автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Модели и алгоритмы управления в сложных техногенных системах

На правах рукописи

СОЛОВЬЕВА Елена Валерьевна

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ В СЛОЖНЫХ ТЕХНОГЕННЫХ СИСТЕМАХ

Специальность : 05.13.01 - управление в технических системах

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза 1999

Содержание

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

1. Структурно-функциональная модель ТГС................................................13

1.1. Особенности объекта моделирования....................................................13

1.2. Структурно-функциональная модель.....................................................16

1.3. Связь модели с технологическим процессом..........................................25

1.4. Сравнение предлагаемой модели с известными.....................................27

1.5. Постановка задачи моделирования........................................................30

Выводы...........................................................................................................36

2. Функциональное моделирование ТГС.......................................................38

2.1. Постановка задачи перехода от функционального гиперграфа

к вычисляемому графу...................................................................................39

2.2. Метод декомпозиции матрицы функционального гиперграфа............42

2.3. Конструирование вычисляемого графа и функциональных

моделей агрегатов..........................................................................................49

2.4. Имитационная модель ТГС....................................................................51

Выводы...........................................................................................................56

3. Логическое моделирование.........................................................................58

3.1. Язык алгоритмов логического управления............................................59

3.2. Язык параллельных алгоритмов управления.........................................68

3.3. Пример описания алгоритма в языке ПРАЛУ.......................................70

3.4. Метод реализации АЛУ и ПРАЛУ на языке БВВ..................................76

3.5. Транслятор с языка ПРАЛУ...................................................................79

Выводы...........................................................................................................90

4. Моделирование случайных воздействий в ТГС.........................................91

4.1. Конструктивные классы МЭФ................................................................92

4.2. Классы базовых функций........................................................................96

4.3. Итерационные процедуры локальной аппроксимации функций

из класса т).............................................................................................100

4.5. Алгоритм экспресс-анализа..................................................................106

Выводы.........................................................................................................108

5. Версия интегрированной системы имитационного моделирования.........110

5.1. Структура ИСИМ.................................................................................111

5.2. Функции подсистемы ФЛМ..................................................................115

5.3. Функции подсистемы экологической экспертизы................................129

5.4. Особенности использования ИСИМ в учебном процессе...................135

5.5. Параметры результативности выполненных разработок...................140

Выводы.........................................................................................................145

Заключение...................................................................................................147

Литература....................................................................................................149

Приложение 1...............................................................................................159

Приложение 2...............................................................................170

Приложение 3...............................................................................174

Приложение 4...............................................................................178

Введение

Актуальность проблемы. В последние годы развитие математического и программного обеспечения вычислительных комплексов и сетей управления техническими системами характеризуется не только усложнением структуры взаимосвязей и взаимодействий, но и экологическим стилем проектирования.

Реально ощущается потребность в методах и моделях эффективной переработки информации, на основе которых можно было бы создавать алгоритмы управления и информационные системы, обеспечивающие протекание контролируемой экологически безопасной совокупности технологических процессов в сложных, непредвиденным образом изменяющихся условиях. Качественно новый характер моделирования послужил причиной решения новых задач представления, анализа и оптимизации причинно-следственных связей в разнообразных сложных системах объектов, действующих асинхронно и параллельно.

Совершенствование принципов информационно-программного обеспечения вычислительных комплексов и систем управления потенциально-опасными для окружающей среды техническими объектами приобретает особую остроту и сложность в современных условиях. Объясняется это, прежде всего, возрастающей сложностью технологических систем и увеличением количества вредных веществ, используемых в процессе производства. Математическое обеспечение вычислительных сетей управления пытаются сделать таким, чтобы оно правильно отражало существо протекающих технологических процессов, поэтому вопрос об адекватности моделей потенциально опасных систем оказывается в настоящее время самым по существу актуальным при разработке систем управления.

Техногенную систему (в дальнейшем ТГС) можно определить как множество технологических объектов, которое в процессе своего функционирования или в аварийных ситуациях оказывает антропогенное воздействие на окружающую среду. К классу ТГС, прежде всего, относятся промышленные предприятия теплоэнергетического комплекса, химической промышленности и космической отрасли.

Среди объектов этого класса одно из основных мест занимают космические транспортные средства, характеризующиеся большим разнообразием и высокой сложностью отдельных элементов и агрегатов. Именно на этом объекте были отработаны универсальные методы повышения эффективности прогнозирования и предотвращения производственных аварий и токсичных выбросов в окружающую среду. Конверсионное использование этих методов позволяет осваивать новые, иногда неожиданные сегменты рынка, такие, как энергетическая и экологическая экспертиза предприятий, эксплуатирующих авиационные, железнодорожные и автомобильные транспортные средства.

В качестве одного из классических путей повышения эффективности применения вычислительных сетей в таких объектах может быть принято имитационное моделирование, реализующее интегрированные формы представления физико-химических процессов функционирования элементов и алгоритмов управления агрегатами. Такой подход основан на синтезе знаний из различных областей науки и техники, таких как архитектура систем, технология, логическое проектирование.

Исследованиям в данном направлении посвящен целый ряд работ российских и зарубежных научных и инженерно-технических коллективов. В этих работах отражен обширный теоретический и практический материал, позволяющий провести обобщение принципов моделирования ТГС и дальнейшее совершенствование моделей и методов управления.

Накопленный опыт решения отдельных задач управления практически не связан с целями экологической экспертизы, поэтому разработка формальных средств информационно-программного обеспечения процесса моделирования, предназначенных для комплексной автоматизации всех этапов от описания алгоритмов управления до подготовки экологического паспорта ТГС остаётся основной задачей новых информационных технологий.

Современные концепции обработки внутрифирменной экологической информации в рамках систем управления не имеют аналогов в прошлом и представляют собой первые попытки обеспечения соответствия намечаемой производственной деятельности требованиям сохранения благоприятной окружающей среды. В области разработок и внедрения таких экоинформационных систем ещё нет достаточных знаний и опыта, основанных на принципиальном изменении сложившейся структуры ценностей.

Диссертационная работа посвящена вопросам создания практически используемых и ориентируемых на современные экологические нормы методов и моделей эффективной организации и ведения информационно-программного обеспечения управления потенциально-опасными технологическими комплексами и системами.

Целью работы является разработка, теоретическое обоснование, практическая реализация и апробация методов и моделей, обеспечивающих в рамках интегрированной системы эффективные способы автоматизации программирования и обработки информации при управлении ТГС и прогнозировании экологических воздействий.

В связи с этим в диссертации ставятся и решаются следующие задачи:

- разработка комплекса прикладных моделей, обеспечивающих программирование поведения функционально взаимосвязанных множеств отдельных элементов (ОЭ) и агрегатов ТГС;

- разработка методов автоматизации программирования при решении задач логического управления ТГС;

- разработка программного обеспечения системы экологической экспертизы ТГС;

- практическая реализация и экспериментальная проверка предложенных разработок на примерах внутрифирменных экоинформационных систем.

Методы исследования основаны на применении теории графов, теории сетей Петри, теории конечных автоматов, теории аппроксимации функций, теории моделей баз данных, теории формальных языков и грамматик, а также теории искусственного интеллекта.

Научная новизна работы:

- предложены структурно-функциональные модели ТГС в виде функциональных гиперграфов (Р-графов), являющихся расширением сетей Петри, отличающихся от известных моделей формой представления причинно-следственных связей и позволяющих включить в технологию имитационного моделирования обработку данных экологического характера;

- сформулирована общая задача имитационного моделирования ТГС как проблема частичного гомоморфного отображения гиперграфов и предложена концептуальная схема информационной технологии решения, использующего опыт предыдущих разработок и творческие возможности коллектива разработчиков;

- разработан метод структурной декомпозиции Р-графов по аддитивным или мультипликативным критериям и даны априорные оценки эффективности практического применения структурной оптимизации;

- произведена модификация языка описания параллельных алгоритмов, обеспечивающая отображение реальных особенностей объектов управления и программируемых автоматов;

- разработан метод аппроксимации корректный по отношению к конкретным многоэкстремальным реализациям случайных процессов и эффективный в смысле быстроты сходимости итерационных процедур и числа параметров, участвующих в аппроксимативных выражениях;

- разработана методика экспертного использования в экологических информационных системах имитационного моделирования технологических объектов.

Практическая ценность полученных в диссертации результатов:

- разработанные методы структурно-функционального и логическому моделирования технологической системы устанавливают четкую спецификацию технологических процедур, определяют способы распознавания нежелательных параметров и вариантов функционирования, устраняют конфликты между программистами и технологами при определении корректности программ, как на ранних этапах создания, так и в процессе внесения изменений в систему;

- разработанные лингвистические средства устраняют ошибки операторов при переводе формального описания алгоритмов в программы устройств обработки логической информации;

- разработанные алгоритмы приближения случайных функций обладают эффективностью в смысле быстроты обработки последовательности экспериментальных данных и малой вероятности появления ошибок в программной реализации;

- предложенная структурно- функциональная модель ТГС устраняет дефицит данных, раскрывающих причины влияния на окружающую среду во всех стадиях жизненного цикла системы;

- разработанные модели и методы реально использовались при обработке данных в экоинформационных внутрифирменных системах;

- разработанные методические и программные средства применяются в учебном процессе технической подготовки специалистов.

Достоверность полученных в диссертационной работе теоретических выводов подтверждена результатами:

- математического и имитационного моделирования реальных агрегатов блоков и устройств ТГС;

- апробации методик расчета на конкретных примерах решения задач моделирования в экоинформационных внутрифирменных системах;

- сравнения альтернативных методик и процедур.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты исследований были получены в процессе проведения научно-исследовательских работ по региональной части комплексных программ "Конверсия научно-технического потенциала вузов" и "Конверсия и высокие технологии", проводимых Министерством образования России в 1992-2000 гг.

Предложенные методы и модели, а также разработанные алгоритмы и программы использовались в пяти научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах, выполненных при непосредственном участии автора.

Основные программные средства логического моделирования приняты в отраслевой фонд алгоритмов и программ НИИ проблем высшей школы.

Алгоритмическое и программное обеспечение моделирования ТГС использовалось в учебном процессе кафедр ПМ ПГТУ, ВТ ПГАСА и СЭВМ филиала «Восход» МАИ, а также при подготовке операторов криогенных систем заправки космических транспортных средств.

Основные результаты проведенных исследований были использованы в Институте космических исследований Министерства науки и Академии наук Республики Казахстан (г. Алматы), в Центре внедрения «Вымпел» (Байконур), в научно-внедренческом предприятии "Интерпракт" (г. Заречный).

Технические решения, разработанные при выполнении диссертации, использованы при проведении экологической экспертизы систем эксплуатации транспортных средств (СТО "Ижмаш" г. Пенза).

Документы, подтверждающие практическое использование результатов диссертационной работы, приводятся в приложении.

Дальнейшее внедрение разработанных моделей и методов планируется проводить в рамках региональной комплексной программы энергоэкологической экспертизы, реализующей для демонстрационных зон основные положения Федерального закона "Об энергосбережении" №1552 от 20.03.96 г. и Федерального закона "Об экологической экспертизе" №174-ФЗ от 23.11.95 г.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на международных, республиканских и региональных научно-технических конференциях и семинарах:

- международной конференции "Экологический мониторинг территории Казахстана" (г. Алматы и Байконур, 1993);

- международном форуме по проблемам науки, техники и образования (г. Москва, 1997);

- IV Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления" (г. Таганрог, 1998);

- региональной конференции "Научно-исследовательская деятельность и ее роль в подготовке специалистов в техническом Вузе" (г. Новосибирск, 1995);

- региональной конференции "Проблемы эффективности высшего технического образования" (г. Рыбинск, 1997);

- ежегодных конференциях Президиума АН РК и Института космических исследований МН и АН РК (г. Алматы, 1992-1993);

- ежегодных конференциях Пензенской государственной архитектурно-строительной академии (г. Пенза, 1995-1997)

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ. Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть содержит 120 страниц машинописного текста, 19 рисунков и 3 таблицы.

В первом разделе на основе анализа особенностей технологического объекта и требований экологического стиля проектирования сделан вывод о необходимости интегрированного использования функциональных моделей ОЭ и логических алгоритмов управления (АЛУ). Приводятся примеры функциональных графов для объектов различных классов, а также проводится сравнение с основными сетевыми моделями. В терминах предложенных средств интерпретации формулируется общая задача моделирования ТГС.

Во втором разделе разрабатываются методы функционально-логического синтеза имитационной модели ТГС. Формулируется конструктивный метод декомпозиции матрицы инцидентности функционального гиперграфа. Разрабатываются технологические аспекты синтеза вычисляемого гиперграфа, основанные на теоретических и практических разработках в области программных конфигураций сложных систем.

В третьем разделе разрабатываются средства логического моделирования управляющих алгоритмов. В качестве концептуальной основы структурного проектирования алгоритмов логического управления (АЛУ), обеспечения преемственности вновь создаваемого программного продукта и применения мощных средств верификации, моделирования и отладки АЛУ используются функциональные гиперграфы, аппарат сетей Петри и язык ППАЛУ.

В четвертом разделе разрабатываются модели, обеспечивающие оперативную оценку возможных изменений режимов работы технолог