Автоматизация систем управления

Автоматизация систем управления

Автоматизация СУ состоит  в применении технических и программных  средств, освобождающих человека частично или полностью от непосредственного  участия в процессе управления. СУ, выполняющая свои функции без непосредственного участия человека, называется системой автоматического управления (САУ). В ней целенаправленные воздействия на ОУ вырабатывает автоматическое устройство управления (АУУ). Обобщенно САУ представляется совокупностью АУУ и ОУ. Системы управления, в которых одни функции выполняет человек, а другие возложены на технические средства, называются автоматизированными или «человеко-машинными». Автоматизация СУ требует построения ее математической модели, формализации этапов принятия и реализации решений, а также определенного уровня развития технических средств. На современном этапе элементной базой автоматизации являются средства компьютерной техники.

Виды  структур САУ. Структурой системы называется совокупность составляющих ее элементов и связей между ними. При рассмотрении САУ обращается внимание на три их аспекта: командный, функциональный, формальный (описательный, математический, абстрактный). Представление САУ совокупностью элементов, выступающих в роли управляющих или управляемых подразделений, и связей между ними называется ее командной организацией или командной структурой.

В процессе управления САУ выполняет  определенные функции: измеряет необходимые  величины, преобразует сигналы из одного вида в другой, отображает результаты и т.д. Схема функциональных устройств САУ и связей между ними называется ее функциональной структурой или функциональной организацией.

Элементы САУ выполняют преобразования сигналов. Вне зависимости от физической природы этих сигналов и протекающих  в устройствах САУ рабочих  процессов динамика изменения сигналов одним или группой элементов  системы может быть представлена в абстрактном виде (математическими  и/или логическими выражениями). Схема, отражающая формальный характер преобразования входных сигналов САУ  в выходные, называется ее формальной (описательной, математической) структурой.

Структура и параметры ОУ и АУУ. Научный подход к выработке управляющих воздействий базируется на математической модели системы - совокупности математических выражений и логических условий, связывающих значения ее входных и выходных величин. Математическая модель позволяет описывать изменения состояния СУ и производить его прогноз на определенное время вперед при различных входных воздействиях.

С точки зрения управления конструкция  ОУ имеет второстепенное значение. Основной интерес представляет реакция  объекта на управляющие и возмущающие  воздействия. При рассмотрении ОУ с  этой важной стороны в теории автоматического  управления термины структура и параметры ОУ используют обычно в формальном смысле, т.е. под ними понимается вид и параметры математической модели ОУ.

Разработка любой САУ обязательно  включает нахождение алгоритма управления - системы формальных правил и проверочных условий, выполнение которых в заданной последовательности позволяет решить задачу управления без уяснения ее сущности. Именно этому алгоритму уделяется основное внимание при анализе САУ. Поэтому под структурой и параметрами АУУ чаще всего понимается вид и параметры алгоритма управления.

Требования  к математической модели системы. При решении задач, связанных с синтезом алгоритмов управления и анализом СУ, требуется, чтобы математическая модель: отражала существенные стороны процесса управления, была простой (экономной), служила существенным вспомогательным средством при выборе решений. В математической модели должны быть сконцентрированы наиболее важные факторы реальной системы. Их необходимо отразить с наибольшей полнотой и точностью, чтобы модель была адекватна процессу управления. Несущественные факторы в модели должны отсутствовать, либо быть отраженными в небольшой степени, чтобы не затруднять анализ системы и не усложнять выработку алгоритмов управления. Так как значимость факторов реальной системы зависит от ее цели, то один и тот же ОУ при решении разных задач, как правило, описывается разными моделями. Так, например, модель судна в системе управления его курсом отличается от модели судна в системе управления его скоростью. Отсюда следует, что применение в задачах управления разных математических моделей ОУ является естественным явлением, направленным на возможность получения оптимальных решений этих задач.

Свойства ОУ могут меняться в  различных условиях эксплуатации и  со временем. Совокупность операций для  определения удовлетворительности выбранной модели и ее улучшения  по результатам наблюдений поведения  объекта при наличии погрешностей наблюдений и возмущений в движении ОУ называется оцениванием модели объекта. Довольно часто встречается ситуация, когда класс моделей объектов определенного типа известен, и требуется на основе наблюдений выбрать модель ОУ из этого класса. Процедура, предназначенная для нахождения из определенного класса моделей вида модели и ее параметров для ОУ по тем или иным признакам его поведения в конкретной ситуации, носит название идентификации модели объекта. Оценивание является более объемным понятием, чем идентификация. Но если речь идет о модели конкретного ОУ, эти понятия с неизбежностью перекрываются.

Автоматизация процессов подготовки решений. В первую очередь в СУ автоматизируют информационные процессы. В простейших системах регулирования для выработки управляющих воздействий обычно нужно мало информации. Здесь не возникает особых трудностей, связанных с ее получением и обработкой. Однако уже в средних, по современным меркам, СУ для управления нужна переработка большого числа данных. Проблема автоматизации информационных процессов включает в себя:

-организацию источников информации о текущем и ожидаемом состоянии СУ и ВС;

-нахождение способов получения и передачи данных от источников, упорядочивания, хранения, защиты информации и приведения ее на уровень современности;

-разработку алгоритмов обработки данных и методов отображения ее результатов;

-создание программных и аппаратных средств реализации названных методов и алгоритмов

 

Получение информации для  управления. Для выполнения своих задач САУ снабжается внутренними датчиками информации, средствами связи для получения сведений от внешних источников, устройствами хранения данных, программными средствами, управляющими получением информации от этих источников, ее упорядочиванием и передачей для дальнейшей обработки. Постоянная и медленноменяющаяся информация в САУ записывается в долговременной памяти. К организации данных в ней предъявляются требования надежности хранения, обеспечения быстрого поиска, защиты от ошибок и несанкционированного доступа и др. Сведения в памяти системы организуются в виде баз данных. Базой данных называют совокупность взаимосвязанных массивов, обеспечивающих хранение данных о СУ и ее ВС с такой минимальной избыточностью, которая обеспечивает их оптимальное использование во всех практических случаях, связанных с этой СУ.

Выделяют две самостоятельные  функции, выполняемые базами данных: образование информационных моделей СУ и ВС, справочная функция. Первая функция заключается в аккумулировании всех необходимых при управлении относительно стабильных сведений об СУ и ВС, которые и составляют неформализованные информационные модели этих элементов. В САУ должна быть возможность дополнения этих моделей и приведения на уровень современности. Справочная функция баз данных состоит в выдаче сведений, необходимых для принятия решений. Они представляются по запросу оператора либо в соответствии с реализуемой программой автоматически. Выделение двух автономных функций позволяет формировать, накапливать и изменять по мере необходимости данные в базах независимо от использующих их программ.

Для работы с информацией баз  разрабатывается комплекс программных  средств, называемый системой управления базами данных (СУБД). Основные функции СУБД: управление получением сведений, их сортировкой, распределением, хранением и защитой; поддержанием данных на уровне современности; выдача справок; объединение и разделение файлов, их копирование и восстановление; защита информации от несанкционированного доступа; устранение ошибок в работе ряд других функций.

Обработка информации. Цель обработки информации в САУ - контроль ее достоверности и нахождение концентрированных, сжатых характеристик, обеспечивающих минимальный и в то же время достаточный для принятия решений объем данных.

Представление информации оператору. При выдаче данных человеку должна быть обеспечена их полнота и в то же время минимизация до необходимого и достаточного для выработки правильного решения объема. В отображении информации лицу, принимающему решение, основным является удобство восприятия, обеспечивающее простое, без напряжения, быстрое и безошибочное понимание сложившейся в процессе управления ситуации. Трудности при восприятии информации ведут, в конечном счете, к увеличению времени на принятие решения и снижению его эффективности.

Комплекс технических и программных  средств, выполняющих переработку  информации для облегчения задачи управления, называется системой поддержки принятия решений либо просто информационной системой. В СУ информационная система замкнута на человека всегда, и иногда - на технические средства управления. На последние она замыкается в той мере, в которой в СУ автоматизируется выработка управляющих воздействий.

Автоматизация этапа принятия решения, в общем случае включающего в себя определение множества допустимых решений и выбор из них наилучшего, связана с разработкой соответствующего алгоритма. Для многих практически важных задач управления, характеризуемых небольшим числом параметров и относительно несложным характером влияния среды, разработаны строгие научные методы синтеза алгоритмов управления. К таким задачам относятся задачи регулирования, некоторые задачи выбора стратегий и ситуационного управления. Во многих задачах при нахождении алгоритмов управления используются приближенные эффективные или рациональные формальные методы.

Для сложных задач управления разработка алгоритмов выработки решений может  сопровождаться значительными и  нередко непреодолимыми на современном  этапе трудностями. С одной стороны, эти трудности могут определяться многочисленностью факторов, которые  влияют или могут влиять в разных ситуациях на управление. Это не позволяет с помощью технических  средств получить достаточную для  принятия решений информацию. Так, например, в судовождении число ситуаций, которые  могут возникнуть при управлении судном, так велико, что практически  невозможно учесть все характеризующие  эти ситуации элементы с помощью  средств автоматизации. С другой стороны, сложность получения алгоритмов управления объясняется трудностью моделирования интеллектуальной деятельности человека, лежащей в основе выбора решений в неавтоматизированной системе. Решения человека основаны не только на формальной, но и на диалектической логике, на интуиции, на своем и чужом опыте. Поэтому для общего случая принятия решений выполнить моделирование мыслительной деятельности человека чрезвычайно сложно.

Трудности формализации этапа принятия решений, а в ряде случаев и  экономическая сторона, заставляют во многих сферах управления вместо САУ  применять «человеко-машинные СУ». В них прерогатива принятия решений принадлежит человеку.

Навигационно-информационная система.

Назначение системы.

Навигационно-информационная система – НИС (Navigation and Information System) предназначена для:

отображения картографической и навигационно-гидрографической информации, необходимой для безопасного  и эффективного судовождения,

решения оперативных навигационных  задач и ведения исполнительной прокладки,

непрерывного отображения  текущего места судна и корректуры электронных навигационных карт.

Ниже дается лишь краткая  характеристика НИС. Для подробного изучения этих систем существует специальный курс - «Навигационные информационные системы».

НИС может рассматриваться как система информационной поддержки решений при проводке судна по заданному маршруту, так как она выполняет определенные операции по подготовке решений для штурманского состава:

получает, обрабатывает и  отображает информацию;

контролируется ее достоверность;

выдает необходимые справки, касающиеся района плавания;

находит концентрированные, сжатые характеристики процесса судовождения, облегчающие принятие решений;

оценивает навигационную  безопасность и выдает предупреждения с помощью визуальных и акустических средств сигнализации.

Информация вахтенному помощнику  представляется в интегрированном виде путем отображения концентрированных характеристик текущего состояния процесса судовождения на электронной карте (ЭК).

Навигационно-информационные системы изготавливаются рядом  фирм и организаций. Аппаратура разных производителей имеет определенные отличия по дизайну, составу, объему выполняемых функций и по другим характеристикам. Общий вид модуля НИС интегрированного мостика фирмы Litton Marine Systems приведен на рис. 4.1.

НИС имеет функции для:

работы с электронным  каталогом карт и с ЭК,

управления получением информации от РЛС, САРП, АИС и других источников,

выполнения счисления, обсерваций и прокладки пути,

контроля прохождения маршрута,

оценки навигационной безопасности и опасности столкновений,

предупреждений и регистрации  информации,

поддержания баз данных на уровне современности 

и ряд других.