Ситуационное координирование подсистем технологических комплексов непрерывного типа
Розглянуто метод ефективного керування технологічним комплексом неперервного типу, в якому поєднано процедури ситуаційного та координаційного керування для підвищення ефективності функціонування технологічного комплексу. Описано основні особливості розв’язання поставленої задачі. A method of effecti...
Saved in:
| Published in: | Проблемы управления и информатики |
|---|---|
| Date: | 2013 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
2013
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/207634 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Ситуационное координирование подсистем технологических комплексов непрерывного типа / А.П. Ладанюк, Д.А. Шумигай, Р.О. Бойко // Проблемы управления и информатики. — 2013. — № 4. — С. 117–122. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860015315309559808 |
|---|---|
| author | Ладанюк, А.П. Шумигай, Д.А. Бойко, Р.О. |
| author_facet | Ладанюк, А.П. Шумигай, Д.А. Бойко, Р.О. |
| citation_txt | Ситуационное координирование подсистем технологических комплексов непрерывного типа / А.П. Ладанюк, Д.А. Шумигай, Р.О. Бойко // Проблемы управления и информатики. — 2013. — № 4. — С. 117–122. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы управления и информатики |
| description | Розглянуто метод ефективного керування технологічним комплексом неперервного типу, в якому поєднано процедури ситуаційного та координаційного керування для підвищення ефективності функціонування технологічного комплексу. Описано основні особливості розв’язання поставленої задачі.
A method of effective control of continuous technological complex, which combines procedures of situational and coordinating control to improve the efficiency of functioning technological complex is considered. The basic features of the solution of the formulated problem are described.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:44:06Z |
| format | Article |
| fulltext |
© А.П. ЛАДАНЮК, Д.А. ШУМИГАЙ, Р.О. БОЙКО, 2013
Международный научно-технический журнал
«Проблемы управления и информатики», 2013, № 4 117
УПРАВЛЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ
И ТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ
УДК 681.513.8
А.П. Ладанюк, Д.А. Шумигай, Р.О. Бойко
СИТУАЦИОННОЕ КООРДИНИРОВАНИЕ
ПОДСИСТЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
КОМПЛЕКСОВ НЕПРЕРЫВНОГО ТИПА
Введение
Для распространенного класса технологических комплексов (ТК) непрерыв-
ного типа (химическая, нефтеперерабатывающая, пищевая и другие отрасли про-
мышленности) характерно наличие значительного количества технологических
процессов, с помощью которых исходное сырье и материалы превращаются в го-
товый продукт. Технологический комплекс — это ряд последовательно соединен-
ных подсистем, каждая из которых имеет значительные материальные, энергети-
ческие и информационные потоки, в том числе обратные связи. В результате вза-
имодействия непрерывных потоков вещества и энергии, физико-химических
преобразований на различных стадиях производственный процесс и технологиче-
ское оборудование оказываются сами по себе интегрированными, т.е. достаточно
взаимосвязанными и согласованными оперативно по времени [1].
Наиболее важные свойства ТК: наличие значительного количества участков
(подсистем), связанных между собой сложными структурными и функциональ-
ными отношениями; существование и необходимость решения задач оптимизации
работы подсистем и задачи координации их функционирования при ограниченной
автономности подсистем; необходимость учета различных критериев оптимиза-
ции при работе подсистем; наличие иерархической структуры, обусловленной
существованием глобальной цели систем и локальных целей подсистем; необхо-
димость адаптации к изменяемым условиям работы и свойствам сырья.
Общим свойством технологических комплексов непрерывного типа является
также большая размерность задачи управления, что обусловлено большой раз-
мерностью координат состояния, выходных переменных и управлений. При опе-
ративной оптимизации, т.е. при управлении в реальном масштабе времени, возни-
кает необходимость изменять не только материальные и энергетические потоки
между подсистемами ТК, но и режимы их работы.
Технологические процессы, как правило, являются слабо организованными,
их протекание и эффективность в очень большой степени зависят от внешних и
внутренних возмущений, в первую очередь от качества сырья и нагрузок, что ха-
рактеризуется производственными ситуациями. Таким образом, существует объ-
ективная необходимость в оптимальном управлении ТК, т.е. в решении задачи
координации с учетом сложившихся ситуаций.
Постановка задачи
Рассматриваются метод и алгоритм координации подсистем технологических
комплексов с использованием ситуационного управления. Известные в техниче-
118 ISSN 0572-2691
ской литературе алгоритмы и процедуры координации не учитывают изменяемых
параметров технологических объектов, значительных запаздываний в передаче
сигналов, изменяемых условий и режимов работы.
В современной теории управления используются комплексные подходы, направ-
ленные на повышение эффективности процессов управления как отдельными техно-
логическими объектами, так и комплексами в целом. Целесообразно рассмотреть си-
стемы автоматизации отдельных технологических объектов, которые в дальнейшем
объединяются в одну структуру с использованием интеллектуальных подходов.
Для постановки задачи координации необходимо провести анализ исследуе-
мого ТК (например, используя методологию функционального моделирования
IDEF0 — Integrated computer aided manufacturing DEFinition for Function Modeling),
выделить подсистемы, сформировать комплекс на основе выделенных подсистем.
Для построения структуры управления используется метод декомпозиции,
что позволяет рассматривать ТК как совокупность подсистем.
Методика и результаты исследований
Согласно принятой точке зрения в задачах управления, в составе ТК существу-
ет оптимальное количество подсистем: при увеличении их числа задача управления
каждой подсистемой упрощается, но значительно возрастают затраты на координа-
цию их работы. Для каждой из подсистем находятся оптимальные значения пара-
метров; считается, что управление, оптимальное по критериям эффективности для
каждой из подсистем, является также оптимальным для ТК в целом [2].
Рассматривается ТК сахарного завода, который отвечает приведенным требо-
ваниям, для которого целесообразно выполнять декомпозицию по организационно-
технологическим признакам и рассматривать следующие подсистемы: диффузион-
ное отделение, отделение очистки сока, отделение выпаривания. Проведенные ис-
следования дают возможность утверждать, что координация работы диффузионно-
го отделения и отделения выпаривания дает наибольшую эффективность.
Исследовав свойства ТК сахарного завода, можно сделать такие выводы: для
сложной иерархической структуры ТК сахарного завода задачу глобальной коор-
динации следует рассматривать как согласование действий основных отделений
(диффузионного, сокоочистного, выпарного), при этом каждое из отделений со-
стоит из отдельных технологических агрегатов, в которых осуществляются раз-
ные технологические процессы. Соответственно локальная координация преду-
сматривает согласование действий между отдельными элементами соответствую-
щих отделений. Например, на отделении сокоочистки подсистемами согласования
для решения задачи локальной координации является переддефекация, дефекация,
I, II сатурация, сульфитация, причем каждый из этих процессов имеет свою зада-
чу оптимизации.
В настоящее время координация использует ряд алгоритмов [3], на которых
основаны итеративные и безытеративные процедуры решения поставленной зада-
чи. По итеративной процедуре оптимальное решение определяется в процессе
итеративного обмена информацией между центром и элементами. На каждом ша-
ге итеративного процесса решаются локально-оптимизационные задачи элемен-
тов и координирующая задача центра. По безытеративным алгоритмам принятие
решения осуществляется в результате однократного обмена информацией между
уровнями. Как правило, используют следующие алгоритмы: прогнозирование
взаимодействий, согласование взаимодействий, оценка взаимодействий.
Координация прогнозирования взаимодействия применяется как инструмент
для внутреннего распределения ресурсов между подсистемами в иерархической
системе. При этом существует конфликтная ситуация, когда увеличение произво-
дительности диффузионного отделения приводит к увеличению расхода энерго-
носителей на выпарной установке. В связи с тем, что изменение материального
Международный научно-технический журнал
«Проблемы управления и информатики», 2013, № 4 119
потока значительно больше влияет на эффективность функционирования подси-
стем, чем изменение технологического режима, ресурс рассматривается как мате-
риальный поток.
В технической литературе описан ряд подходов к проблеме оптимизации и ко-
ординации в иерархических системах. Особый интерес представляют работы, в ко-
торых рассматриваются вопросы прогнозирования, что связано непосредственно
с подходами к ситуационному управлению [4].
Модель безытеративной координации использует стратегию прогнозирую-
щей координации. Задача оптимизации, решаемая иерархической системой, пред-
ставляется в виде
,)())((min
1
N
i
ii
x
xfxF (1)
где ,ix )( ii xf — управление и функция цели в подсистеме i, )(xF — глобальная
целевая функция системы. Общее количество ресурсов ограничено для всей
иерархической системы. Если осуществлено распределение ресурсов, то общая
задача подвергается декомпозиции на N независимых подзадач оптимизации:
)).((min ii
x
xf
i
(2)
Задачей координации является поиск оптимального распределения ресурсов.
Координатор имеет возможность воздействовать ресурсным распределением на
подсистемы и оценивать оптимальное распределение, что в данном случае явля-
ется глобальным решением.
Ситуационное управление непрерывным ТК является методом, основанным
на идеях теории искусственного интеллекта: представлении знаний об объекте
управления и способах управления им с использованием логико-лингвистических
моделей, нечеткой логики, процедур обучения и обобщения при генерации управ-
ленческих решений по текущим ситуациям для построения многошаговых реше-
ний. В теории нечеткой логики терм формализуется нечетким множеством с по-
мощью функции принадлежности:
},0)(|{)( xxА A (3)
где А — нечеткое множество, )(xA — функция принадлежности х к А.
Рассматриваемые комплексы непрерывного типа и их подсистемы имеют
множество состояний функционирования. При этом каждая подсистема и ком-
плекс в целом в определенный момент времени характеризуются определенным
состоянием, что можно записать уравнениями в координатах состояний:
,
,
2
1
iii
iiii
wDCxy
wDBuAxx
(4)
где x — вектор состояния системы; u — управление; y — выход системы; w —
входные сигналы (внешние возмущения); A, B, C, iD — матрицы.
Математические модели в координатах состояний (4) дают возможность по-
лучить оценку таких важных показателей, как наблюдаемость и управляемость
системы. По характеру функционирования рассматриваемые подсистемы и от-
дельные технологические процессы (агрегаты) являются не полностью наблюдае-
мыми и управляемыми.
Для решения поставленной задачи оценки состояния объекта используют
эталонную модель [5], которая соответствует модели объекта (4):
,),()( miimiimimimimi xLytrBtxAx (5)
120 ISSN 0572-2691
где )(tri — векторы задания, элементами которых есть частично-непрерывные
ограниченные функции, mimi BA , — гурвицевы матрицы, .]0,...,0,1[iL
Целевым условием для данной системы будет выражение
.0))()((lim
txtx mii
t
(6)
Известны методы адаптивного децентрализованного управления с модельной
координацией, при котором принимается допущение о доступности для локаль-
ных контроллеров информации о состоянии эталонных моделей всех локальных
подсистем, что позволяет обеспечить асимптотическое отслеживание заданных
эталонных траекторий с нулевой ошибкой [6].
Для получения наиболее эффективного функционирования ТК непрерывного
типа возможны изменения материальных потоков и технологических режимов.
Из-за сложности рассматриваемых ТК исходные знания о таких объектах
и способах управления ими не бывают достаточно полными [2]. Поэтому система
ситуационного управления должна иметь возможность корректировать свои знания
об объекте и методах управления им. Рассматривается ситуационное управление
непрерывным ТК, которое требует создания экспертами предварительной базы
данных об объекте управления, его функционировании и способах управления им.
Функциональная структура интеллектуальной системы ситуационного управ-
ления рассматриваемыми ТК, осуществляющей генерацию управляющих реше-
ний на основе переработки данных и знаний, характеризующих функционирова-
ние организационно-ситуационного объекта, представлена кортежем
,E L, S, C, D, M, K, U (7)
где K — база знаний; M — блок математического моделирования; D — база дан-
ных; C — блок вывода управляющих решений; S — блок анализа ситуаций; L —
лингвистический процессор; E — блок объяснения.
Модель цикла принятия решений по управлению в проблемных ситуациях
(ПС) — нештатных, критических, аварийных — задается в виде пространственной
многомерной структуры знаний:
},,,,,,,{ GXDEAMSS (8)
где S — ситуация, возникшая в результате решения; S — начальная ПС; M —
множество моделей развития ПС; A — множество альтернатив развития ПС; E —
множество критериев оценки эффективности решений; D — множество решений;
X — множество состояний объекта; G — цель управления объектом.
Так как решения, принятые в некоторый момент времени, оказываются лишь
частью общего многошагового решения, то для выбора управления на этом этапе
нужно уметь не только классифици-
ровать текущую ситуацию, но и про-
гнозировать результаты принятого в
данной ситуации решения. Решением
этой задачи в системах ситуационно-
го координирования (рис. 1) занима-
ется Координатор. С его помощью
определяется прогноз последствий
принимаемых решений и выбор на
основе этого прогноза наилучшего
решения [7].
ТК
X
f
U
База знаний
Координатор Классификатор
Решатель Анализатор
1
знан
ий
2
знан
ий
…
знан
ий
i
зна
ний
…
знан
ий
N
знан
ий
Рис. 1
Международный научно-технический журнал
«Проблемы управления и информатики», 2013, № 4 121
Данные о текущей ситуации поступают в Координатор, где в реальном време-
ни решается задача координации по принципу прогнозирования взаимодействий,
что должно минимизировать вероятность возникновения нештатных, критических,
аварийных ситуаций. Данные о текущей ситуации поступают в Анализатор, кото-
рый находит ситуации, требующие оперативного вмешательства в процессы, про-
исходящие на объекте, и передает их описание в Классификатор, который ищет
в базе знаний данную ситуацию и соответствующее ей решение и передает ин-
формацию в Решатель, который и формирует нужные управляющие воздействия
на объект управления. Если же Классификатор обнаружит, что для текущей ситу-
ации нет готового проверенного решения, то сообщение об этом поступает
в Координатор, задача которого — найти приемлемые решения в новой для си-
стемы ситуации, используя специальные методы рассуждений (моделирование
соображений). Если новое решение оказалось удачным, то вся информация зано-
сится в базу знаний.
Алгоритм ситуационного (прецедентного) управления представлен на рис. 2.
После формирования цели, базы данных и базы знаний происходит анализ
и прогнозирование ситуаций на
основе исходных переменных.
Если же спрогнозированная
ситуация уже была, то из базы
знаний берется решение для
данной нештатной ситуации.
При отсутствии данной ситуа-
ции в базе знаний происходит
формирование оптимальных
решений с помощью коорди-
натора, при этом новая ситуа-
ция и управленческие дей-
ствия заносятся в базу знаний.
Результат сформированных
решений проверяется с помо-
щью критерия эффективнос-
ти І. Если решение на n-м ша-
ге эффективнее решения на
( 1n )-м шаге ),( 1 nn II то
это решение для соответству-
ющей ситуации перезаписыва-
ется в базе знаний. Условие
остановки алгоритма — умень-
шение критерия эффективно-
сти )( 1 nn II или изменение
критерия эффективности мень-
ше минимального заданного
значения ).( 1 nn II
В результате исполнения
приведенного подхода показа-
но, что методы и алгоритмы
ситуационного координирования подсистем ТК дают возможность увеличить про-
изводительность на 8–10 % и уменьшить расход энергоносителей на 1,5–2 %.
Заключение
Предложен метод эффективного управления ТК непрерывного типа, в кото-
ром соединены процедуры ситуационного и координирующего управлений для
Нет
Да
Да
Нет
Начало
Формирование цели
Формирование базы данных
Формирование базы знаний
Анализ ситуаций
Прогнозирование
развития ситуаций
Ситуация
была?
Формирование решений
Принятие решений
Реализация решений
Конец
Эффективность
уменьшилась?
Рис. 2
122 ISSN 0572-2691
повышения эффективности функционирования ТК. Метод позволяет также опера-
тивно оценивать множество состояний функционирования ТК и его подсистем.
Результатом применения этого метода является повышение оперативности управ-
ления, экономия материальных и энергетических ресурсов.
А.П. Ладанюк, Д.А. Шумигай, Р.О. Бойко
СИТУАЦІЙНЕ КООРДИНУВАННЯ
ПІДСИСТЕМ ТЕХНОЛОГІЧНИХ
КОМПЛЕКСІВ НЕПЕРЕРВНОГО ТИПУ
Розглянуто метод ефективного керування технологічним комплексом неперерв-
ного типу, в якому поєднано процедури ситуаційного та координаційного
керування для підвищення ефективності функціонування технологічного комп-
лексу. Описано основні особливості розв’язання поставленої задачі.
A.P Ladanyuk, D.A. Shumygai, R.O. Boiko
SITUATIONAL COORDINATION OF CONTINUOUS
TECHNOLOGICAL COMPLEXES SUBSYSTEMS
A method of effective control of continuous technological complex, which combines
procedures of situational and coordinating control to improve the efficiency of func-
tioning technological complex is considered. The basic features of the solution of the
formulated problem are described.
1. Ладанюк А.П., Кишенько В.Д. Автоматизированные технологические комплексы в струк-
туре компьютерно-интегрированного управления // Математические методы в технике и
технологиях — ММТТ-24: Cб. трудов ХХIV Междунар. науч. конф.: в 10 т. Т. 6. — Киев:
Национ. техн. ун-т Украины «КПИ», 2011. — С. 9–12.
2. Ладанюк А.П. Основи системного аналізу. — Вінниця : Нова книга, 2004. — 176 с.
3. Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем. —
М. : Мир, 1973. — 344 с.
4. Стоилова К. Прогнозирующие неитеративные координации в иерархических системах //
Автоматика и телемеханика. — 2006. — № 4. — С. 137–151.
5. Паршева Е.А. Адаптивное децентрализованное управление многосвязными объектами //
Там же. — 2001. — № 2. — С. 135–148.
6. Буков В.Н., Бронников А.М., Сельвесюк Н.И. Децентрализованное управление с модельной
координацией составной многосвязной системой // Там же. — 2009. — № 10. — С. 3–14.
7. Ладанюк А.П., Шумигай Д.А., Бойко Р.О. Система автоматизації процесів координації під-
систем технологічного комплексу цукрового заводу з використанням ситуаційного управ-
ління // Патент України на корисну модель №73051. 10.09.2012, Бюл. №17.
Получено 26.11.2012
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-207634 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0572-2691 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:44:06Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Ладанюк, А.П. Шумигай, Д.А. Бойко, Р.О. 2025-10-10T17:21:52Z 2013 Ситуационное координирование подсистем технологических комплексов непрерывного типа / А.П. Ладанюк, Д.А. Шумигай, Р.О. Бойко // Проблемы управления и информатики. — 2013. — № 4. — С. 117–122. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0572-2691 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/207634 681.513.8 10.1615/JAutomatInfScien.v45.i8.70 Розглянуто метод ефективного керування технологічним комплексом неперервного типу, в якому поєднано процедури ситуаційного та координаційного керування для підвищення ефективності функціонування технологічного комплексу. Описано основні особливості розв’язання поставленої задачі. A method of effective control of continuous technological complex, which combines procedures of situational and coordinating control to improve the efficiency of functioning technological complex is considered. The basic features of the solution of the formulated problem are described. ru Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України Проблемы управления и информатики Управление физическими объектами и техническими системами Ситуационное координирование подсистем технологических комплексов непрерывного типа Ситуаційне координування підсистем технологічних комплексів неперервного типу Situational Coordination of Continuous Technological Complexes Subsystems Article published earlier |
| spellingShingle | Ситуационное координирование подсистем технологических комплексов непрерывного типа Ладанюк, А.П. Шумигай, Д.А. Бойко, Р.О. Управление физическими объектами и техническими системами |
| title | Ситуационное координирование подсистем технологических комплексов непрерывного типа |
| title_alt | Ситуаційне координування підсистем технологічних комплексів неперервного типу Situational Coordination of Continuous Technological Complexes Subsystems |
| title_full | Ситуационное координирование подсистем технологических комплексов непрерывного типа |
| title_fullStr | Ситуационное координирование подсистем технологических комплексов непрерывного типа |
| title_full_unstemmed | Ситуационное координирование подсистем технологических комплексов непрерывного типа |
| title_short | Ситуационное координирование подсистем технологических комплексов непрерывного типа |
| title_sort | ситуационное координирование подсистем технологических комплексов непрерывного типа |
| topic | Управление физическими объектами и техническими системами |
| topic_facet | Управление физическими объектами и техническими системами |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/207634 |
| work_keys_str_mv | AT ladanûkap situacionnoekoordinirovaniepodsistemtehnologičeskihkompleksovnepreryvnogotipa AT šumigaida situacionnoekoordinirovaniepodsistemtehnologičeskihkompleksovnepreryvnogotipa AT boikoro situacionnoekoordinirovaniepodsistemtehnologičeskihkompleksovnepreryvnogotipa AT ladanûkap situacíinekoordinuvannâpídsistemtehnologíčnihkompleksívneperervnogotipu AT šumigaida situacíinekoordinuvannâpídsistemtehnologíčnihkompleksívneperervnogotipu AT boikoro situacíinekoordinuvannâpídsistemtehnologíčnihkompleksívneperervnogotipu AT ladanûkap situationalcoordinationofcontinuoustechnologicalcomplexessubsystems AT šumigaida situationalcoordinationofcontinuoustechnologicalcomplexessubsystems AT boikoro situationalcoordinationofcontinuoustechnologicalcomplexessubsystems |