Проектирование автоматизированных систем (стр. 1 из 11)
Федеральное агентство по образованию
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
(СибАДИ)
ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
для студентов специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств (строительство)»
Омск
2008
1. Системный подход к проектированию
1.1 Системы автоматики и их классификация с точки зрения сложности
Под системой обычно понимается регулярное или упорядоченное устройство, состоящее из взаимосвязанных частей, действующих как одно целое, и предназначенное для достижения какой-либо определенной цели.
Это определение не является исчерпывающим и строгим. Известно большое число определений термина «система», обладающих той или иной степенью конкретизации. Существенно, однако, то, что термин «система» обычно связывается с такими понятиями, как элемент, структура, связь.
В общем случае системой может быть назван любой физический объект, состоящий из ряда взаимосвязанных элементов. Если состояние системы изменяется или может измениться во времени, то такая система называется динамической.
Остановимся на системе, состоящей из n элементов. В простейшем случае между элементами действуют только двусторонние связи (рис. 1, а). Очевидно, что для анализа всех связей необходимо исследовать n (n-1) связей, действующих в системе.
Для систем, состоящих из сотен и тысяч элементов, число внутренних связей растет примерно пропорционально квадрату числа элементов. Отмеченное обстоятельство определяет огромные трудности анализа сложных систем.
Системы можно классифицировать разными признаками, среди которых можно выделить два основных: сложность систем и характер их функционирования.
Рисунок 1 – Классификация систем
Одна из возможных классификаций систем по указанным основным признакам представлена на рисунке 1, б.
Если в детерминированных системах все элементы системы взаимодействуют точно предвиденным образом, то в вероятностных (стохастических) системах точно предсказать поведение системы невозможно и ее поведение можно определить, лишь с известной степенью вероятности. Критерий сложности систем является весьма условным.
Простыми обычно считают системы, не имеющие разветвленной структуры, с небольшим количеством взаимосвязанных и взаимодействующих элементов. Такие системы могут содержать от 10 до 103 элементов. В простых системах отсутствуют иерархические уровни.
К сложным системам относят системы с развитой иерархической структурой и большим числом элементов и внутренних связей. Такие системы могут содержать от 101 до 107 элементов. Однако подобное определение сложных систем является весьма условным. Часто к сложным относят либо системы, которые нельзя корректно описать математически или можно описать не менее чем на двух различных математических языках (например, на языке дифференциальных уравнений и на языке алгебры логики), либо системы, для изучения которых необходимо решать задачи с непомерно большим объемом вычислений. Систему считают сложной, если она состоит из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов.
Очень сложные системы часто называют большими системами.
Известен ряд определений термина «большая система», каждое из которых характеризуется той или иной степенью неопределенности.
Так, по Роберту Маколу большая система определяется семью признаками:
1. Система создается человеком из различного оборудования и сырья;
2. Система обладает цельностью. Все ее части служат достижению единой цели – выработке определенной продукции с помощью набора оптимизированных выходов при заданных входных воздействиях;
3. Система является большой как с точки зрения разнообразия составляющих ее элементов, так и с точки зрения количества одинаковых частей, возможно, количества функций и, конечно, стоимости;
4. Система является сложной. Это означает, что изменение какой-либо переменной влечет за собой изменения других переменных, причем подобная зависимость редко оказывается линейной;
5. Система является полуавтоматической. Это означает, что часть функций системы выполняются автоматами, а часть – человеком;
6. Входные воздействия системы имеют стохастическую природу. Отсюда появляется невозможность предсказания поведения системы для любого момента времени;
7. Большинство систем и в первую очередь наиболее сложные содержат элементы конкурентной ситуации.
Согласно определению, данному Петровым Б.Н. и Поспеловым Г.С. большим системам управления, состоящим из объекта управления и управляющих систем, связанных каналами передачи информации, присущи следующие пять признаков:
1. Система управления имеет иерархическую структуру и представляет собой комплекс подсистем управления различных рангов (рис. 2, а). При этом выпадение или отказ какой-либо подсистемы или части подсистем не всегда приводит к отказу или распаду всей системы, а иногда только к снижению эффективности ее функционирования;
Рисунок 2 – Структура и основные этапы развития систем
2. Органы управления (управляющие системы) подсистем и всей системы организованы по иерархическому принципу, т.е. представляют собой коллективы, функционирующие во главе с руководителями разных рангов;
3. Главнейшие функции управления, планирования, оценки ситуаций или складывающейся обстановки и принятие решений осуществляются непосредственно коллективами управляющих систем;
4. Организованные коллективы органов управления предопределяют у всей системы в целом, как и у любого социального организма, существование в той или иной степени свойств адаптации и самоорганизации;
5. В органах управления различных рангов применены вычислительные машины для оптимизации принимаемых решений и для преобразования и переработки потоков информации. Вычислительные машины органов управления старших и младших рангов связаны специальными каналами связи.
Приведенные признаки в основном адресованы к специально организованным для целей управления и принятия решений коллективам людей, однако они сохраняют силу и для чисто автоматических технических систем переработки информации.
Большие системы обладают следующими основными свойствами:
1. Незначительные изменения во внешней среде могут вызвать в этих системах процессы, несоизмеримые по своим масштабам с породившими их изменениями;
2. Процессы разработки, конструирования и изготовления этих систем занимают большое количество времени (обычно несколько лет) и требуют привлечения больших коллективов специалистов в различных областях техники;
3. Большинство этих систем должно обладать свойствами адаптации и самоорганизации. Другими словами – структура этих систем изменяется, причем изменения далеко не всегда могут быть предсказаны;
4. Функционирование систем преследует определенную, независящую от них цель, и эта цель может изменяться в процессе эволюции внешней среды.
1.2 Основные этапы жизни системы
Любая техническая система возникает не сразу и проходит этапы развития, основные из которых показаны на рисунке 2, б. Следует иметь в виду, что замысел или первоначальная концепция новой сложной системы никогда не возникает в законченном и отработанном виде. В этом смысле замысел новой системы отличается от ее конечного воплощения, так же как человеческий эмбрион от сформировавшегося человека.
В процессе проектирования новая система должна быть отражена (спроектирована) на бумаге. Иными словами должна быть разработана и выпущена техническая документация, по которой проектируемая система может быть изготовлена в промышленных условиях.
Затем должны быть изготовлены опытные образцы, которые необходимо проверить (испытать).
С этой целью этап проектирования включает не только выпуск технической документации, но и тщательную теоретическую и экспериментальную отработку образцов. Для этого этап проектирования включает в себя изготовление единичных и опытных образцов, обеспечивающее с одной стороны, проведение необходимых экспериментальных работ, а с другой стороны, служащее для отработки технической документации и технологии изготовления системы.
Испытания на этапе проектирования охватывают как моделирование и лабораторные исследования, так и испытания в условиях, приближающихся к условиям эксплуатации (натурные испытания).
В идеальном случае производство (серийное производство) сложных систем для нормальной эксплуатации осуществляется по тщательно отработанной на этапе проектирования технической документации.
Однако в силу того, что технология серийного производства, как правило, отличается от технологии опытного производства, осуществляемого на этапе проектирования, а также вследствие того, что на этапе отработки, как правило, в неполной мере учитываются статистические характеристики комплектующих систему элементов, в процессе серийного производства неизбежна доработка технической документации, осуществляемая с привлечением проектировщиков.
Одной из основных задач проектировщиков на этапе производства является разработка методов оптимизации производства и повышения его эффективности.