книги / Теоретические основы автоматизированного управления
..pdfТеоретические
основы
автоматизированного
управления
Допущено Министерством образования и науки
Российской Федерации в качестве учебника для студентов
высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Автоматизированные системы обработки информации и управления» направления подготовки «Информатика и вычислительная техника»
Мпсква «Высшая школа» 2006
УДК 681.5 ББК 32.965
С 56
Р е ц е н з е н т ы :
заел, деятель науки и техники РФ, д-р техн. наук, проф. IЛ.В. Гаскаров\ (Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций); кафедра интеллектуальных технологий и систем Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университе та) (зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. В.В. Нечаев)
Советов, Б.Я.
С 56 Теоретические основы автоматизированного управления: Учебник для вузов/Б.Я. Советов, В.В. Цехановский, В.Д. Чер товской.— М.: Высш. шк., 2006. — 463 с.: ил.
ISBN 5-06-005496-9
Вучебнике рассмотрены вопросы теории автоматизированного управления на основе моделей MRP/ERP, PLM, гибкого автоматизированного завода, адап тивного автоматизированного управления с использованием функционального анализа на основе бизнес-процессов. Изложено современное состояние при кладных вопросов автоматизированного управления: математического, алго ритмического, программного, технического, эргономического, организацион ного и правового обеспечения, значительное место занимают проблемы проек тирования автоматизированных систем управления.
Дня студентов вузов, обучающихся по специальности «Автоматизированные системы обработки информации и управления» направления подготовки «Инфор матика и вычислительная техника», а также «Информационные системы».
УДК 681.5 ББК 32.965
ISBN 5-06-005496-9 |
© ФГУП «Издательство «Высшая школа», 2006 |
Оригинал-макет данного издания является собственностью издательства «Выс шая школа», и его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия издательства запрещается.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Предлагаемый учебник раскрывает содержание дисциплины «Теоретические основы автоматизированного управления», являю щейся основополагающей в направлении подготовки кадров 230100 (654600) Информатика и вычислительная техника по специальности 230102 (220200) — Автоматизированные системы обработки инфор мации управления (АСОИУ). Цель преподавания данной дисципли ны — ознакомление с современным состоянием теории автоматизи рованного управления, идеологией построения АСОИУ, изучение различных аспектов структуры АСОИУ и математического аппарата их формализации, рассмотрение возможностей и путей использова ния информационных технологий при анализе, синтезе и проектиро вании АСОИУ. В результате освоения материала учебника студенты изучат основы системного подхода к исследованию и оптимизации процесса автоматизированного управления, ознакомятся с формаль ным аппаратом анализа и синтеза структуры АСОИУ, получат пред ставление об идеологии построения автоматизированных систем на базе информационной технологии.
Учебник построен на основе применения в автоматизированном управлении новейших математических и экономико-математиче ских моделей, а также перспективных средств вычислительной и те лекоммуникационной техники. Для анализа структуры АСУ исполь зованы следующие виды моделей: информационно-логическая, функциональная и модель на основе бизнес-процессов. Особое вни мание уделено таким моделям автоматизированного управления, как MRP (Material Requirement Planning — планирование материальных потребностей), ERP (Enterprise Resource Planning — планирование ресурсов предприятия), PLM (Product Lifecycle Management — управ ление жизненным циклом изделия), модели гибкого автоматизиро ванного завода, модели адаптивного автоматизированного управле ния.
Возникшая в настоящее время эволюция автоматизированного управления во многом связана с переходом от плановых к рыночным отношениям. Это выразилось в появлении новых моделей управле-
з
ния и новых подходов к построению АСУ. В соответствии с этим в книге последовательно рассмотрен переход от подсистемного подхо да к автоматизированному управлению через внедрение стандартов ERP, QMS, методологию планирования материальных ресурсов предприятия MRP, концепцию логистических цепочек, концепцию виртуального бизнеса. На современном этапе развития автоматизи рованного управления важное значение приобретает решение задачи адаптации к быстро изменяющимся внешним условиям. Возникает проблема создания теории адаптивного автоматизированного управ ления. В учебнике приведено общее математическое описание адап тивного управления, являющегося основой для исследования задач планирования и управления при изменяющемся спросе.
Теория автоматизированного управления служит основой эффек тивного проектирования автоматизированных систем различного на значения. Этой цели отвечает излагаемая в учебнике методология проектирования АСУ как коллективного процесса. Проанализирова ны основные этапы и задачи проектирования АСУ на основе объект но-ориентированной технологии как основы создания открытых, гибких, многофункциональных систем для различных предметных областей.
Содержание предлагаемого учебника соответствует программе дисциплины «Теоретические основы автоматизированного управле ния». Авторы надеются, что его издание будет способствовать повы шению качества подготовки кадров российской высшей школой.
Авторы
ВВЕДЕНИЕ
Автоматизированное управление прошло длительный путь разви тия. Исходным на начальном этапе явилось ручное управление объ ектами, при котором обратная связь по результатам управления вос принималась органами чувств человека и задача заключалась в уменьшении мускульных усилий, прикладываемых к рычагам управ ления исполнительного органа. Совершенствование управления ста ло возможным, когда человек начал использовать средства вычисли тельной техники. Возникло два контура: контур управления и контур обработки информации, которые взаимодействовали через человека.
Развитие средств вычислительной техники позволило создать программные средства, которые не только поддерживали вычисли тельный процесс, но могли на базе предварительно разработанных алгоритмов осуществить в реальном времени управление требуемым объектом. Это привело к возникновению автоматического управле ния объектом, в котором человек выполнял функцию оператора, не внося в процесс управления творческого начала, а лишь исполняя требования инструкций.
Автоматическое управление получило глубокое творческое обос нование на основе исследований замкнутых систем управления. Воз никла теория автоматического регулирования, в которой основное внимание акцентировалось на проблемах устойчивости, чувствитель ности, организации обратной связи и т. д. Существенным объектом управления при автоматическом управлении стал технологический процесс, что позволило выделить технологический уровень управле ния производством. Наряду с ним самостоятельное значение приоб рел и организационно-экономический уровень управления. На этом уровне в основе управления оказался процесс принятия решения, вы полняемый человеком — руководителем производства. Управление приобрело автоматизированный характер.
В общем случае процесс принятия решения не поддается форма лизации. Оказывается возможным разработать набор типовых реше ний, из которых человек-руководитель может осуществить эффек тивный выбор оптимального решения с использованием средств вы-
числительной техники. Однако математическая поддержка процес сов принятия решений является основным фактором эффективности автоматизированного управления. Поэтому в учебнике рассмотрена общая проблема формализации и алгоритмизации процессов приня тия решений в условиях автоматизированного управления.
Содержание математического обеспечения дано на примере ряда областей традиционного автоматизированного управления произ водством. Подробно проанализированы вопросы математического обеспечения задач тактического планирования и стратегических за дач управления: технико-экономическое планирование, материаль но-техническое снабжение и сбыт, маркетинг, стратегическое управ ление. Значительное внимание уделено математическому обеспече нию задач оперативного управления основным производством, мето дам оперативного управления КАНБАН и Just-In-Time (JIT).
В целом автоматизированная система управления (АСУ) относит ся к классу разомкнутых систем, для которых разработанная традици - онная теория автоматического управления не может быть применена. Это заставляет с иных позиций подойти к исследованию процесса ав томатизированного управления и разработке соответствующей тео рии. Рост сложности задач, повышение требований к оперативности принятия решений приводят к необходимости дальнейшего развития автоматизированного управления в различных предметных областях. Этому способствует появление новых математических и экономи ко-математических моделей, а также непрерывное совершенствова ние средств вычислительной и телекоммуникационной техники.
Вучебнике сделана попытка изложить теорию автоматизирован ного управления. Исторически в основе построения автоматизиро ванных систем управления использовался системный подход. Авторы предлагают развитие системного подхода в направлении системной инженерии как нового средства анализа и проектирования системы. Отличительная особенность рассматриваемой теории состоит в реа лизации функционального анализа на основе бизнес-процессов, что обеспечивает комплексный подход к анализу функционирования объекта автоматизированного управления. Цель теории — обеспе чить эффективное проектирование автоматизированного управле ния.
Врамках общей теории изложены два подхода: подсистемный и процедурный. Подсистемный подход показан на примере автомати зированного управления производством. В процедурном подходе ис следованы следующие компоненты: ERP-стандарт, международный стандарт QMS, упорядочение решения задач, «плоская» структура управления, реинжиниринг, схематика и компьютерная поддержка
представления. Несмотря на специфику конкретных объектов, уда лось разработать модели автоматизированного управления.
Сформировавшиеся к настоящему времени идеология и практика применения автоматизированного управления требуют дальнейшего развития средств анализа информационных процессов и технологий как целостной системы. Авторы излагают подходы системной инже нерии, позволяющие совместно рассматривать все компоненты АСУ. Методы системной инженерии позволяют оценить варианты архи тектуры и выбрать из них наилучшие. Анализ структуры АСУ предложено проводить на базе следующих моделей: информацион но-логической, функциональной и модели на основе бизнес-процес сов. Информационно-логическая модель АСУ базируется на анализе предметной области и использует два подхода: функционально-мо дульный (структурный) и объектно-ориентированный. Функцио нальная модель исходит из анализа функциональных возможностей и использует три аспекта рассмотрения: функциональный, информа ционный, организационный. Модель на основе бизнес-процессов направлена на комплексный анализ деятельности объекта автомати зированного управления.
Отличительной особенностью учебника является рассмотрение теории адаптивного автоматизированного управления. Приведено общее математическое описание адаптивного управления, являюще гося основой для исследования задач планирования и управления при изменяющемся спросе. В рамках задачи планирования при изме няющемся спросе последовательно рассмотрены технология реше ния задачи планирования, ресурсное обеспечение плана, согласова ние интересов элементов и уровней при определении плана, форми рование плана при переходе на выпуск новой продукции, расчет пла на с помощью декомпозиции (по частям). В рамках задачи управления при изменяющемся спросе исследованы векторное свой ство элементов и этапы его изучения, анализ свойств элементов с по мощью декомпозиции, координация управления элементов и уров ней системы, управление при изменяющихся структурных связях.
Теория автоматизированного управления должна предоставить разработчику системы конструктивный аппарат и средства проекти рования. В книге проанализованы основные этапы и задачи проекти рования АСУ на основе объектно-ориентированной технологии как основы создания открытых, гибких, многофункциональных ДСУ для различных предметных областей. Рассмотрены вопросы создания АСУ при подсистемном и процедурном построении, исследованы во просы использования реинжиниринга в процессе проектирования АСУ. Особое внимание уделено современному подходу к построению
АСУ. Дана характеристика основному инструментальному средст ву — CASE-технологиям. Материал подкреплен изложением вопро сов практического проектирования АСУ. Таким образом, данный учебник охватывает широкий круг тем, обеспечивая студенту ком плексное представление о содержании современной теории автома тизированного управления, а также направлениях ее конструктивно го использования при исследовании, разработке и проектировании автоматизированных систем управления.
ГЛАВА 1
Общая характеристика
автоматизированного управления
Рост сложности задач, повышение требований к оперативности принятия решений приводят к необходимости дальнейшего развития автоматизированно го управления в различных предметных областях. Этому способствовали появле ние новых математических и экономико-математических моделей, а также не прерывное совершенствование средств вычислительной и телекоммуникацион ной техники.
Вданной главе приведена используемая терминология, рассмотрены облас ти применения автоматизированного управления. Дана характеристика основ ных аспектов автоматизированного управления: главенствующая роль информа ции в процессе управления; иерархический характер процесса управления; сис темный подход к процессу построения автоматизированных систем. Приведена классификация АСУ и средств обеспечения процессов их проектирования, вне дрения и эксплуатации.
1.1. ПОНЯТИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
УПРАВЛЕНИЯ
Управление — целенаправленный перевод системы из одного со стояния в другое желаемое.
Система управления — совокупность взаимодействующих компо нентов: объекта управления и управляющих частей.
Структура — совокупность элементов и их связей. Простейшая структура приведена на рис. 1.1. Структура системы
управления может быть многоуровневой (структурой подчинения). Объект управления (ОУ) — динамическая система любой природы, преобразующая ресурсы в продукты и находящаяся под действием управляющих и возмущающих воздействий.
Возмущающее воздействие — воздействие, выводящее систему в нежелательное состояние.
P |
Среда |
П |
||
e |
|
|
Р |
|
c |
1'Упр |
о |
||
У |
Система! |
явления |
д |
|
Управляющая |
||||
P |
У |
|||
c |
часть |
к |
т
Решения } Информация
Объект
управления Возмущение |
Рис. 1.1. Простейшая структура системы управления
Решение (управляющее воздействие, управление) — воздействие, выбранное из множества возможных на основе поставленной цели и принятого критерия.
Критерий — оценка вариантов решений.
Цель — состояние, к которому стремится система. Управляющая часть (УЧ) — часть системы, вырабатывающая ре
шения и передающая их на объект управления.
Среда — метасистема, в которую рассматриваемая система управ ления входит составной частью.
Функционирование системы — работа системы в рамках заданной структуры.
Развитие системы — работа системы в условии острых противо речий, которые могут вызвать изменение структуры.
Рассмотрим подробнее объект управления (рис. 1.2) как систему преобразования ресурсов в продукты. Объект управления использует следующие виды общих ресурсов: материальные, трудовые, финан совые, оборудование.
При более подробном рассмотрении процессов в управляющей части возможно получить совокупность этапов (рис. 1.3). Эта схема
Материалы (энергия) |
|
|
Трудовые ресурсы |
|
|
Техническая информация |
ОУ |
Продукты |
|
|
|
Оборудование___________ _ |
|
|
Финансовые ресурсы |
|
|
Рис. 1.2. Укрупненная схема объекта управления