Формализованная генерация функциональных операторов управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский государственный технологический институт

Формализованная генерация функциональных операторов управления

В.И. Халимон, А.Ю. Рогов

Статья посвящена вопросам автоматической генерации структур функциональных операторов управления с помощью компьютерных программ на основе формализованного описания объектов проектирования.

The article is dedicated to the generation of the structures of the functional control operations by means with computer's program on basis of the formalized description.

Процесс генерации функциональных операторов управления носит характер целеобразования. Под функциональным оператором системы управления понимается некоторая совокупность алгоритмов, осуществление которых путем выполнения конечного числа операций над данными о состоянии производства приводит к одному обобщающему или новому показателю состояния производства [1].

Процесс генерации состоит в последовательном выборе целей, указывающих направление действий по проектированию системы управления на каждом уровне иерархии. Решение целей высшего уровня требует достижения целей нижнего уровня. На верхнем уровне система управления представляется совокупностью задач, выполняющих какую-либо функцию в системе. На нижнем уровне система управления представляется совокупностью функциональных операторов управления, построенных на базе унифицированной системы приборов.

С точки зрения процесса генерации функциональных операторов управления, прибор представляет собой минимальный неделимый модуль. Из модулей составляются функциональные операторы, из функциональных операторов составляются подсистемы управления. Модуль в формализованном виде может быть представлен как «черный ящик», выполняющий какой-то набор функций (задач), в который поступает входной сигнал и из которого выдается выходной сигнал:

Функция модуля означает выполняемое действие в функциональном операторе управления, значимое для функционирования системы. Модуль обязательно должен выполнять хотя бы одну функцию. Один модуль может выполнять несколько функций. Если функция может быть реализована с помощью нескольких модулей, выполняющих более простые функции, то она называется функциональной задачей [2].

Например, в качестве простых функций можно выбрать:

(И) - измерение, (П) - преобразование, (У) - усиление, (З) - показание значения, (Х) - сохранение значения на носителе и т.д.

Например, функциональная задача «регистрация» может быть представлена как цепочка из модулей:

или более простой цепочкой:

или сразу одним модулем.

Естественно, что выбор того или иного функционального оператора определяется наличием соответствующих модулей, выполняющих заданный набор функций, и возможностью физического соединения этих модулей между собой по видам передаваемых сигналов.

Особенностью сигналов, поступающих с химико-технологических объектов, является их разнообразие по физической природе и допустимым диапазонам изменения. Преобразования сигналов происходят внутри приборов-модулей. Поэтому при формализованной генерации функциональных операторов управления необходимо учитывать преобразования сигналов внутри модуля.

Сигналы, передаваемые между модулями, можно разделить по типам измеряемых величин, способу измерения, границам их изменения, точности, зашумленности и т.д. Для технологических объектов трудно учесть все эти особенности сигналов. Однако при формализованной генерации нужно иметь методику кодирования признаков сигналов, позволяющую гибко настраивать кодировку в зависимости от класса проектируемых систем управления.

Для кодирования сигналов можно использовать метод последовательного кодирования признаков сигналов. Код сигнала состоит из упорядоченных сегментов фиксированной длины. Каждый сегмент обозначает закодированную особенность или назначение сигнала в функциональном операторе, существенную при проектировании. Самый левый сегмент обозначает наиболее общее разделение сигналов на виды. Последующие сегменты детализируют содержание предыдущих сегментов, описывая дополнительные признаки сигналов. Количество и состав последующих сегментов зависят от степени детализации. Это можно представить так:

Например, виды: (А) - Аналоговые сигналы, (Д) - Дискретные сигналы, (Ц) - Цифровые сигналы.

Например, унифицированный токовый сигнал кодируется:

Кодированию подвергаются не только унифицированные, но и все межмодульные сигналы, включая сигналы от технологического объекта. Например, расход и температура:

Таким образом, в контексте вышесказанного, термометр сопротивления будет формализован как модуль, выполняющий функцию измерения с входным сигналом типа «температура» и выходным сигналом типа «ток»:

Цепочка измерения расхода с помощью диафрагмы, дифманометра и показывающего прибора может быть формализована:

Часто эта цепочка выпускается как единое целое в виде одного прибора. В этом случае подбор модулей не требуется, и эта цепочка может быть представлена как один модуль, реализующий функцию измерения.

Из этого примера видно, что между функцией и функциональной задачей нет четкой границы. Так, «измерение» для одних функциональных операторов управления является функцией, для других - функциональной задачей [3]. автоматический компьютерный кодирование сигнал

Для одной и той же функциональной задачи может быть много различных вариантов построения функциональных операторов управления с разным количеством модулей, разным распределением функций по модулям и разным соединением модулей между собой. Каждый такой принципиально различный вариант называется схемой реализации.

Схему реализации формально можно представить как граф, узлами которого являются модули, а связями - сигналы, передаваемые между модулями:

S: < U , E >,

где U - множество узлов схемы,

E - множество связей между узлами.

В узлах схемы стоят модули. Один и тот же модуль может использоваться в разных узлах одной схемы. Каждая связь имеет определенный вид сигнала. Один и тот же вид сигнала может стоять на разных связях.

У функциональной задачи может быть несколько схем реализации. Введем отношение:

(функциональная задача) (схема реализации)

которое будет называться правилом подстановки. Правило подстановки определяет, каким образом функциональная задача может быть заменена схемой реализации. Если схема реализации состоит из одного модуля-прибора, выполняющего сразу все функции, заложенные в функциональной задаче, то правило подстановки преобразуется к виду:

(функциональная задача) (модуль)

Перед генерацией нужно иметь некоторый начальный граф, описывающий взаимосвязь функциональных задач в проектируемой системе управления. Вершинами начального графа являются функциональные задачи, а дугами - взаимосвязи между задачами по передаче информации. Формально,

G: < V , A >,

где V - множество вершин, причем каждой вершине присвоено определенное сочетание функциональных задач,

A - множество дуг между вершинами с частичной разметкой.

Разметка дуг кодирует входные и выходные сигналы и сигналы, которые следует использовать внутри схемы. Разметка может быть частичной или отсутствовать на некоторых дугах. Отсутствие разметки на некоторых дугах начального графа означает, что генерирующая система должна сама подобрать сигналы для стыковки модулей между собой в результирующей схеме реализации.

Целью генерирующей системы является построение по перечню функциональных задач системы управления, входной и выходной информации таких функциональных операторов управления, которые могут быть реализованы с помощью имеющегося набора модулей-приборов с учетом возможных видов сигналов между модулями.

Формально, генерирующая система представляется:

: < M, T, F, S, P, G0 >

где M множество модулей {mi}, i=1,...,NM ; T - множество видов сигналов {tl}, l=1,...,NT ; F множество функциональных задач {fj}, j=1,...,NF ; S множество допустимых схем реализаций, S={sk}, k=1,...,NS ; P множество правил подстановки, P={pz}, z=1,...,NP ; G0 начальный граф.

Структура генерирующей системы видится следующей:

Для разработки баз может быть использована любая современная система управления базой данных. Упрощенная фреймовая модель данных может быть представлена:

Фрейм «Сигналы» описывает виды сигналов. Этот фрейм может быть легко расширен для описания различных свойств сигналов. Модуль описывается фреймами «Модуль», «Функции Модулей», «Функции» и использует фрейм «Сигналы» для описания входов и выходов каждого модуля.

В этой схеме несколько приборов, выполняющих одинаковые функции и имеющих одинаковые входные сигналы и одинаковые выходные сигналы, но различающихся фирмой-производителем, вариантом исполнения или индивидуальными характеристиками, объединяются в один модуль и рассматриваются генерирующей системой как взаимозаменяемое оборудование. Собственно, приборы описываются фреймами «Прибор» и «Производитель». Каждый прибор относится к определенному модулю. Это, конечно, упрощенное описание, и оно тоже может быть расширено.

Фреймы «Схемы», «УзлыСхемы» и «СвязиСхемы» описывают различные схемы реализаций функциональных операторов управления с помощью модулей и сигналов. Они используют фреймы «Модули» и «Сигналы».

Интеллектуальная часть генерирующей системы описывается фреймом «ФункЗадачи», определяющим множество функциональных задач, и фреймом «Правила», определяющим множество правил подстановки. Эти фреймы создаются на основе знаний экспертов.

Фреймы «Вершины» и «Дуги» задают начальный граф. Для их заполнения необходим визуальный редактор. Генерирующая система, используя фреймы «ФункЗадачи», «Вершины» и «Дуги» как входное задание, должна построить варианты функциональных операторов управления на основе имеющихся в базе данных модулей и сигналов с использованием схем реализаций и правил подстановки.

Такая компоновка генерирующей системы позволяет наращивать базу модулей и базу схем реализаций по мере появления новых средств автоматизации и новых схем управления технологическими процессами, а также гибко настраивать базу функциональных задач и правил подстановки на проектируемые системы управления технологическими процессами.

Генерирующие системы в будущем смогут упростить трудоемкий процесс выбора структуры системы управления технологическим процессом, особенно в тех случаях, когда процесс описывается большим количеством параметров.

Литература

1. Формализация выбора функциональных задач в САПР АСУ химико-технологическими процессами / Сотников В.В., Халимон В.И., Рогов А.Ю. Статья деп. в ВИНИТИ 12.04.99.- СПб.,1999.- 11c.- № 1115-В99

2. Автоматизированный синтез алгоритма системы управления технологическими процессами / Сотников В.В., Халимон В.И., Рогов А.Ю. // Международная конференция Компьютерное моделирование: Тезисы докл.- Белгород, 1998.- с. 97-103.

3. Порождающая система как математический аппарат синтеза структур систем управления Сотников В.В., Халимон В.И., Рогов А.Ю. Международная конференция Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-12): Тезисы докл., Том 3.- Новгород,1999.- с.13-15.

Размещено на Allbest.ru