67591

Системний підхід при аналізі ТК. Ознаки технологічних комплексів як складних систем

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

В системних дослідженнях широко використовуються процедури декомпозиції та агрегування, які є різними аспектами аналітичного та синтетичного методів дослідження систем. Складна система розчленовується на менш складні частини, які потім можуть об’єднуватись в одне ціле...

Украинкский

2014-09-12

68 KB

4 чел.

В системних дослідженнях широко використовуються процедури декомпозиції та агрегування, які є різними аспектами аналітичного та синтетичного методів дослідження систем. Складна система розчленовується на менш складні частини, які потім можуть об’єднуватись в одне ціле, що дає можливість пояснити ціле через його частини у вигляді структури цілого.

 Декомпозиція – розкладання цілого на частини: задачі – на підзадачі; системи – на підсистеми. Це дає можливість спростити загальну задачу, скоротити її розмірність та використовувати більш прості моделі.

 Агрегування – об’єднання частин в ціле, що часто дає можливість отримати нові якісні та кількісні показники системи. В цьому проявляються властивість емереджентності, коли нове об’єднання (нова система) має такі властивості, яких не має жоден з елементів, які об’єднуються. Наочний приклад прояву цієї властивості наведено на рис. 1.1

                                                                   A

                   n+1

n                                                                           n                                  n+1

                              B

              а                              б                                              в

Рис.1.1. Схеми з’єднань елементів

Цифровий автомат S перетворює будь-яке число на вході в нове число на виході, яке на одиницю більше вхідного (рис.1.1.а). При з’єднанні двох автоматів S в кільце (рис.1.1. б) система генерує зростаючу послідовність на виходах А і В, одна з яких складається з парних чисел, друга – з непарних. При паралельному з’єднанні (рис.1.1.в) реалізується задача резервуванння.

1.5. Системний підхід при аналізі ТК

Ознаки технологічних комплексів як складних систем

Можна виділити різні ознаки, але головними є ті, які характеризують як деякі кількісні сторони, наприклад, кількість елементів, так і якісні. Відомий підхід, коли складною системою (СС) називають таку, математичні моделі якої можна описати принаймні двома способами (детерміновані та стохастичні, теоретикоймовірнісні і т.д.). Для ТК при характеристиці їх як СС виділяють такі ознаки:

  •  кількість підсистем, особливо це має значення для неперервних ТК. Ці підсистеми, зв`язані між собою складними структурними та функціональними відношеннями;
  •  можливість управління підсистемами на основі різних критеріїв оптимальності;
  •  існування для підсистем задач оперативної оптимізації та необхідність координації роботи підсистеми;
  •  наявність ієрархічної структури;
  •  необхідність урахування автономності підсистем.

Аналіз ТК як складних систем передбачає визначення  та  оцінку їх структури, оцінку матеріальних та енергетичних потоків, формування необхідних інформаційних визначень, що дає можливість визначити структуру управління. При побудові автоматизованих ТК визначається кількість підсистем, розташування точок отримання інформації, розташування пунктів управління та технічна реалізація системи.

Класифікація ТК. Ця класифікація може виконуватись за різни-ми ознаками, але вона повинна бути такою, щоб виділити окремі групи (класи) із спільними характерними ознаками.

  •  За продуктивністю: велико-, середньо- та малопотужні чи продуктивні. В промисловості все більше застосовуються (ТА) технологічні апарати великої одиничної потужності, які можуть замінювати групу апаратів, виділяється середня продуктивність, а велико- та малопродуктивні мають відрізнятись у два і більше разів.
  •  За способом функціонування: неперервні, неперервно-періодичні, неперервно-циклічні та періодичні.
  •  За кількістю виконуваних функцій: одно - та багатофункціональні або одно- та багатономенклатурні (-асортиментні).
  •  За кількістю ланок: мало - та багатоланкові.
  •  За однорідністю: одинакові або різні ланки чи підсистеми.
  •  За способом з’єднання технологічних ланок (технологічною топологією): однонаправлені або зустрічнонаправлені (із зворотними зв`язками) і комбіновані.
  •  За цільовою функцією (критерієм оптимізації): усі підсистеми можуть мати одинакові або різні критерії;
  •  За характеристиками середовища: рідина, газ…

Для розробки КІСУ, а також систем автоматизації на різному рівні важливими є ще такі ознаки ТК:

  •  інформаційна потужність, яка характеризує величину інформаційних потоків, тобто визначає характеристики необхідних технічних засобів та їх програмного забезпечення для отримання інформації, її обробки та подання в необхідному вигляді в необхідне робоче місце в певний час. Інформаційна потужність визначається кількістю змінних, які необхідні для управління та контролю ТК: мала потужність до 40 змінних, середня – до 160 змінних, підвищена – до 650 змінних, велика – більше 650 змінних . ТК цукрового заводу має 384 точки контролю та 217 точок управління; спиртовий завод: 501 точка контролю і 132 точки управління.
  •  за кількістю підсистем, для яких існує і необхідна задача оптимізації виділяються лише ті підсистеми, для яких є відповідні ресурси, а досягнення найвищих техніко-економічних показників для підсистем співпадає з критерієм ТК у цілому.
  •  за кількістю підсистем, які координуються (узгоджуються) є ТК, для яких робота n-ої підсистеми  потребує зміни умов роботи  (n-1)-ої і (n+1)-ої підсистем;
  •  за трудоємкістю задач оптимізації та координації є комплекси, в яких задача оптимізації вимагає значного часу розв’язання і значних обчислювальних потужностей, такі підсистеми координуються трудно.

Системний аналіз технологічних процесів як об’єктів управління.

При дослідженні технологічних процесів із позицій задач управління використовуються основні прийоми системного аналізу (системного підходу):

  •  постановка задачі дослідження;
  •  вибір критеріїв якості;
  •  розробка плану експерименту з виділенням основних етапів;
  •  виконання принципу ієрархії зверху вниз при аналізі та знизу вверх при синтезі складних систем і ін..

З позицій системного аналізу розв’язуються задачі моделювання, оптимізації, управління та оптимального проектування хіміко-технологічних систем (ХТС) в масштабах ТК, відділення, цеху, заводу. Для цього використовуються відповідні математичні моделі.

Умовно неподільними одиницями ТК є технологічний процес (ТП) – нижній рівень ієрархії виробництва. В той же час можлива подальша деталізація цих одиниць до рівня фізико-хімічних ефектів та явищ, що дозволяє, в свою чергу, розглянути окремий хіміко-технологічний процес як складну систему. Важливо розуміти, що одиничний хіміко-технологічний процес із його складним комплексом елементарних фізико-хімічних явищ – типова велика (складна) система в смислі її класичного кібернетичного визначення. Рівень складності цієї системи визначається:

  •  величезною кількістю (многообразием) фізико-хімічних ефектів;
  •  насиченням взаємних зв’язків між цими ефектами;
  •  одночасним протіканням та взаємозв’язками між різними явищами фізико-хімічної природи в локальних об’ємах;
  •  нелінійними залежностями між змінними параметрами і т.д.

При системному аналізі виробництва (підприємства) як великої (складної) системи виділяють, як правило, три рівні:

  •  типові технологічні процеси в апаратурному оформленні (механічні, гідродинамічні, тепло-масообмінні, дифузійні, хімічні…) та локальні системи управління ними;
  •  ТК, відділення, цехи з відповідними системами управління;
  •  виробництво, підприємство та системи оперативного управління, організації виробництва, планування, матеріально-технічного постачання, реалізації продукції.

При системному підході створюються автоматизовані системи для оперативного отримання математичних моделей, ідентифікації.

Кожен типовий процес як одиниця першого рівня ієрархії формалізується як фізико-хімічна система (ФХС) – багатофазне багатокомпонентне суцільне природне середовище , розподілене в просторі та змінне в часі, в кожній точці гомогенності якого та на границі розділення фаз відбувається перенос речовини, енергії та імпульсу при наявності джерел (чи стоків) останніх.

Приймаючи до уваги, що на вхід ФХС поступають потоки суцільного середовища, які характеризуються вектором вхідних змінних (склад і температура фаз, тиск, швидкість, густина і т.д.), які проходять цілеспрямовані фізико-хімічні перетворення, можна записати:

                                               Y=A(U),                                                 (1.12)

де А – оператор (технічний), який формалізує відображення простору змінних входу в простір виходу, відповідно реальному фізико-технічному процесу. Оператор А є складним: у відповідності із суперпозицією (накладанням) ряду «елементарних» технологічних операторів – хімічного та фазового перетворень; дифузійного, конвективного та турбулентого перепису речовини та тепла; змішування та ін.. Таким чином, цей оператор відображує сукупність лінійних, нелінійних, розподілених в просторі і змінних в часі процесів та має змішану детерміновано-стохастичну природу.

Коли мова йде про математичну модель, то записують на основі (1.12):

                                                       (U,X),                                    (1.13)

де - простір оцінок змінних виходу.

Застосування методології системного підходу до створення складних систем управління. Методологія – сукупність прийомів дослідження в науці.

Системний підхід при створенні складних структур управління проявляється в таких підходах:

  1.  Будь-яка система на першому етапі розглядається з урахуванням лише формальних зв’язків між різними факторами та оцінки характеру їх зміни під впливом зовнішніх умов. Теорія систем своїм об’єктом досліджень має не фізичну реальність, а загальні властивості та зв’язки між різними факторами. При зростанні складності СУ для їх аналізу та синтезу необхідно застосовувати знання з різних наук.
  2.  Система завжди досліджується в умовах невизначеності (мети, характеристик зовнішнього середовища та поведінки оператора). Важливо забезпечити в системі адаптацію та можливість розвитку.
  3.  Складність систем управління, їх інформаційна потужність вимагає залучення деяких спеціальних прийомів, наприклад, декомпозиції та агрегування.
  4.  У складних системах управління (ССУ) завжди використовуються структурні перетворення.
  5.  В загальній теорії систем повинні використовуватись терміни, методи, поняття та прийоми, які є зрозумілими для інших наукових дисциплін (інформатика та автоматика, вони повинні спілкуватись спільною мовою).
  6.  В теорії систем застосовуються уніфіковані поняття, які дають можливість охарактеризувати як систему будь-якої складності, так і будь-яку її частину.

[1,с.16-34;5,с.10-29]

2.Структурний аналіз складних систем управління

Для цих систем аналізується організаційна, функціональна, технічна структура. Ці структури можна розглядати, як певні моделі, які відображають функції та цілі, які стоять перед системою. В першу чергу враховують ієрархічність системи, тому їх структури завжди будуть багаторівневими. Ця багаторівнева структура допомагає на різних рівнях розглядати з різною деталізацією властивості системи та їх складових. Таким чином, структура – сукупність елементів і звязків між ними, які визначаються відповідно до функцій і цілей системи (рис 2.1).

П р и з н а ч е н н я

 

Д е т а л  і з а ц і я

Рис. 2.1 Багаторівневе представлення структури ССУ

Для кожної системи можна поставити у відповідність множину структур із різною кількістю рівнів деталізації, що визначається призначенням структури, так і самою системою. При переміщенні на нижні рівні деталізація завжди збільшується, але призначення системи стає зрозумілим при переміщені на верхній рівень. Існують системи структуровані (добре структуровані), слабко структуровані і неструктуровані (мало структуровані). У відповідності до цього для кожного класу систем розробляються відповідні математичні моделі. В структурному аналізі виділяють прийоми декомпозиції та агрегування. Прийом декомпозиції дозволяє цілеспрямовано виділити підсистеми, а другий прийом – агрегування – дозволяє об’єднати деякі підсистеми, щоб утворити технологічний об’єкт управління із заданими властивостями. В результаті структурного аналізу приймається рішення відносно  архітектури системного управління, розташування термінальних точок (датчики, регулюючі органи, робочі місця).

2.1. Функціональна, організаційна та технічна структура

Організаційна структура (на прикладі підприємства)

Ця структура призначена для розвязання таких задач:

- опис складу підсистем та звязків між ними;

- визначення функцій підсистем та при необхідності розкриття їх внутрішньої структури;

- опис матеріальних та інформаційних потоків;

- побудова загальної інформаційної структури та відповідних моделей.

Функціональна структура

Дає можливість:

- визначити функції управління в структурних підрозділах існуючої системи;

- обрати функції, які автоматизуються;

- визначення звязків між автоматизованими функціями;

- розробки ієрархії задач управління та відповідних моделей.

Технічна структура

Технічна структура відображає основні технічні засоби для отримання інформації та її обробки, а також пристрої для звязків між елементами в тому числі мережі.

При аналізі технічної структури:

- визначаються основні елементи, які забезпечують інформаційні процеси: реєстрацію та підготовку, зберігання і видачу інформації;

- складається формальна структурна модель системи технічних засобів з урахуванням топології розташування елементів, їх інформаційної та енергетичної взаємодії між собою та зовнішнім середовище.

Загальна задача структурного аналізу полягає у визначенні струк-турних властивостей системи та її підсистеми на основі опису елементів та звязків між ними.

При розвязанні практичних задач структурного аналізу складних систем управління приймаються три рівні опису звязків між елементами:

  •  наявність звязку;
  •  напрямок звязку;
  •  вид та напрямок сигналів, які визначають взаємодію елементів.

На першому рівні досліджуваній системі може відповідати неорієнтований граф, вершинами якого є елементи системи, а ребрами – звязки між ними. На цьому рівні основними задачами структурного аналізу є:

- визначення зв’язності (цілісності) системи та виділення зв’язних підсистем із своїми елементами, якщо система в цілому не є зв’язною;

  •  виділення циклів;
  •  визначення мінімальних та максимальних послідов-ностей елементів (ланцюгів), які розділяють елементи.

На другому рівні, коли напрям звязку задано, системі відповідає орінтований граф, напрямок дуг якого співпадає з напрямом звязків. Результати структурного аналізу на цьому рівні більш змістовні, а задачами структурного аналізу є:

-  визначення звязності системи;

 - топологічна декомпозиція з виділенням сильно зв’язних підсистем;

  •  виділення вузлів приймання та видачі інформації;
  •  виділення рівнів в структурі та визначення їх взаємозвязку;
  •  визначення мінімальних та максимальних шляхів;
  •  визначення характеристик топологічної значущості елементів;
  •  отримання інформації про слабкі місця структури і т.д.

На третьому рівні опису зв’язків між елементами  системи враховується не лише направленість зв’язку, а й розкриваються склад і характер сигналів взаємодії елементів (вхідні, вихідні, керування).

Крім того, при структурному аналізі розвязуються такі задачі:

  •  виділення місцевих та загальних контурів керування;
  •  визначення необхідних конфігурацій при багаторежим-ному характері роботи;
  •  оцінка шляхів безпосередньої передачі сигналів.

При незначній початковій інформації про структуру системи, коли враховуються лише наявність і напрямок звязку, зручно використовувати апарат теорії графів.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

76283. Воротная вена. Корни, притоки, анастамозы с полыми венами 440.37 KB
  Спереди, в области пупка, где своими притоками анастомозируют vv. paraumbilicales, идущие в толще lig. teres hepatis к воротной вене, v. epigastrica superior из системы v. cava superior (v. thoracica interna, v. brachiocephalica) и v. epigastrica inferior из системы v. cava inferior (v. iliaca externa, v. iliaca communis), v.thoracoepigastrica (v. subclavia dextra).
76285. Лимфатическая система, ее роль в организме. Классификация ее отделов. Лимфоидные образования пищеварительного тракта 13.54 KB
  Лимфатическая система является частью сосудистой системы. Основной функцией является резорбция из интерстициальных пространств жидкости и белков, вышедших из кровеносного русла и неспособных всасываться в кровеносные капилляры обратно.
76287. Важнейшие группы лимфатических узлов и лимфатические стволы грудной полости 31 KB
  Париетальные: Nodi lymphtici prsternles420 Собирает лимфу от тканей передней грудной стенки плевры перикарда нижние и верхние диафрагмальные узлы сосуды молочной железы и диаф. узлы плечеголовные вены и в левый яремный ствол и в предаортальные лимф. узлы. Отток в ductus thorcicus и шейные узлы .
76288. Грудной лимфатический проток. Главные группы лимфатических узлов и лимфатические стволы брюшной полости 76.49 KB
  Gоясничные лимфатические узлы, nodi lymphoidei lumbales, располагаются забрюшинно около аорты и нижней полой вены (в поясничные лимф узлы оттекает лимфа от нижних конечностей, стенок и органов малого таза, стенок и органов брюшной полости, в частности, в них впадают выносящие сосуды от желудочных, ободочных, брыжеечных, чревных лимфатических узлов). Отток лимфы из поясничных лимфатических узлов осуществляется в правый и левый поясничные стволы, которые дают начало грудному протоку.
76289. Лимфатическое русло и вены нижней конечности 389.82 KB
  Различают поверхностные и глубокие вены нижней конечности имеющие многочисленные клапанынаправляют кровь в глубокие вены между собой соединяются анастомозами коммуникантные вены vv.Поверхностные вены: начинаются из венозных сплетений пальцев стопы которые впадают в тыльную венозную дугу стопы rcus venosus dorslis pedis. От этой дуги берут начало большая и малая подкожные вены ноги.
76291. Лимфатические русло и вены верхней конечности 960.59 KB
  Поверхностные располагаются над поверхностной фасцией и собирают лимфу от кожи и подкожной основы располагаются по ходу подкожных вен и делятся на три группы: Л с латеральной группы: по ходу латеральной подкожной вены впадают в подмышечные л у Л с медиальной группы: по ходу медиальной подкожной вены часть впадает в локтевые часть в подмышечные л у Л с средней группы: лимфа от кожи ладонной поверхности кисти и передней поверхности предплечья. По ходу промежуточной вены предплечья присоединяются к л с латеральной и медиальной групп....