Что такое j в автоматизации. Смотреть что такое "автоматизация" в других словарях. Цели комплексной автоматизации

Автоматизация производственных процессов – основное направление, по которому в настоящее время продвигается производство во всем мире. Все, что раньше выполнялось самим человеком, его функции, не только физические, но и интеллектуальные, постепенно переходят к технике, которая сама выполняет технологические циклы и осуществляет контроль за ними. Вот такое теперь генеральное русло современных технологий. Роль человека во многих отраслях уже сводится лишь к контролеру за автоматическим контролером.

В общем случае под понятием «управление технологическим процессом» понимают совокупность операций, необходимых для пуска, остановки процесса, а также поддержания или изменения в требуемом направлении физических величин (показателей процесса). Осуществляющие технологические процессы отдельные машины, агрегаты, аппараты, устройства, комплексы машин и аппаратов, которыми необходимо управлять, в автоматике называют объектами управления или управляемыми объектами. Управляемые объекты весьма разнообразны по своему назначению.

Автоматизация технологических процессов – замена физического труда человека, затрачиваемого на управление механизмами и машинами, работой специальных устройств, обеспечивающих это управление (регулирование различных параметров, получение заданной производительности и качества продукта без вмешательства человека).

Автоматизация производственных процессов позволяет во много раз увеличивать производительность труда, повышать его безопасность, экологичность, улучшать качество продукции и более рационально использовать производственные ресурсы, в том числе, и человеческий потенциал.

Любой технологический процесс создается и осуществляется для получения конкретной цели. Изготовления конечной продукции, или же для получения промежуточного результата. Так целью автоматизированного производства может быть сортировка, транспортировка, упаковка изделия. Автоматизация производства может быть полной, комплексной и частичной.

Частичная автоматизация имеет место, когда в автоматическом режиме осуществляется одна операция или отдельный цикл производства. При этом допускается ограниченное участие в нем человека. Чаще всего частичная автоматизация имеет место, когда процесс протекает слишком быстро для того, чтобы сам человек мог в нем полноценно участвовать, при этом достаточно примитивные механические устройства, приводящиеся в движение при помощи электрического оборудования, отлично с ним справляются.

Частичная автоматизация, как правило, применяется на уже действующем оборудовании, является дополнением к нему. Однако, наибольшую эффективность оно показывает, когда включено в общую систему автоматизации изначально - сразу же разрабатывается, изготовляется и устанавливается как ее составная часть.

Комплексная автоматизация должна охватывать отдельный крупный участок производства, это может быть отдельный цех, электростанция. В этом случае все производство действует в режиме единого взаимосвязанного автоматизированного комплекса. Комплексная автоматизация производственных процессов целесообразна не всегда. Ее область применения – современное высокоразвитое производство, на котором используется чрезвычайно надежное оборудование.

Поломка одного из станков или агрегата тут же останавливает весь производственный цикл. Такое производство должно обладать саморегуляцией и самоорганизацией, которая осуществляется по предварительно созданной программе. При этом человек принимает участие в производственном процессе лишь в качестве постоянного контролера, отслеживающего состояние всей системы и отдельных ее частей, вмешивается в производство для пуска-запуска и при возникновении внештатных ситуаций, или при угрозе такого возникновения.

Наивысшая ступень автоматизации производственных процессов – полная автоматизация . При ней сама система осуществляет не только процесс производства, но и полный контроль над ним, который проводят автоматические системы управления. Полная автоматизация целесообразна на рентабельном, устойчивом производстве с устоявшимися технологическими процессами с неизменным режимом работы.

Все возможные отклонения от нормы должны быть предварительно предусмотрены, и разработаны системы защиты от них. Также полная автоматизация необходима для работ, которые могут угрожать жизни человека, его здоровью или же проводятся в недоступных для него местах – под водой, в агрессивной среде, в космосе.

Каждая система состоит из компонентов, которые выполняют определенные функции. В автоматизированной системе датчики снимают показания и передают для принятия решения по управлению системой, команду выполняет уже привод. Чаще всего это электрическое оборудование, так как именно при помощи электрического тока целесообразнее выполнять команды.

Следует разделять автоматизированные систему управления и автоматические. При автоматизированной системе управления датчики передают показания на пульт оператору, а он уже, приняв решение, передает команду исполнительному оборудованию. При автоматической системе – сигнал анализируется уже электронными устройствами, они же, приняв решение, дают команду устройствам-исполнителям.

Участие человека в автоматических системах все же необходимо, пусть и в качестве контролера. Он имеет возможность вмешаться в технологический процесс в любой момент, откорректировать его или же остановить.

Так, может выйти из строя датчик температуры и подавать неправильные показания. Электроника в таком случае, будет воспринимать его данные, как достоверные, не подвергая их сомнению.

Человеческий разум во много раз превосходит возможности электронных устройств, хотя по быстроте реагирования уступает им. Оператор, может понять, что датчик неисправен, оценить риски, и просто отключить его, не прерывая процесс. При этом он должен быть полностью уверен в том, что это не приведет к аварии. Принять решение ему помогает опыт и интуиция, недоступные машинам.

Такое точечное вмешательство в автоматические системы не несет с собой серьезных рисков, если решение принимает профессионал. Однако, отключение всей автоматики и перевод системы в режим ручного управления чреват серьезными последствиями из-за того, что человек не может быстро реагировать на изменение обстановки.

Классический пример – авария на Чернобыльской атомной электростанции, ставшая самой масштабной техногенной катастрофой прошлого века. Она произошла именно из-за отключения автоматического режима, когда уже разработанные программы по предотвращению аварийных ситуаций не могли влиять на развитие обстановки в реакторе станции.

Автоматизация отдельных процессов началась в промышленности еще в девятнадцатом веке. Достаточно вспомнить автоматический центробежный регулятор для паровых машин конструкции Уатта. Но лишь с началом промышленного использования электричества стала возможной более широкая автоматизация уже не отдельных процессов, а целых технологических циклов. Связано это с тем, что до этого механическое усилие на станки передавалось с помощью трансмиссий и приводов.

Централизованное производство электроэнергии и использование ее в промышленности по большому счету, началось лишь с двадцатого века - перед Первой мировой войной, когда каждый станок был оснащен собственным электродвигателем. Именно это обстоятельство дало возможность механизировать не только сам производственный процесс на станке, но механизировать и его управление. Это был первый шаг к созданию станков-автоматов . Первые образцы которых появились уже в начале 1930-х годов. Тогда и возник сам термин «автоматизированное производство».

В России – тогда еще в СССР, первые шаги в этом направлении были сделаны в 30-40-е годы прошлого века. Впервые автоматические станки были использованы в производстве деталей для подшипников. Затем появилось первое в мире полностью автоматизированное производство поршней для тракторных двигателей.

Технологические циклы соединились в единый автоматизированный процесс, начинавшийся с загрузки сырья и заканчивающийся упаковкой готовых деталей. Это стало возможно, благодаря широкому применению современного на то время электрооборудования, различных реле, дистанционных выключателей, и конечно же, приводов.

И только появление первых электронно-вычислительных машин позволило выйти на новый уровень автоматизации. Теперь уже технологический процесс перестал рассматриваться, как просто совокупность отдельных операций, которые нужно совершать в определенной последовательности для получения результата. Теперь весь процесс стал единым целым.

В настоящее время автоматические системы управления не только ведут производственный процесс, но также контролируют его, отслеживают возникновение внештатных и аварийных ситуаций. Они запускают и останавливают технологическое оборудование, отслеживают перегрузки, отрабатывают действия в случае аварий.

В последнее время автоматические системы управления позволяют достаточно легко перестраивать оборудование на производство новой продукции. Это уже целая система, состоящая из отдельных автоматических многорежимных систем, соединенных с центральным компьютером, который увязывает их в единую сеть, и выдает задания для исполнения.

Каждая подсистема является отдельным компьютером со своим программным обеспечением, предназначенным для выполнения собственных задач. Это уже гибкие производственные модули. Гибкими их называют потому, что их можно перенастроить на другие технологические процессы и тем самым расширять производство, версифицировать его.

Вершиной автоматизированного производства являются . Автоматизация пронизало производство сверху донизу. Автоматически работают транспортная линия по доставке сырья для производства. Автоматизировано управление и проектирование. Человеческий опыт и интеллект используется лишь там, где его не может заменить электроника.

Автоматизация – это процесс, при котором функции управления и контроля осуществляются методами и средствами автоматики. В применении к любому производству автоматизация характеризуется освобождением человека от непосредственного выполнения функций управления производственными процессами и передачей этих функций автоматическим устройствам. Автоматизация позволяет решить ряд вопросов технического, экономического и социального характера.Техническая направленность автоматизации позволяет организовать технологические процессы с такой скоростью, точностью, надежностью и экономичностью, которые человек обеспечить не может.Экономическая направленность позволяет получить сравнительно быструю окупаемость первоначальных затрат за счет снижения эксплуатационных расходов и повышения объема и качества выпускаемой продукции, асоциальная направленность позволяет изменить характер и улучшить условия труда человека.

По степени автоматизации производства различают частичную, комплексную и полную автоматизацию.

Частичная автоматизация - это автоматическое выполнение отдельных производственных операций. Остальные технологические процессы осуществляются с непосредственным участием человека – оператора.Комплексная автоматизация - автоматическое выполнение основных производственных операций участка, цеха, фермы и т.д. как единого взаимосвязанного комплекса. Функции человека при комплексной автоматизации ограничиваются контролем и общим управлением.Полная автоматизация – высшая ступень, при которой автоматизируются все основные и вспомогательные участки производства, включая систему управления и контроля. Управление и контроль автоматизируются с помощью компьютеров или специализированных автоматических устройств. Функции человека при полной автоматизации сводятся к наблюдению за работой оборудования и устранению возникающих неисправностей.

Степень автоматизации определяется, прежде всего, экономической эффективностью и технической целесообразностью в условиях конкретного производства.

Самой простой формой управления является ручное управление, описанное выше. Для оценки значения управляемых параметров человек - оператор пользуется своими органами чувств. Выработка командной информации и определение воздействия на объект управления полностью основываются на правильности восприятия, интуиции и опыте оператора.

П
ервой функцией управления, могущей быть автоматизированной, является замена субъективного восприятия человека - оператора объективными показаниями приборов, т.е. измерение физических величин. Для этого на выходе объекта управления (рисунок 1.5) устанавливается датчик, который выполняет две функции: измеряет некоторую физическую величинуy и преобразует её в сигнал, удобный для дальнейшей передачи и преобразования. Обычно это электрический сигнал (ток или напряжение). Измеренное значение управляемой величины передаётся на вторичный прибор (ВП), который осуществляет её индикацию оператору. Датчик и вторичный прибор называютсистемой автоматической индикации . Слово «система» в переводе с греческого означает «целое, составленное из частей».

Система автоматической индикации заменяет органы чувств человека, обеспечивает быстрые, достаточно точные и объективные измерения. К вторичному прибору можно подключить регистрирующий прибор, записывающий динамику изменения технологических параметров. Эти данные могут использоваться для последующего анализа, а диаграмма, записанная регистратором, часто служит документом.

При использовании систем автоматической индикации функции оператора сводятся к определению отклонений параметров технологического процесса от допустимых, выработке величины воздействия на ОУ, и реализация этого воздействия.

Б
олее сложные функции выполняютсистемы автоматического контроля параметров технологического процесса. В этом случае оператор получает информацию только об отклонениях технологических параметров от заданных значений. Система автоматического контроля, кроме датчика и вторичного прибора, содержит ещё блок сравнения и логики, который сравнивает текущее значение технологического параметра с заданными. Такие системы получили самое большое распространение в сельскохозяйственном производстве. К ним относятся системы автоматического контроля процесса высева на сеялках, универсальные системы контроля зерноуборочных и свеклоуборочных комбайнов и т.д. По мере усложнения технологических процессов, повышения скорости их протекания, увеличения числа контролируемых параметров, появляется необходимость в замене человека - оператора специальными устройствами: автоматическим управляющим устройством (АУУ) и исполнительным механизмом (ИМ) АУУ выполняет функции управления: преобразует информацию состояния в командную информацию. Исполнительный механизм (ИМ) преобразует управляющий сигнал в управляющее воздействие. Система управления, в которой все операции над информацией выполняются без участия человека, называетсясистемой автоматического управления (САУ) . Если часть операций выполняется человеком, то такая система называетсяавтоматизированной системой управления (АСУ) . Роль человека - оператора в системе управления зависит от степени автоматизации технологического процесса (частичная, комплексная, полная). Наиболее простой структурной формой систем управления технологическими процессами являютсяодноуровневые децентрализованные системы контроля и управления.

В
таких системах каждый технологический агрегат снабжается индивидуальным пунктом управления, оснащенным системами автоматической индикации и контроля и автоматическими регуляторами технологических параметров, которые в этом случае называютсялокальными системами управления . На этих пунктах управления также располагается аппаратура включения и выключения оборудования, аварийная защита и устройства ручного управления. Такие пункты управления размещаются обычно в непосредственной близости от каждой технологической установки, что позволяет сократить длину линий связи. Характерной особенностью локальных систем управления является то, что они обслуживают только одну, свою технологическую установку и «не знают», что делается с соседними установками. Поэтому функции оператора здесь заключаются в непосредственном контроле каждой технологической установки и изменении параметров локальных систем управления в зависимости от изменения обстановки. Оператор постоянно находится вблизи технологических установок. Одноуровневые децентрализованные системы контроля и управления технологическими процессами являются наиболее распространенными в сельскохозяйственном производстве. Более совершеннысистемы централизованного контроля и управления . Эти системы позволяют контролировать и управлять с одного пульта весь технологический процесс. Замена в централизованных системах контроля и управления оператора на управляющий компьютер позволяет получитьавтоматизированную систему управления технологическим процессом (АСУ ТП) .

Уровень жизни современного человека в значительной степени определяется развитием производительных сил. Производительные силы – это средства производства (техника, ресурсы, энергия) и люди, которые используют эти средства для производства продукции.

Довольно безбедное существование (в материальном плане) современному человеку обеспечила научно-техническая революция , которая началась в середине прошлого столетия и привела к коренному изменению технических средств производства на основе механизации и автоматизации .

Механизация производства – это замена ручных орудий труда (инструментов) машинами и механизмами. Механизация сделала человека сильным и ловким. Она освободила человека от тяжелого и монотонного труда, значительно повысила его производительность. «Сердцем» большинства механизмов является двигатель – вначале это была паровая машина, позднее электродвигатель или двигатель внутреннего сгорания.

Однако ни один механизм или даже комплекс не сможет изготовить, например, электронную микросхему для компьютера или мобильного телефона либо сложную деталь для самолета с использованием только ручного управления. Человек не обладает достаточными для этого точностью и скоростью. И глаз человека (как измерительный прибор), и рука (как исполнительный орган) несовершенны. Поэтому следующим этапом развития производственных мощностей, не менее важным, чем механизация, стала автоматизация производства.

Автоматизация производства – это широкое использование в производственных процессах автоматического и автоматизированного оборудования, в котором функции управления и контроля переданы управляющим и автоматическим устройствам (автоматам ).

Слово «автомат» в переводе с греческого означает «самодействующий». В Древней Греции так назывались механизмы и устройства, способные самостоятельно, без видимого участия человека выполнять некоторые простые действия. Первые автоматы использовались жрецами для демонстрации «чудес», якобы создававшейся божественной силой, рис. 1 .

Рис. 1. Древний механизм автоматического открывания дверей храма при разведении жертвенного огня
(При зажигании огня на алтаре под действием тепла воздух в сфере расширяется и вытесняет воду в подвешенную бочку. Вес бочки превышает вес противовеса и цепной привод открывает двери)

В дальнейшем автоматы-игрушки появились в домах знати и использовались для развлечения (рис. 2 , видео). В средние века мастера-умельцы неоднократно создавали механических птиц, зверей, фантастических животных, способных махать крыльями, двигаться и рычать. Создавались также подвижные фигурки мифологических созданий и людей.

Рис. 2. Автомат механический «Фокусник» Франция, Ж.Ф.Уден, 1840-1860 г. г.
(Комбинация из двух механических автоматов в едином конструктивном исполнении: часы кинематически связаны с фигуркой восточного волшебника (фокусника), который манипулирует стаканчиками и цветными шариками. Кулачковая система управления, две циклические программы, пружинный привод)

Сейчас автоматы нашли широкое применение в промышленности, на транспорте и в быту. Какую бы функцию не выполнял автомат, его робота определяется программой – определенной последовательностью действий, предварительно заданной человеком. Это – программный автомат . Программа работы автомата может быть заложена в его конструкции, например, в виде кулачкового механизма , в котором кулачок сложной криволинейной формы при вращении сдвигает толкатель или коромысло. Толкатель (коромысло) «копирует» своим движением форму кулачка (рис. 3 , анимация).

Рис. 3. Кулачковый механизм – основа механического программного автомата
(При вращении кулачок, имеющий форму эксцентрика, с помощью толкателя или коромысла действует на объект управления)

В более общем случае автомат реализует сложный закон управления , который может быть задан программой, математической формулой, таблицей или иным способом. При этом автомат может выполнять функцию стабилизации (поддержания технологического параметра на постоянном уровне и компенсация вредных внешних воздействий) или слежения (изменение управляемого технологического параметра в соответствии с каким-либо другим изменяющимся параметром).

Из наиболее известных автоматических систем можно упомянуть:

программные системы : игровой автомат, робот-манипулятор; станок с числовым программным управлением, стиральная машина-автомат;

системы стабилизации : стабилизатор напряжения питания; инкубатор для искусственного выведения птенцов из яиц (стабилизация температуры); система поддержания уровня воды у водонапорной башне; круиз-контроль для стабилизации скорости автомобиля, автопилот самолета, кондиционер;

системы слежения : привод солнечной батареи, поворачивающий панель на солнце; привод радара, отслеживающего движение самолета или иной цели.

Основною особенностью системы автоматического регулирования есть тот факт, что она выявляет разницу между желаемым уровнем технологического параметра и реальным его значением. Например, центробежный регулятор частоты вращения двигателя внутреннего сгорания (регулятор Ватта) измеряет реальную частоту вращения вала та изменяет подачу топлива при отклонении реальной частоты от желаемой (рис. 4 ).

Рис. 4. Автоматический регулятор частоты вращения двигателя
(При увеличении частоты вращения вращающиеся грузы расходятся и опускают заслонку, уменьшая подачу топлива. И наоборот, при уменьшении скорости грузы сходятся и поднимают заслонку, поддерживая при этом частоту вращения на практически постоянном уровне)

Для обеспечения возможности автоматического регулирования необходимо реализовать так называемую обратную связь : подавать выходную величину системы на ее вход. Например, в системе регулирования уровня жидкости в емкости поплавок, который контролирует выходную величину (а именно уровень зеркала жидкости) с помощью коромысла действует на задвижку, которая, в свою очередь влияет на входную величину (подачу жидкости в емкость), рис. 5 . Аналогично, в системе регулирования скорости двигателя измеритель скорости (выходной величины) с помощью дроссельной заслонки воздействует на расход топлива (входную величину).

Рис. 5. Обратная связь в автоматическом регуляторе уровня жидкости в емкости
(При изменении уровня жидкости поплавок изменяет положение входной заслонки, регулируя подачу жидкости в емкость)

Если проанализировать приведенные выше примеры автоматов, то можно выявить общие черты, характерные для большинства автоматических систем. Эти общие черты можно проиллюстрировать с помощью функциональной схемы . В структуре типичной автоматической системы можно отметить (рис. 6 ):

объект управления : непосредственно машина или процесс, управление которым и является целью автоматизации;

управляющее устройство (регулятор) : техническое средство (чаще всего микропроцессорное устройство), которое воздействует на объект управления в соответствии с заложенным законом управления;

исполнительный орган : промежуточное звено между управляющим устройством и объектом управления (предназначен для выполнения команд управляющего устройства);

задатчик : манипулятор (клавиатура, джойстик и т.п.) с помощью которого оператор имеет возможность задать управляющему устройству желаемые значения управляемой величины;

датчик : устройство, измеряющее реальное значение управляемой величины и подающее их в виде сигналов, пригодных для дальнейшей обработки и передачи в управляющее устройство.

На рис. 6 показаны два варианта систем автоматического управления:

а) разомкнутая (без обратной связи), неспособная реагировать на изменения действующего значения управляемой величины;

б) замкнутая (с обратной связью), в которой есть возможность сравнивать желаемое и действительное значения управляемой величины и корректировать поведение системы.

Рис. 6. Функциональные схемы автоматических систем
(а – разомкнутая система; б – замкнутая система)

В приведенной выше системе автоматического регулирования частоты вращения двигателя (рис. 4 ) объектом управления является двигатель, а управляемой величиной – частота вращения вала двигателя. Управляющим органом является заслонка: изменение ее положения непосредственно влияет на расход топлива и частоту вращения. Пара двух зубчатых колес, передающая вращательное движение с выходного вала двигателя на вал центробежного регулятора, в нашем случае является датчиком. Центробежный регулятор выполняет функции управляющего устройства. И, наконец, задатчиком является педаль или рычаг акселератора (на рисунке не показана), которая с помощью еще одной заслонки влияет на подачу топлива в двигатель.

Основу современного промышленного производства составляют разнообразные машины и механизмы: станки, прессы, мельницы, насосы, конвейеры, краны, роботы-манипуляторы и пр. Для управления этими сложными объектами (а также для управления комплексами машин) используются программируемые логические контроллеры (сокращенно – ПЛК).

Программируемый логический контроллер – это специальное устройство, реализованное на базе микропроцессора и предназначенное для автоматизации машин и механизмов. Фактически ПЛК – это мини-компьютер в специальном конструктивном исполнении, который может применяться в неблагоприятных условиях внешней среды (рис. 7 ). Для создания программ для ПЛК используются специальные «инженерные» языки программирования, понятные специалистам различного профиля: электрикам, механикам, технологам, операторам. Ко входам ПЛК присоединяют задатчики (кнопки, клавиатуры, джойстики) и датчики, а к выходам – исполнительные органы машин і механизмов (электроприводы, электроклапаны, контакторы, дроссельные заслонки и пр.), рис. 8 .

Рис. 7. Технические средства автоматизации
(а – программируемые логические контроллеры; б – панели визуализации)

Рис. 8. Система автоматизации насосной станции с помощью ПЛК Zelio Logic
(Оператор управляет работой станции с помощью кнопочного пульта или мобильного телефона через SMS-сообщения.
Для обеспечения мобильной связи с контроллером используется GSM модем)

Для упрощения «общения» человека-оператора со сложными контроллерами используют панели визуализации – специализированные touch-screen экраны, с помощью которых можно вводить данные в контроллер и считывать из него необходимую информацию. Также в некоторых случаях для дистанционного управления оборудованием можно применять мобильные телефоны или смартфоны.

Современный этап развития автоматизации характеризуется: во-первых – расширением сферы применения автоматов (автоматика проникает во все сферы жизни человека: медицину, быт, массовую культуру, финансы, природопользование), а во-вторых – внедрением принципиально новых средств автоматики, реализующих интеллектуальные методы управления (экспертных систем, нейронных сетей, генетических алгоритмов, систем нечеткой логики и т.п.).

В лабораториях автоматики кафедры электропривода Национального горного университета студенты имеют возможность изучить самые современные средства автоматизации (программированные логические контроллеры, интеллектуальные реле, панели визуализации, датчики), приобрести навыки их программирования и использования.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ТЕРМИНЫ ПО НАПРАВЛЕНИЮ АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.

Автоматизация производственных процессов есть совокупность мероприятий по разработке технологических процессов, созданию и внедрению высокопроизводительных автоматически действующих средств производства, обеспечивающих непрерывный рост производительности труда.

Единичная механизация (автоматизация)- это механизация (автоматизация) одной первично составляющей технического процесса или системы технологических процессов исключая (включая) управление. Единичная автоматизация заключается в том, что наряду с обычным оборудованием в цехах используются автоматы и п/автоматы.

Комплексная механизация (автоматизация)- это механизация (автоматизация) двух и более первичных составляющих технологического процесса или системы технологических процессов исключая (включая) управление.

Полная (комплексная) автоматизация отдельных технологических процессов - когда система непрерывно работающих, автоматических машин функционирует как взаимосвязанный единый комплекс.

АСУ ТП – человеко-машинная система управления, обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления технологического объекта управления (ТОУ) в соответствии с принятым критерием.

Автоматизированная система управления предприятием (АСУП) - комплекс программных, технических, информационных, лингвистических, организационно-технологических средств и действий квалифицированного персонала, предназначенный для решения задач планирования и управления различными видами деятельности предприятия.

Объект управления - та часть окружающего мира, состояние которой представляет интерес для субъекта в данной ситуации и на которую он может воздействовать целенаправленно. При выделении объекта управления должны выполняться по крайней мере 2 условия:

1) на объект можно воздействовать;

2) это воздействие в принципе может приблизить нас к осуществлению поставленных целей в объекте, т.е. изменить его состояние в желательном для нас направлении.

Система управления - при объединении объекта управления и управляющего устройства, реализующего алгоритм управления, получаем систему управления.

Цель управления - совокупность условий, свойств и требований, которым должен удовлетворять объект управления.

Алгоритм управления - совокупность правил, методов и способов, позволяющих образовать (синтезировать) целенаправленное воздействие (управление), если известно действительное состояние объекта управления. Наличие алгоритма управления является необходимым условием существования всякой системы управления.

Системотехника - Данная наука представляет собой направление в кибернетике, изучающее вопросы планирования, проектирования и поведения сложных информационных систем.

Техни́ческая киберне́тика - отрасль науки, изучающая технические системы управления. Важнейшие направления исследований - разработка и созданиеавтоматическихиавтоматизированных систем управления, а также автоматических устройств и комплексов для передачи, переработки и храненияинформации.

Сущность системного подхода

Системный подход отличается от традиционного предположением, что целое обладает такими качествами (свойствами), каких нет у его частей.

При этом части системы могут, в свою очередь, представлять системы, тогда их называют подсистемами. Подсистема обладает свойством функциональной полноты, т.е. ей присущи все свойства системы.

Системный подход к проектированию АСУ ТП заключается в разбиении всей системы на подсистемы (декомпозиция системы) и учете при ее разработке не только свойств конкретных подсистем, но и связей между ними.

Сложная система - собирательное название систем, состоящих из большого числа взаимоувязанных элементов. Часто сложными системами называют системы, которые нельзя корректно описать математически либо потому, что в системе имеется очень большое число различных элементов, неизвестным образом связанных друг с другом (например, мозг), либо потому, что мы не знаем природы явлений, протекающих в системе и поэтому количественно не можем их описать.

Иногда сложными называют системы, для изучения которых необходимо решать задачи с непомерно большим объемом вычислений или перерабатывать такой большой объем информации, что для этого даже при использовании самых быстрых ЭВМ потребовалось бы много миллионов лет.

Большая система - это совокупность множества взаимосвязанных элементов (подсистем), отличающаяся сложностью решаемых задач. Примеры: транспортные, энергетические, информационные системы, которые можно называть - инфраструктурами.

Открытая система - система, допускающая свое развитие, расширение на аппаратном и информационном уровнях.

Открытая система - система, к которой подводится или от которой отводится вещество или энергия.

Замкнутая система - система, к которой не подводится или от которой не отводится вещество или энергия.

Иерархическая система - система, имеющая многоуровневую структуру в функциональном, организационном и в каком-либо ином отношении.

Страты

При описании сложной системы требуется найти компромисс между простотой описания и необходимостью учета поведенческих особенностей сложной системы. Разрешение этой дилеммы ищется в иерархическом подходе. Система задается семейством моделей, каждая из которых описывает поведение системы с точки зрения различных уровней абстрагирования.

Для каждого уровня существует ряд характерных особенностей и переменных, законов и принципов, с помощью которых и описывается поведение системы. Чтобы такое описание было эффективным, необходима возможно большая независимость моделей для различных уровней системы.

Чтобы отличить эту концепцию иерархии от других, будем использовать для нее термин "стратифицированная система". Уровни абстрагирования будем называть "стратами".

Слои

Это понятие иерархии относится к процессам принятия сложных решений. В любой реальной ситуации принятия решения существуют две особенности:

1) когда приходит время принимать решение, принятие и выполнение решения желательно ускорить;

2) прежде чем принять решение, следует хорошо оценить создавшуюся ситуацию.

При принятии решения в сложных ситуациях разрешение этой дилеммы ищут в иерархическом подходе : определяют семейство проблем, которые пытаются разрешить последовательным путем в том смысле, что решение любой проблемы из этой последовательности определяет и фиксирует, какие-то параметры в следующей проблеме, так что последняя становится полностью определенной, и можно приступить к ее решению.

Многоэшелонные системы: организационные иерархии

Это понятие иерархии подразумевает, что: 1) система состоит из семейства четко выделенных взаимодействующих подсистем; 2) некоторые из подсистем являются принимающими решения элементами; 3) принимающие решения элементы располагаются иерархически , т.е. некоторые из них находятся под влиянием или управляются другими решающими элементами.

Уровень в такой системе -эшелон .

Системный анализ

Это научное направление является методологией исследования трудно наблюдаемых и трудно понимаемых свойств и отношений в объектах, заключающейся в представлении этих объектов в качестве целенаправленных систем и изучения свойств этих систем и взаимоотношений между целями и средствами их реализации.

Исследование в системном анализе разбивается на несколько этапов.

На первом этапе дается постановка задачи, которая состоит из определения объекта исследования, постановки целей, а также задания критериев для улучшения объекта и управления им.

На втором этапе очерчиваются границы изучаемой системы и ведется ее первичная структуризация.

Третий этап заключается в составлении математической модели изучаемой системы. Первым шагом в этом направлении является параметризация, т. е. описание выделенных элементов системы и элементарных воздействий на нее с помощью тех или иных параметров

Научные направления исследования и проектирования систем

Это научное направление связано с разработкой совокупности философских, методологических, научных и прикладных проблем анализа и синтеза сложных систем произвольной природы. Считается, что общая теория систем должна представлять собой область научных знаний, позволяющую изучать поведение" систем любой сложности и любого назначения.

В настоящее время общая теория систем еще далека от завершения. Однако ее полезность подтверждается практическими применениями, в частности, на ее основе развивается теория многоуровневых иерархических систем, к которым относится большинство АСУ ТП.

Системный подход реализуется в основном на следующих фундаментальных науках:

Системотехника;

Исследование операций;

Системный анализ.

Нау́ка - сфера человеческой деятельности, направленная на выработку и теоретическую систематизацию объективных знаний о действительности. Основой этой деятельности является сбор фактов, их постоянное обновление и систематизация, критический анализ и, на этой базе, синтез новых знаний или обобщений, которые не только описывают наблюдаемые природные или общественные явления, но и позволяют построить причинно-следственные связи и, как следствие, прогнозировать. Те теории и гипотезы, которые подтверждаются фактами или опытами, формулируются в виде законов природы или общества

Методы эмпирического исследования

К эмпирическим методам исследования относят все те методы, приемы, способы познавательной деятельности, а также формулирования и закрепления знаний, которые являются содержанием практики или непосредственным результатом её.

⁻ наблюдение - способ сбора информации, осуществляемого на основе регистрации и фиксации первичных данных;

⁻ изучение первичной документации – основан на исследовании документированной информации, непосредственно зафиксированной ранее;

⁻ сравнение – позволяет проводить сравнения исследуемого объекта с аналогом;

⁻ измерение – способ определения фактических численных значений показателей свойств исследуемого объекта посредством соответствующих измерительных единиц, например, ваттами, амперами, рублями, нормо-часами и т.п.;

⁻ эксперимент - основан на исследовании изучаемого объекта в искусственно созданных для него условиях

Теоретическое познание

заключается в отражении явлений и происходящих процессов внутренних связей и закономерностей, которые достигаются методами обработки данных, полученных от эмпирических знаний.

теория -система непротиворечивых, логически взаимосвязанных утверждений, обладающая предсказательной силой в отношении какого-либо явления.

гипотеза - недоказанное утверждение, предположение или догадка. Недоказанная и неопровергнутая гипотеза называется открытой проблемой.

закон - вербальное и/или математически сформулированное утверждение, которое описывает соотношения, связи между различными научными понятиями, предложенное в качестве объяснения фактов и признанное на данном этапе научным сообществом

идеализация – создание мысленных предметов и их изменений в соответствии с требуемыми целями проводимого исследования

формализация – отражение полученных результатов мышления в утверждениях или точных понятиях

рефлексия – научная деятельность, направленная на исследование конкретных явлений и самого процесса познания

индукция – способ переход знаний от отдельных элементов процесса к знанию общего процесса

дедукция – стремление познания от абстрактного к конкретному, т.е. переход от общих закономерностей к фактическому их проявлению

абстрагирование - отвлечение в процессе познания от некоторых свойств объекта с целью углубленного исследования одной определенной его стороны (результат абстрагирования - абстрактные понятия, такие, как цвет, кривизна, красота и т.д.)

классификация - объединение различных объектов в группы на основе общих признаков (классификация животных, растений и т.д.)

Методами, которые используются на обоих уровнях, являются:

- анализ – разложение единой системы на составные части и изучение их по отдельности;

- синтез – объединение в единую систему всех полученных результатов проведенного анализа, позволяющее расширить знание, сконструировать нечто новое;

- аналогия - это заключение о сходстве двух предметов в каком-либо признаке на основании установленного их сходства в других признаках;

- моделирование - это изучение объекта посредством моделей с переносом полученных знаний на оригинал. Предметное моделирование - создание моделей уменьшенных копий с определённым дублирующими оригинальными свойствами. Мысленное моделирование - с использованием мысленных образов. Математическое моделирование – замена реальной системы на абстрактную, в результате чего задача превращается в математическую, поскольку состоит из набора конкретных математических объектов Знаковое или символическое - представляет собой использование формул, чертежей. Компьютерное моделирование - моделью является компьютерная программа.

В основе методов познания лежит единство его эмпирической и теоретической сторон. Они взаимосвязаны и обусловливают друг друга. Их разрыв, или преимущественное развитие одной за счет другой, закрывает путь к правильному познанию природы - теория становится беспредметной, а опыт – слепым.

Моделирование - это создание модели, т. е. образа объекта, заменяющего его, для получения информации об этом объекте путем проведения экспериментов с его моделью.

Модели объектов являются более простыми системами, с четкой; структурой, точно определенными взаимосвязями между составными частями, позволяющими более детально проанализировать свойства реальных объектов и их поведение в различных ситуациях. Таким образом, моделирование представляет собой инструмент анали­за сложных систем и объектов.

Теория и практика многофакторного планирования экспериментов при создании моделей объектов управления.

Среди основных методов планирования, применяемых на разных этапах исследования, используют:

планирование отсеивающего эксперимента, основное значение которого выделение из всей совокупности факторов группы существенных факторов, подлежащих дальнейшему детальному изучению;

планирование эксперимента для дисперсионного анализа, т.е. составление планов для объектов с качественными факторами;

планирование регрессионного эксперимента, позволяющего получать регрессионные модели (полиномиальные и иные);

планирование экстремального эксперимента, в котором главная задача – экспериментальная оптимизация объекта исследования;

планирование при изучении динамических процессов и т.д.

Планирование эксперимента – это процедура выбора числа и условий проведения опытов, необходимых и достаточных для решения поставленной задачи с требуемой точностью. При этом существенно следующее:

Стремление к минимизации общего числа опытов; одновременное варьирование всеми переменными, определяющими процесс, по специальным правилам – алгоритмам;

использование математического аппарата, формализующего многие действия экспериментатора;

выбор четкой стратегии, позволяющей принимать обоснованные решения после каждой серии эксперимен­тов.

Для описания объекта исследования удобно пользо­ваться представлением о кибернетической системе. Иногда такую кибернетическую систему называют «чер­ным ящиком». Стрелки справа изображают численные характеристики целей исследования. Мы обозначаем их буквой игрек и называем параметрами оптимизации. В литературе можно встретить другие названии: критерий оптимизации, целевая функция, выход «черного ящика» и т.д.

Для проведения эксперимента необходимо иметь воз­можность воздействовать на поведение «черного ящика». Все способы такого воздействия мы обозначаем буквой икс и называем факторами. Их называют также входами «черного ящика».

При решении задачи будем использовать математиче­ские модели объекта исследования. Под математической моделью мы понимаем уравнение, связывающее параметр оптимизации с факторами. Это уравнение в общем виде можно записать так:

Такая функция называется функцией отклика.

Каждый фактор может принимать в опыте одно из нескольких значений. Такие значения будем называть уровнями.

Отклик - переменная, представляющая результат эксперимента

Фактором называется измеряемая переменная ве­личина, принимающая в некоторый момент времени определенное значение. Факторы соответствуют способам воз­действия на объект исследования.

Параметр оптимизации

При планировании экстремального эксперимента очень важно определить параметр, который нужно оптимизиро­вать. Сделать это совсем не так просто, как кажется на первый взгляд. Цель исследования должна быть сформу­лирована очень четко и допускать количественную оценку. Будем называть характеристику цели, заданную коли­чественно, параметром оптимизации. Параметр оптимиза­ции является реакцией (откликом) па воздействие факто­ров, которые определяют поведение выбранной сис­темы. Реакция объекта многогранна, многоаспектна. Вы­бор того аспекта, который представляет наибольший ин­терес, как раз и задается целью исследования.

Ранг – это количественная оценка параметра оптимизации, но она носит условный (субъективный) характер. Мы ставим в соответствие качественному признаку неко­торое число – ранг.

Выбор модели

Под моделью мы понимаем функцию отклика

Выбрать модель ­­– значит выбрать вид этой функции, записать ее уравнение. Тогда останется спланировать и провести эксперимент для оценки численных значений констант (коэффициентов) этого уравнения.

Выбор области эксперимента

При выборе области эксперимента должны учи­тываться следующие соображения.

Прежде всего, надо оценить границы областей определе­ния факторов. При этом должны учитываться ограничения нескольких типов.

Первый тип: принципиальные огра­ничения для значений факторов, которые не могут быть нарушены ни при каких обстоятельствах. Например, если фактор – температура, то нижним пределом будет абсолютный нуль.

Второй тип – ограничения, связанные с технико-экономическими соображениями, например, со стоимостью сырья, дефицитностью отдельных компонен­тов, временем ведения процесса.

Третий тип ограниче­ний, с которым чаще всего приходится иметь дело, опре­деляется конкретными условиями проведения процесса, например, существующей аппаратурой, технологией, орга­низацией. В реакторе, изготовленном из некоторого мате­риала, температуру нельзя поднять выше температуры плавления этого материала или выше рабочей температуры данного катализатора.

Оптимизация обычно начинается в условиях, когда объект уже подвергался некоторым исследованиям. Инфор­мацию, содержащуюся в результатах предыдущих ис­следований, будем называть априорной (т.е. полученной до начала эксперимента). Мы можем использовать априор­ную информацию для получения представления о пара­метре оптимизации, о факторах, о наилучших условиях ведения процесса и характере поверхности отклика, т.е. о том, как сильно меняется параметр оптимизации при небольших изменениях значений факторов, а также о кривизне поверхности. Для этого можно использовать графики (или таблицы) однофакторных экспериментов, осуществлявшихся в предыдущих исследованиях или описанных в литературе. Если однофакторную зависимость нельзя представить линейным уравнением (в рас­сматриваемой области), то в многомерном случае, несомненно, будет существенная кривизна. Обратное утверж­дение, к сожалению, не очевидно.

Итак, выбор экспериментальной области факторного пространства связан с тщательным анализом априор­ной информации.

Полный факторный эксперимент

Эксперимент, состоящий из всех возможных обработок, образованных двумя или более факторами, каждый из которых изучают на двух или более уровнях.

Дробный факторный эксперимент

Эксперимент, состоящий из подмножества полного факторного эксперимента.

Проведение эксперимента

Каждый эксперимент содержит элемент неопределен­ности вследствие ограниченности экспериментального ма­териала. Постановка повторных (или параллельных) опытов не дает полностью совпадающих результатов, потому что всегда существует ошибка опыта (ошибка воспроиз­водимости). Эту ошибку и нужно оценить по параллель­ным опытам. Для этого опыт воспроизводится по возмож­ности в одинаковых условиях несколько раз и затем бе­рется среднее арифметическое всех результатов.

Все ошибки принято разделять на два класса: система­тические и случайные.

Систематические ошибки порождаются причинами, действующими регулярно, в определенном направлении. Чаще всего эти ошибки можно изучить и определить количественно.

Случайными ошибками называются те, которые появ­ляются нерегулярно, причины возникновения которых неизвестны и которые невозможно учесть заранее.

Дисперсия параметра оптимизации

Дисперсия всего эксперимента получается в результате усреднения дисперсий всех опытов. По терми­нологии, принятой в планировании эксперимента, речь идет о подсчете дисперсии параметра оптимизации или, что то же самое, дисперсии воспроизводимости эксперимента

При подсчете дисперсии параметра оптимизации квад­рат разности между значением y q в каждом опыте и средним значением из n повторных наблюдений y нужно просумми­ровать по числу опытов в матрице N , а затем разделить на N (n - 1):

,

Где i = 1, 2, …, N ; q = 1, 2, …, n .

Такой формулой можно пользоваться в случаях, когда число повторных опытов одинаково во всей матрице.

Дисперсию воспроизводимости проще всего рассчиты­вать, когда соблюдается равенство числа повторных опы­тов во всех экспериментальных точках. На практике весь­ма часто приходится сталкиваться со случаями, когда число повторных опытов различно. Это происходит вследствие отброса грубых наблюдений, неуверенности экспе­риментатора в правильности некоторых результатов (в таких случаях возникает желание еще и еще раз повторить опыт) и т.п.

Тогда при усреднении дисперсий приходится пользо­ваться средним взвешенным значением дисперсий, взятым с учетом числа степеней свободы

–дисперсия i -го опыта;

–число степеней свободы i -м опыте, равное числу параллельных опытов n i минус 1.

Число степеней свободы средней дисперсии принима­ется равным сумме чисел степеней свободы дисперсий, из которых она вычислена.

Случай с неравным числом наблюдений, который мы рассмотрели выше, связан с нарушением ортогональности матрицы. Поэтому здесь нельзя использовать расчетные формулы для коэффициентов, приведенные ранее. Этот вопрос будет рассмотрен ниже.

Экспериментатору не следует забывать о про­верке однородности дисперсий, неоднородные дисперсии усреднять нельзя. Прежде чем пользоваться приведёнными выше формулами, нужно убедиться в однородности суммируемых дисперсий.

Проверка однородности дисперсий

Проверка однородности дисперсий производится с помощью различных статистических критериев. Простей­шим из них является критерий Фишера, предназначенный для сравнения двух дисперсий. Критерий Фишера (F - критерий) представляет собою отношение большей дисперсии к меньшей. Полученная величина сравнивается с таблич­ной величиной F -критерия.

Если полученное значение дисперсионного отно­шения больше приведенного в таблице для соответствую­щих степеней свободы и выбранного уровня значимости, это означает, что дисперсии значимо отличаются друг от друга, т. е. что они неоднородны.

Если сравниваемое количество дисперсий больше двух и одна дисперсия значительно превышает остальные, можно воспользоваться критерием Кохрена. Этот критерий пригоден для случаев, когда во всех точках имеется одина­ковое число повторных опытов.

Критерий Бартлета базируется на нормальном распре­делении. Если имеются отклонения от нормального распре­деления, то проверка неоднородности дисперсий может привести к ошибочным результатам.

Рандомизация

Чтобы исключить влияние систематических ошибок, вызванных внешними условиями (переменой температуры, сырья, лаборанта и т. д.), рекомендуется случайная пос­ледовательность при постановке опытов, запланированных матрицей. Опыты необходимо рандомизировать во времени. Термин «рандомизация» происходит от английского слова random – случайный.

Если экспериментатор располагает сведениями о пред­стоящих изменениях внешней среды, сырья, аппаратуры и т. п., то целесообразно планировать эксперимент таким образом, чтобы эффект влияния внешних условий был сме­шан с определенным взаимодействием, которое не жалко потерять. Так, при наличии двух партий сырья матрицу 2 3 можно разбить на два блока таким образом, чтобы эффект сырья сказался на величине трехфакторного взаимодейст­вия. Тогда все линейные коэффициенты и парные взаимо­действия будут освобождены от влияния неоднородности сырья.

Тщательное, скрупулезное выполнение эксперимента, несомненно, является главным условием успеха исследо­вания. Это общее правило, и планирование эксперимента не относится к исключениям.

Метод наименьших квадратов

Метод наименьших квадратов (МНК, англ.Ordinary Least Squares , OLS ) - математический метод, применяемый для решения различных задач, основанный на минимизации суммы квадратов некоторых функций от искомых переменных. Он может использоваться для «решения» переопределенных систем уравнений (когда количество уравнений превышает количество неизвестных), для поиска решения в случае обычных (не переопределенных) нелинейных систем уравнений, для аппроксимации точечных значений некоторой функцией.

Регрессионный анализ

Регрессионный анализ как всякий статистический метод, применим при определенных предположениях, постулатах.

Первый постулат. Параметр оптимизации y есть случайная величина с нормальным законом распределения. Дисперсия воспроизводимости – одна из харак­теристик этого закона распределения.