии, фундаментальные исследования, экономика», 8-10 декабря 2011 г. -СПб: Издательство Политехнического университета. - 2011. - С. 14-16.

4. Мухин, К.О. Проблемы управления современными производственными системами и| уровни ведения производственной деятельности [Текст] // К.О. Мухин / Сборник научных трудов «Современные тенденции в науке: новый взгляд». Часть 4. - Тамбов: Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество». - 2011. - С. 93-94.

5. Мухин, К. О. Модели и задачи управления рисками в сложных производственных системах [Текст] / К.О. Мухин // Сборник материалов IV международной научно-практической кон-i ференции «Перспективы развития информационных технологий», 18 августа 2011 г. - Новосибирск: Изд-во НГТУ. - 2011. - С. 127-130.

6. Мухин, К.О. Методы, модели и алгоритмы управления рисками в сложных производственных процессах [Текст] / К.О. Мухин // Сборник материалов IV Международной научно-практической конференции «Вопросы науки и техники». 16 января 2012 г. Часть 1. - Новосибирск: Изд-во «ЭКОР-книга». - 2012. - С. 107-110.

Подписано в печать 30.10.2013 г. Формат 60x84/16. Бумага для множит, техники. Гарнитура Тайме. Печать офсетная. Тираж 100 экз. Заказ 851 - 2013 г.

Отпечатано с готового оригинал-макета в ФКУ «ЦХиСО УМВД России по ВО» 600020, Б. Нижегородская, 88-Д.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и

Николая Григорьевича Столетовых»

На правах рукописи .

04201456239

МУХИН Кирилл Олегович /

Методы, модели и алгоритмы управления процессами в производственных системах

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами

и производствами (по отраслям)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук профессор Костров А. В.

Владимир - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...........................................................................................................................6

1. Современное состояние имитационных комплексных моделей управления сложными производственными процессами...............................................................14

1.1. Технология использования методов имитационного моделирования в управлении производством................................................................................14

1.2. Типы современных имитационных моделей управления сложными производственными процессами.......................................................................17

1.2.1. Классы имитационных моделей....................................................17

1.2.2. Необходимые свойства имитационной модели производственных процессов...................................................................23

1.2.3. Требования к современным средствам проектирования и эксплуатации имитационных моделей управления сложными производственными процессами.............................................................24

1.3. Описание объекта управления....................................................................27

1.3.1. Описание узла обработки как базового модуля производственного процесса....................................................................27

1.3.2. Свойства узла обработки................................................................28

1.3.3. Описание связей, возникающих между узлами

обработки...................................................................................................29

1.3.4. Возмущения, оказывающие влияние на работу узлов обработки...................................................................................................31

1.4. Формулирование целей и задач диссертационного

исследования........................................................................................................35

2. Классификация, модели и алгоритмы типовых производственных элементов........................................................................................................................37

2.1. Моделирование производственных процессов на основе имитационных моделей.................................................................................................................37

2.1.1. Описание современных производственных процессов...............38

2.1.2. Требования к моделям производственных процессов.................38

2.2. Разработка модели модуля производственного процесса........................40

2.3. Классификация производственных модулей.............................................43

2.3.1. Модуль «Простейший обрабатывающий модуль»......................43

2.3.2. Модуль «Начальный участок производственного

процесса»....................................................................................................52

2.3.3. Модуль «Сборочный модуль производственного

процесса»....................................................................................................55

2.3.4. Модуль «Транспортный элемент производственного процесса»....................................................................................................60

2.3.5. Модуль «Конечный участок производственного

процесса»....................................................................................................65

2.3.6. Модуль «Компонующий участок производственного процесса»....................................................................................................68

2.3.7. Модуль «Партия»............................................................................69

2.3.8. Модуль «Распределяющий участок производственного процесса»....................................................................................................71

2.3.9. Управляющий модуль производственного процесса..................72

2.3.10. Модуль-критерий производственного процесса........................72

2.4. Принципы построения моделей производственных процессов...............73

2.4.1. Проектирование структуры имитационной модели производственных процессов...................................................................74

2.4.2. Моделирование производственных процессов на имитационной модели........................................................................................................77

Выводы по главе..................................................................................................82

3. Управление производственным процессом с помощью имитационной модели.............................................................................................................................83

3.1. Общая постановка задачи управления производственным процессом.............................................................................................................83

3.2. Критерии и показатели, описывающие нормальное функционирование производственного процесса..............................................................................86

3.3. Формулирование задачи управления производственным

процессом.............................................................................................................89

3.4. Нахождения оптимального управления производственным процессом.............................................................................................................93

3.5. Методика расчета оптимального управления технологической линией дискретного производства..................................................................................99

3.5.1. Алгоритм нахождения оптимального управления модулей производственных процессов...................................................................99

3.5.2. Контрольня задача №1, иллюстрирующая методику нахождения оптимального управления......................................................................101

3.5.3. Управление параметрами и структурой технологической линии дискретного производства......................................................................105

3.5.4. Контрольня задача №2, иллюстрирующая методику нахождения оптимального управления......................................................................105

3.5.5. Контрольня задача №3, иллюстрирующая методику нахождения оптимального управления......................................................................109

3.5.6. Контрольня задача №4, иллюстрирующая методику нахождения оптимального управления......................................................................112

Выводы по главе................................................................................................115

4. Реализация управления производственными процессами с использованием имитационных моделей.............................................................................................117

4.1. Разработка программного инструментария управления производственными процессами.....................................................................117

4.2. Управление производственным процессом на основе имитационной модели.................................................................................................................124

4.2.1. Описание моделируемого производственного процесса..........124

4.2.2. Составление аналитического описания задачи оптимального управления производственным

процессом.................................................................................................129

4.2.3. Расчет оптимального управления для модулей производственного процесса..................................................................132

4.2.4. Расчет хода протекания производственного процесса без компенсаторного воздействия................................................................138

Выводы по главе................................................................................................143

Заключение...................................................................................................................145

Список литературы......................................................................................................146

Приложения..................................................................................................................160

Введение

Актуальность работы. Современные производственные процессы [1, 2] -это высоко динамичные системы, состоящие из большого количества элементов, обладающих нелинейным поведением, состояние каждого из которых существенно зависит от состояния соседних элементов в силу сложной топологии связей, зависимые от множества внешних факторов, характеризующиеся противоречивыми целями, множеством локальных и интегральных ограничений, а также множеством управляющих воздействий, распределенных по системе. Совокупное поведение современных производственных процессов настолько сложно, что применение регуляторов в отдельных частях этих процессов не обеспечивает эффективного результата работы таких систем в целом.

Современные производственные процессы обладают рядом особенностей, а именно: сложной элементной структурой, непрерывностью и распределенностью их протекания во времени, дискретностью происходящих в них событий, наличием противоречивых критериев оценки их эффективности, наличием противоречивых целей управления ими [3, 4], наличием возмущений [5, 6], способных серьезно отклонить ход их течения от плановой траектории, изменчивостью состава, структуры и законов функционирования в краткосрочной временной перспективе.

Именно поэтому, в условиях диверсификации и усложнения структуры производственных процессов, повышенного внимания к задаче эффективной и предсказуемой работы больших систем, массового применения инновационных высокотехнологичных приборов со сложным поведением проблема исследования и управления производственными процессами [7] является особенно актуальной.

Традиционные математические средства дифференциального исчисления и теории автоматического управления не позволяют точно отразить на модели ряд важных свойств производственных процессов (дискретность событий, распределенность их в пространстве и во времени, нелинейные связи, временные задержки) из-за их сложности. Кроме того, несмотря на то, что применение этих

методов формально позволяет техническому персоналу предприятия сформулировать и решить задачу оптимального управления, тем не менее следует заметить, что такие операции требуют от него высокой математической квалификации, что вводит серьезные ограничения на возможность изменения структуры модели, которое часто возникает в быстро меняющихся условиях реального производства. Средства имитационного моделирования [8] позволяют более точно отображать производственные процессы на модели, однако к ним напрямую невозможно применить методы оптимизации, изменение модели по ходу изменения структуры или целей производственного процесса также в этом классе моделей проблематично.

Представляется целесообразным совместить преимущества этих средств, находя значения правых частей аналитических уравнений, описывающих производственные процессы, средствами имитационного моделирования, поскольку они дают более точные решения, но, применив, однако в целом к ним способ аналитического описания их общей структуры в виде уравнений, позволяющих применить классические методы оптимизации.

Под имитационными моделями в данном случае понимается класс моделей, описывающих процессы и свойства реального объекта так, как они существуют в действительности. Благодаря данной особенности имитационных моделей появляется возможность получить более точные решения правых частей дифференциальных уравнений, а затем найти с их помощью оптимальное управление.

Решением задач подобного рода средствами имитационного моделирования одним из первых начал заниматься Т. Нейлор, описав процесс построения и использования имитационных моделей в своей монографии "Машинные имитационные эксперименты с моделями экономических систем" [9]. Кроме того, имитационным моделированием производственных процессов занимались В. Кельтон, А. Лоу, Р. Шеннон [8]. В России одними из ведущих специалистов в области применения имитационного моделирования для управления производственными процессами являются Б.Я. Советов и С.А. Яковлев [10, 11],

которые в своих трудах "Информационные технологии" и "Теория информационных процессов и систем" выделили основные типы производственных процессов и методы управления ими. В дальнейшем, их идеи получили развитие в работах Ю.С. Харина, В.И. Малюгина, В.П. Кирилицы, Н.Б. Кобелева [12, 13].

В качестве основного недостатка существующих имитационных моделей производственных процессов следует выделить:

1. Сложность их модификации.

2. Применимость их для решения строго ограниченного класса задач.

Проведенный анализ существующих средств имитационного

моделирования производственных процессов показал, что для повышения эффективности решения задачи управления производственными процессами имитационные модели должны обладать следующими свойствами:

1. Высокой степенью модифицируемости (для быстрого изменения модели производственного процесса в соответствии с изменениями, происходящими в реальном производственном процессе).

2. Наличием блоков, определяющих управляющие воздействия на производственный процесс с целью приведения его к норме, задаваемой пользователем в условиях ограниченных ресурсов.

3. Наличием адекватной реакции модели на управляющие воздействия (реакция модели должна быть наиболее приближена к реакции реального производственного процесса на соответствующие управляющие воздействия).

4. Возможностью сравнения, корректировки и выбора целесообразных решений из множества возможных сообразно представлениям пользователя о реальных свойствах производства и сложившейся ситуации.

5. Возможностью обеспечения требуемой точности [14] и скорости расчетов (различные типы производственных процессов требуют различной скорости и точности расчетов).

6. Наглядностью отображения хода производственных процессов (для лучшего контроля и понимания всех подпроцессов производственного процесса).

7. Элементной структурой (для быстрого составления модели производственного процесса или ее модификации).

Обладая перечисленными свойствами, модель позволяет повысить скорость принятия управляющих решений за счет ускорения процесса построения модели производственных процессов, а также снизить затраты на модификацию модели при приведении ее в соответствие с реальными производственными процессами за счет возможности оперативного изменения ее параметров и структуры путем добавления новых элементов и изменения структурных связей между существующими элементами, а также применения инструмента и методики автоматизированного формирования задач оптимального управления и метода их решения.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является разработка моделей производственных процессов и создание на их основе инструмента, методики, метода и алгоритмов управления производственными процессами, которые обеспечивают повышение их эффективности в условиях непрерывно меняющегося и топологически сложного производства.

Достижение указанной цели требует решения следующих научно-технических задач:

1. Разработать модель динамических производственных процессов с переменной структурой, обладающую следующими свойствами: высокой степенью модифицируемости, возможностью обеспечения требуемой точности и скорости расчетов, наличием адекватной реакции на управляющие воздействия, наглядностью отображения хода производственных процессов, элементной структурой, возможностью организации на ее основе автоматизированных процессов принятия решений персоналом предприятия.

2. Разработать инструмент проектирования имитационных моделей динамических производственных процессов из моделей отдельных элементов этих процессов.

3. Разработать методику автоматизированной оценки (прогноза) эффективности производственных процессов на основе применения принципа максимума Понтрягина для расчета оптимального управления на их имитационных моделях, предложить критерии оценки эффективности управления ими.

4. Разработать автоматизированный метод, алгоритм, информационное и программное обеспечение для оптимального [15] управления сложными производственными процессами на основе имитационной модели.

Методы исследования, использованные в работе, включают в себя методы анализа, исследования и классификации предметной области [16], а также методы имитационного моделирования, объектно-ориентированный подход [17] при проектировании моделей, методы теории оптимального управления.

Научная новизна работы состоит в том, что:

1. Разработана имитационная модель дискретных производственных процессов с переменной структурой, новизна которой заключается в таком элементном составе, который позволяет собирать модель и ее модификации из элементов в условиях производства автоматизированным способом, обеспечивая требуемую адекватность представления сложных процессов.

2. Разработан инструмент проектирования моделей производственных процессов путем их сборки автоматизированным способом из моделей выделенных типовых элементов, новизна которого состоит в том, что не требуется составлять формализованное описание на математическом языке или языке программирования, что позволяет упростить и ускорить процесс управления, повысить точность и эффективность процедуры принятия решений.

3. Разработана методика автоматизированной оценки (прогноза) эффективности производственных процессов с использованием их имитационных моделей и предложенных критериев, научная новизна которой заключается в том, что к имитационной модели системы применен принцип максимума Понтрягина для расчета оптимального управления ею и дана формальная оценка

эффективности управления динамическими процессами в нелинейной системе со сложной �