К ВОПРОСУ ПОСТРОЕНИЯ ПРЕЦЕДЕНТНЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ОПОРНО-ВОЗМУЩЕННОГО ДВИЖЕНИЯ
Авторы:
1.
Сибирский государственный индустриальный университет
2.
Сибирский государственный индустриальный университет
(старший преподаватель кафедры автоматизации и информационных систем)
Россия
Россия
3.
Сибирский государственный индустриальный университет
(старший преподаватель кафедры автоматизации и информационных систем; ведущий специалист по информатизации отдела системных и сетевых технологий)
Тип:
Статья
Страницы:
с 17
по 24
Статус:
Опубликован
Получено:
05.07.2019
Одобрено:
25.07.2019
Опубликовано:
25.07.2019
Классификаторы:
ВАК 05.12.2013 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
ВАК 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
ВАК 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
ВАК 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
ВАК 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
ВАК 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
УДК 004.051
ГРНТИ 20.01 Общие вопросы информатики
ГРНТИ 28.01 Общие вопросы кибернетики
ГРНТИ 49.01 Общие вопросы связи
ГРНТИ 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
ГРНТИ 82.01 Общие вопросы организации и управления
ВАК 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
ВАК 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
ВАК 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
ВАК 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
ВАК 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
УДК 004.051
ГРНТИ 20.01 Общие вопросы информатики
ГРНТИ 28.01 Общие вопросы кибернетики
ГРНТИ 49.01 Общие вопросы связи
ГРНТИ 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
ГРНТИ 82.01 Общие вопросы организации и управления
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
прецедент, прецедентное управление, опорно-возмущенное движение, управляющая система, система управления
Аннотация (русский):
Современные автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) функционируют в сложных условиях постоянно изменяющихся многофакторных воздействий внешней среды. Такие системы целесообразно рассматривать как многорежимные нестационарные человеко-технические, поскольку они реализуют комплексное управление сложным технологическим объектом. Как правило, на эти системы воздействуют как факторы внешней среды, так и сложные человеко-машинные механизмы и технические средства (датчики, модули преобразования данных, программируемые контроллеры - PLC), которые составляют управляющую инфраструктуру, что в конечном итоге приводит к дополнительной сложности, а также появлению ошибок, возникновению дополнительных проблем управления и снижению общего качества управления. Утверждается, что подход к построению АСУТП должен быть основан на использовании эталонных библиотек и алгоритмов (прецедентов) управления, которые выбираются в зависимости от меняющихся условий внешней среды и используемых активов, а также материально-технического обеспечения. Несмотря на применение во многих системах современных программно-технических средств, таких как PLC, очень часто качество управления оставляет желать лучшего. Это происходит вследствие того, что объект управления изменяется со временем по разным причинам, а алгоритм управления остается неизменным, что приводит к снижению эффективности функционирования таких систем. Рассматривается обобщенная структура прецедентной АСУТП, в которой описывается подход к управлению технологическим объектом в рамках известной концепции опорно-возмущенного движения, которая подходит для построения систем управления технологическими объектами с существенной вариативностью входных воздействий.
Современные автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) функционируют в сложных условиях постоянно изменяющихся многофакторных воздействий внешней среды. Такие системы целесообразно рассматривать как многорежимные нестационарные человеко-технические, поскольку они реализуют комплексное управление сложным технологическим объектом. Как правило, на эти системы воздействуют как факторы внешней среды, так и сложные человеко-машинные механизмы и технические средства (датчики, модули преобразования данных, программируемые контроллеры - PLC), которые составляют управляющую инфраструктуру, что в конечном итоге приводит к дополнительной сложности, а также появлению ошибок, возникновению дополнительных проблем управления и снижению общего качества управления. Утверждается, что подход к построению АСУТП должен быть основан на использовании эталонных библиотек и алгоритмов (прецедентов) управления, которые выбираются в зависимости от меняющихся условий внешней среды и используемых активов, а также материально-технического обеспечения. Несмотря на применение во многих системах современных программно-технических средств, таких как PLC, очень часто качество управления оставляет желать лучшего. Это происходит вследствие того, что объект управления изменяется со временем по разным причинам, а алгоритм управления остается неизменным, что приводит к снижению эффективности функционирования таких систем. Рассматривается обобщенная структура прецедентной АСУТП, в которой описывается подход к управлению технологическим объектом в рамках известной концепции опорно-возмущенного движения, которая подходит для построения систем управления технологическими объектами с существенной вариативностью входных воздействий.
Ключевые слова:
прецедент, прецедентное управление, опорно-возмущенное движение, управляющая система, система управления
прецедент, прецедентное управление, опорно-возмущенное движение, управляющая система, система управления
В статье рассматривается прецедентный подход к управлению в АСУТП, который основывается на применении эталонных библиотек и алгоритмов управления, ранее реализованных и ретроспективно восстановленных при наступлении определенных событий (изменении входных и выходных воздействий). Большинство современных систем управления, во-первых, является многорежимными, во-вторых, функционируют в условиях изменяющихся входных и выходных (измеренных) воздействий. Такие изменения происходят достаточно часто вследствие смены климатических условий, качества сырья, нормативно-технической документации, законодательной базы, экологических требований и т. п. Очевидно, что во всех этих случаях может потребоваться корректировка управления, которое может быть ретроспективно восстановлено, при повторении определенной ситуации в прошлом (прецедентный подход). Фактически каждый алгоритм управления может быть ассоциирован с конкретной ситуацией (доменами, областями изменения входных и выходных величин), когда это управление допустимо. Применение этой концепции приводит к появлению нового класса прецедентных адаптивных систем управления, что важно для управления сложными нестационарными системами. Рассматривается прецедентный подход к управлению сложными нестационарными системами. Применение прецедентного подхода в АСУТП позволяет корректировать управление в зависимости от характера входных и выходных воздействий, что приводит к повышению качества управления. Элементы прецедентного управления Получение точных математических моделей технологических объектов управления имеет важное значение для синтеза управляющих подсистем. Эти вопросы рассматриваются в разных разделах теории управления и научных публикациях [1, 2]. Следует отметить, что известные «классические» методы идентификации и синтеза систем управления работают ограниченно, поскольку реальные производственные объекты сложны, распределены территориально и нестационарны [3]. Некоторые вопросы построения систем управления сложными нестационарными объектами рассмотрены в работах [4, 5]. Очевидно, что управление нестационарным технологическим объектом, таким как доменная печь или ТЭЦ, может и должно изменяться во времени. Необходимость изменений в управлении вызвана в первую очередь различными режимами работы сложных технологических объектов, а также существенными изменениями параметров внешней среды. Предположим, существуют некоторые допустимые границы, в рамках которых управление может не изменяться, что часто встречается на практике. Подход с использованием доменной идентификации на основе ситуаций или состояний описан в работе [5]. Однако повторный запуск процедур идентификации при переходе нестационарной системы к новому состоянию (или возврате к предыдущему по причине, например, смены времени года) может быть связан с дополнительными накладными расходами и затратами при работе с реальным натурным объектом, поскольку запуск процедур идентификации может требовать нанесения дополнительных воздействий (в том числе тестовых) на объект. Проиллюстрируем идею прецедентного управления на простом примере. Допустим, имеется набор конкретных состояний (среды и активов) или ситуаций , для каждой из которых определены домены (граничные области) для отдельных компонентов вектора контролируемых возмущений или заданы различные режимы работы объекта. Если для определенных состояний (ситуаций) определен алгоритм управления или его настроечные параметры известными методами идентификации, тогда возможно его сохранение и(или) извлечение из библиотеки прецедентов, при существенном изменении компонентов вектора . В работе [5] выделяется как минимум четыре причины, вследствие которых математическая модель нестационарного объекта (передаточная функция или модель состояний) будет изменяться: 1. Время. 2. Окружающая среда (включает природные условия, климат, погоду, времена года). Здесь нужно также отметить контролируемые и неконтролируемые внешние воздействия , . 3. Активы (включая информацию). Различные активы могут оказывать трудно прогнозируемые воздействия на объект управления. К примеру, изменение качества угля или металлолома на металлургическом комбинате, сокращение штатов, изменение нормативной и регламентирующей документации, связанной с работой объекта управления, приводит к тому, что алгоритм управления также должен измениться. Целесообразно выделять укрупненные классификационные группы при описании активов разных классов. 4. Изменение и развитие. Смена целей, задач, стратегий и видения руководства, а также законодательной базы по отношению к объекту управления (например, ужесточение экологических норм при работе объекта). Под воздействием возмущений изменяется сам объект управления, его параметры, что отражено в работе [1]. Таким образом, стандартное представление автоматизированного объекта управления в качестве общепринятой в технической литературе «вход-выходной» модели является не совсем корректным. Стандартное представление подразумевает некоторую «монолитность» объекта в текущем состоянии, однако его постоянно изменяют время, а также возмущающие и входные воздействия. Обобщая вышесказанное, необходимо отметить, что модель нестационарного автоматизированного управления - это открытое множество различных вход-выходных моделей поведения, которое характеризуется определенными граничными условиями по контролируемым возмущениям и используемым активам (в том числе входным материальным потокам) , при выбранной схеме их классификации по качеству. Модель нестационарного объекта управления представлена выражением , (1) где ФН - множественная модель нестационарного объекта управления, которая включает набор различных сменяющих друг друга моделей поведения в соответствии с изменением параметров многофакторной доменной среды, переходом из одного состояния в другое, где каждое состояние задается непересекающимся набором допустимых значений . Если для каждого конкретного состояния натурного нестационарного объекта управления существует прецедент (алгоритм управления или библиотека), он может использоваться устройством управления (таким, как PLC). Формирование граничных условий для состояния можно формировать исходя из требований к качеству управления. Авторы рекомендуют использовать три основных стратегии: - стратегия «точного» (робастного) управления. Колебания отдельных параметров вектора относительно усредненных значений состояния не превышают 10 %; - стратегия «грубого» управления. Колебания отдельных параметров вектора относительно усредненных значений состояния не превышают 25 %; - стратегия «смешанного» управления. Структура прецедентной системы управления Рассмотрим понятие прецедента в системе управления. Под прецедентом будем понимать управляющее воздействие (решение, алгоритм), которое сформировано и применено ранее в ситуации, аналогичной текущей, характеризующейся определенными значениями выходных переменных, переменных состояния и возмущающих воздействий объекта управления. Таким образом, либо определенные прецеденты уже возникали когда-нибудь в прошлом, либо они могут возникнуть в будущем. Функционирование системы управления предполагает, что с течением времени будет накапливаться опыт ее эксплуатации в различных условиях. Дальнейшая эксплуатация системы приведет к наполнению библиотеки прецедентов актуальной информацией в зависимости от ситуаций, в которых оказывается система. Помимо самих прецедентов в библиотеке также необходимо хранить правила и допустимые параметры внешней среды (которые можно измерить), при изменении которых меняется алгоритм управления. Первоначально при вводе в эксплуатацию системы управления библиотека прецедентов содержит только необходимый минимум прецедентов, однако по мере функционирования эта библиотека наполняется дополнительными данными. К основным операциям работы с прецедентами относятся: - извлечение из библиотеки прецедентов подобного прецедента или подмножества прецедентов, соответствующих ситуации, в которой требуется принять очередное (новое) решение; - повторное использование извлеченного прецедента (прецедентов) для принятия очередного решения; - пересмотр (коррекция) в случае необходимости прецедентного решения в соответствии с рассматриваемой (очередной) задачей (проблемой); - сохранение вновь принятого решения как части нового прецедента (для будущих аналогичных ситуаций). Применение прецедентного подхода позволяет использовать эффективные сценарии адаптивного управления на практике, когда алгоритм управления выбирается в зависимости от условий внешней среды и режимов работы объекта. Правила выбора и применения конкретного прецедента определяются путем сопоставления измеренных значений внешней среды и входных информационных и материальных потоков с допустимыми диапазонами значений, которые определены для конкретных ситуаций , затем выбирается управляющее воздействие (алгоритм) или производится подстройка настроечных параметров для известного закона регулирования. Прецедентную систему управления можно представить с позиций опорного и возмущенного поведения (по аналогии с известным подходом для летательных аппаратов), которая подразумевает два режима работы: - опорный режим работы. Основной режим работы, подразумевается, что измеренные параметры контролируемых возмущений и материальных потоков находятся в пределах допустимых граничных значений. Библиотека прецедентов содержит алгоритмы управления, соответствующие известным конкретным состояниям (среды и активов) ; - возмущенный режим работы. Режим работы в условиях существенного изменения значений векторных компонент возмущений и активов, когда измеренные параметры находятся за границами допустимых значений. Библиотека прецедентов не содержит алгоритмов управления, соответствующих текущему возмущенному состоянию . На рис. 1 приведена схема системы прецедентного управления с использованием концепции опорного и возмущенного поведения. Рис. 1. Структура прецедентной системы управления (опорно-возмущенное движение): - действительные выходные воздействия, внешние неконтролируемые и контролируемые возмущающие воздействия; U - вектор управляющих воздействий; - ранее реализованные, высококачественные управляющие решения (прецеденты), которые можно применять для определенного состояния sti системы управления; zH(t) - обобщенный (консолидирующий) вектор натурных сигналов , где aH(t) - вектор оценки активов и входных материальных потоков в системе управления Блок оценки и выбора состояний осуществляет анализ параметров на основе измеренных значений параметров среды и принимает решение о выборе состояния и прецедента, который используется для управления. Таким образом, в каждом цикле управления выполняются определенные типовые операции, которые связаны с измерением выходных переменных, параметров окружающей среды и выбора оптимального управления. Концепция прецедентной системы управления на основе опорно-возмущенного движения предполагает, что при опорном движении управление осуществляется по известному фиксированному набору конкретных состояний, которые уже отражены в базе прецедентов. В случае перехода системы в новые состояния (вследствие существенных изменений внешней среды) используется возмущенное движение, которое предполагает формирование нового управления (прецедента) или ретроспективной оптимизации старого с учетом изменений. Содержательное описание принципа прецедентного управления представлено ниже: Шаг 1. Осуществляется ввод измеренных значений выходных переменных , значений управляющих воздействий U, а также измеренных величин контролируемых возмущений в подсистему хранения и выбора прецедентов. Шаг 2. Проверяется, попадают ли измеренные параметры в диапазоны допустимых значений для ранее сформированных состояний. Определение состояния осуществляется с использованием подхода доменной классификации, когда выбор sti производится на основе «максимального соответствия» допустимых значений диапазонов в многофакторной среде. Шаг 3. Каждому допустимому состоянию sti соответствует связанный с ним конкретный прецедент pri (алгоритм управления), в случае отсутствия допустимого состояния запускается процедура идентификации и ретроспективной оптимизации управления (возмущенное движение), в результате чего формируется новый прецедент (алгоритм и условия, при которых он может быть применен). Шаг 4. Выбор прецедента pri (алгоритма управления) в зависимости от текущей ситуации. Представленный выше подход является реализацией идеи адаптивного управления в условиях постоянно изменяющейся внешней среды. Укрупненная схема процесса прецедентного управления представлена на рис. 2. Рис. 2. Подход к управлению на основе прецедентов Как видно из схемы, переключение управления осуществляется при смене ситуаций. По мере функционирования системы осуществляется наполнение базы данных прецедентов новой информацией, что способствует повышению качества управления. Внедрение системы управления на основе прецедентов применительно к Западно-Сибир-ской ТЭЦ - филиалу АО «ЕВРАЗ ЗСМК» - привело к следующим результатам: - повысилось качество управления; - снизились затраты на управление; - появилась возможность использования точной настройки законов управления при изменении условий функционирования объекта и параметров внешних возмущений. Заключение Приведена структура прецедентной системы управления на основе опорно-возмущенного движения, которая позволяет подстраиваться под изменяющиеся условия функционирования объекта. Прецедентный подход к управлению позволяет осуществлять более тонкую настройку управляющих подсистем АСУТП по сравнению с более традиционными подходами. Внедрение элементов прецедентного управления непосредственно на уровне программируемых логических контроллеров позволяет осуществлять адаптивное управление как в режиме реального времени, так и в режиме «пассивного советчика», когда программный комплекс информирует оператора-тех-нолога о необходимости принятия определенного решения. Внедрение системы управления на основе прецедентов применительно к Западно-Сибирской ТЭЦ (филиалу АО «ЕВРАЗ ЗСМК») позволило повысить качество управления, снизить затраты на управление, использовать точную настройку законов управления при изменении условий функционирования объекта и параметров внешних возмущений.
1. Авдеев В. П. Построение моделей в системах управления // Изв. вузов. Черная металлургия. 1981. № 12. С. 100-105.
2. Веревкин В. И., Авдеев В. П., Лакунцов А. В., Бурдонов Б. А., Катрич А. П. Нанесение экспериментальных воздействий на прогнозируемые рабочие управления // Изв. вузов. Черная металлургия. 1975. № 6. С. 163-166.
3. Емельянов С. В., Коровин С. К. Новые типы обратной связи: управление при неопределенности. М.: Наука. Физматлит, 1997. 352 с.
4. Добрынин А. С., Кулаков С. М., Пургина М. В., Койнов Р. С. О применении графовых моделей в системах автоматизации сложных нестационарных технологических объектов // Кибернетика и программирование. 2018. № 3. С. 63-71. DOI:https://doi.org/10.25136/2306-4196.2018.3.26400.
5. Добрынин А. С., Койнов Р. С., Кулаков С. М., Гудков М. Ю. О доменной (ситуационной) идентификации сложных нестационарных технологических объектов // Кибернетика и программирование. 2018. № 4. С. 52-59. DOI:https://doi.org/10.25136/2306-4196.2018.4.26861.
6. Авдеев В. П., Карташев В. Я., Мышляев Л. П., Ершов А. А. Восстановительно-прогнозирующие системы управления. Кемерово: Изд-во КемГУ, 1984. 89 с.
7. Авдеев В. П., Мышляев Л. П., Соловьев В. Н. О восстановительно-прогнозирующем регулировании технологических процессов // Изв. вузов. Черная металлургия. 1978. № 10. С. 165-168.
8. Зимин В. В., Ивушкин А. А., Кулаков С. М., Ивушкин К. А. Основы управления жизненным циклом сервисов систем информатики и автоматизации (лучшие практики ITIL): учеб. пособие. Кемерово: Кузбассвузиздат, 2013. 500 с.
9. Теркель Д. OLE for Process Control - свобода выбора // Современные технологии автоматизации. 1999. № 3. С. 28-32.
