ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫМИ ОРГАНИЗОВАННЫМИ ОБЪЕКТАМИ
INTELLIGENT SYSTEM FOR CONTROLLING COMPLEX ORGANISED OBJECTS

Изобретение относится к автоматическому или автоматизированному управлению, в частности к системам с координатными и параметрическими обратными связями, и может быть использовано для построения систем управления сложными организованными объектами, например, в технической, экономической, административной, военной и др. отраслях, которые характеризуются значительными запаздываниями и расстройствами процессов под влиянием возмущений с существенно нестационарными статистическими свойствами. Под сложными организованными объектами понимается некоторое единство всех согласованно действующих в них процессов, органов, систем или функциональных узлов и компонентов, не относящихся к животному или растительному миру, но обладающих всеми основными свойствами живых организмов. Такие объекты названы нами КОБОРГАМИ, происходящее от английского словосочетания: a complex organized objects - (сокращенно COBORGS). К техно-коборгам относятся, например: транспортные средства, состоящие из комплекса основных узлов (моторного, ходового, электрического и безопасности); металлургические агрегаты, характеризующиеся совокупностью происходящих в них газодинамических, тепловых и химических процессов и т.д. Бизнес-коборги компаний, обществ, предприятий и пр. представляются совокупностью производственной, коммерческой и финансовой областей деятельности. В свою очередь, производственная деятельность определяется совокупностью следующих функциональных узлов: объемом выпускаемой продукции или услуг; эффективностью производства, включающей качество продукции или услуг, удельные расходы сырья и материалов или себестоимость услуг; реализацией товаров или услуг в натуральном и стоимостном выражении. Финансовая деятельность определяется совокупностью следующих основных функциональных компонентов: ликвидности; рентабельности; финансовой устойчивости; деловой активности.
Коборги более высокого порядка могут объединяться с коборгами более низкого порядка, образуя древовидную структуру любой сложности. Основное назначение коборга - наиболее эффективное выполнение функций, заложенных при его создании, развитии, зрелости и старении, т.е. на всех стадиях жизненного цикла организованного объекта.
Определяющим свойством любого организма является его состояние, которое описывается определенным числом внутренних параметров состояния. Текущие значения этих внутренних параметров определяют результат деятельности коборга, как любого другого организма. Обеспечивая непрерывное диагностирование внутренних параметров состояния коборга, можно с достаточной вероятностью предсказать (прогнозировать) величину приближения или удаления от поставленной цели. Нормальное состояние коборга, соответствующее достижению или приближению к поставленной цели, обеспечивается в случае, когда его основные внутренние параметры состояния находятся в заданных интервалах. Интервалы нормального состояния определяются на каждой стадии жизненного цикла коборга в виде различных проектных нормативов, заданных диапазонов и траекторий, предельно допустимых минимальных или максимальных величин во времени и пространстве, обеспечивающих оптимальную эффективность его функционирования.
Под функциональным расстройством или нежелательным изменением состояния коборга понимается нарушение нормального функционирования какого-либо органа или какой-либо системы, входящих в состав этого коборга, носящее периодический или постоянный характер. Расстройство или нежелательное изменение состояния организма связано с закономерным сочетанием и развитием симптомов расстройства или заболевания. Для оценки состояния коборга используются так называемые объективные симптомы, наблюдаемые в процессе его обследования в реальном или псевдореальном времени. Симптом расстройства представляет собой устойчивое отклонение текущего значения внутреннего параметра состояния коборга от заданного диапазона. Основываясь на приведенных представлениях, можно сформулировать основную концепцию предлагаемой интеллектуальной системы управления. Суть ее заключается в оперативном обнаружении возможных расстройств или нежелательного изменения состояния сложного организованного объекта (коборга) на любом этапе его жизненного цикла, выявлении причин и принятии своевременных мер по ликвидации этих расстройств. Для качественного диагностирования состояния объектно-ориентированных коборгов различной сложности существенной проблемой является создание и использование специальной терминологии расстройств и заболеваний. В этом отношении только в медицине существуют не только понятия общего расстройства функционирования отдельных органов (сердца, желудка, печени, кроветворения и др.) или систем (сердечно-сосудистой, нервной, пищеварительной, опорно-двигательной и др.), но и создана достаточно определенная терминология конкретных заболеваний этих органов и систем (гипертония, рак, ишемия, катары и т.д.).
Объектно-ориентированная терминология расстройств и заболеваний нередко используется при диагностировании состояния технических агрегатов и технологических процессов, отраженных в соответствующих технологических инструкциях. Расстройства технологического процесса в шахтных печах описываются такими терминами, как периферийный, канальный, центральный, горячий, холодный ход печи. Расстройство агломерационного процесса определяют терминами "недопекание" или "перепекание" шихты при ее спекании на агломерационных машинах. Расстройство кислородно-конвертерной плавки характеризуют такими терминами как "холодное начало", "выбросы и выносы металла", "мягкая или жесткая продувка", "свернутый или чрезмерно вспененный" шлак и т.д.
Бизнес-деятельность различных организаций, объединяющих области производства, коммерции, экономики и финансов и практически не имеющих в настоящее время своей терминологии расстройств, интеллектуальная система управления производит выявление и оценку состояния каждого органа, узла или компонента по текущему значению и тренду кривой вероятности развития расстройства с принятием решения о принадлежности к заранее определенному терму состояния типа: "нормальное", "удовлетворительное", "неудовлетворительное", "устойчивое", "неустойчивое", "критическое", "хорошее", "кризисное" и т.д. Это позволяет оперативно оценивать как текущее состояние "здоровья" бизнес-коборга в целом, так и его отдельных органов.
Известна система регулирования [1], относящаяся к системам регулирования с координатной и параметрической обратными связями. Недостатками этой системы являются невысокая точность и недостаточный диапазон регулирования, так как в ней невозможно оценить текущее состояние объекта регулирования.
Наиболее близкой к изобретению (прототип) является интеллектуальная система регулирования с координатной и параметрической обратными связями и предназначенная для управления технологическими процессами [2], содержащая первый задатчик координаты объекта, последовательно включенные второй датчик координатного регулирующего воздействия, блок задержки, второй блок сравнения, фильтр низкой частоты, регулирующий блок, первый блок экстраполяции, первый исполнительный блок, объект регулирования и первый датчик значения координаты, блок третьих задатчиков параметров объекта, блок третьих датчиков параметров объекта, робастный фильтр, третий блок сравнения, блок оценки текущего состояния объекта регулирования, второй блок экстраполяции, блок пороговых элементов, формирователь параметрических управляющих воздействий и второй исполнительный блок. В интеллектуальной системе производится сравнение текущих и заданных значений параметров состояния объекта регулирования. Сигналы полученной разности о параметрах состояния поступают на вход блока оценки состояния объекта, который осуществляет диагностирование состояния по выявлению возможного расстройства работы объекта регулирования от влияния неконтролируемых возмущений. Недостатками известной интеллектуальной системы регулирования является недостаточная точность и недостаточный диапазон управления выходной координаты объекта, которые обусловлены тем, что в системе отсутствует возможность:
а) задания в явном виде величины допустимой ошибки управления;
б) формирования симптоматического воздействия по заданной ошибке управления при расстройстве функционирования объекта.
Цель изобретения - повышение точности и расширения диапазона управления за счет своевременного формирования симптоматического управляющего воздействия при расстройстве или нежелательном состоянии сложного организованного объекта (коборга) различного назначения.
На чертеже приведена блок-схема интеллектуальной системы управления. Она содержит сложный организованный объект (коборг) 1, характеризующийся значительными запаздываниями и расстройствами состояния под влиянием возмущений с существенно нестационарными статистическими свойствами, первый блок 2 измерения текущего значения выходной координаты Y, второй блок 4 измерения текущего значения S внутренних параметров состояния коборга, робастный фильтр 5, первый блок 6 задания выходной координаты, второй блок 7 задания параметров состояния объекта, фильтр низкой частоты 9, первый 10 и второй 23 регулирующие блоки, первый 8, второй 22, третий 12 и четвертый 27 блоки сравнения, первый 3 и второй 25 сумматоры, блок задержки 26, первый 17 и второй 18 исполнительные блоки, блок 13 оценки состояния объекта, первый 11 и второй 14 блоки экстраполяции, блок 15 пороговых элементов, блок 16 формирования параметрических управляющих воздействий, инвертор 19 сигналов параметрических воздействий, схему совпадения 20, блок задания 21 эталонной ошибки регулирования, ключевую схему 24, модель 28 объекта без запаздывания. Кроме того, обозначены первое Uκ (координатное), вторые Up (параметрические), третье Us (симптоматическое) управляющие воздействия. Координатными Uκ и симптоматическими Us управляющими воздействиями могут быть материальные, сырьевые, энергетические, трудовые, финансовые, временные ресурсы. Параметрическими управляющими воздействиями Up могут являться, например, в экономической деятельности меры по снижению или увеличению краткосрочной и долгосрочной задолженности, поддержание оптимального соотношения собственного и заемного капитала, меры по сокращению оборачиваемости кредиторской и дебиторской задолженности. В техно-коборгах такими параметрическими воздействиями Up могут являться, например, своевременное устранение выявленной неисправности технических узлов или конструктивных недостатков агрегатов, приведение к установленным нормативам качества исходного сырья и материалов, установка оптимальных заданий на параметры технологического режима, обеспечивающих нормальное функционирование технологического процесса. Список этих параметрических воздействий закладываются на стадии проектирования в блоке 16 формирования управляющих параметрических воздействий в виде технологических регламентов, инструкций и правил по ликвидации причин соответствующих расстройств или нежелательных состояний коборга. Y - выходная регулируемая координата (целевая функция). Измеряемыми Y-координатами объекта могут быть, например, показатели качества выпускаемой продукции и производительность технических машин и технологических агрегатов (техно-коборгов); прибыль, капитализация коммерческих компаний и организаций (бизнес-коборгов). Измеряемыми S-параметрами состояния при функционировании технических техно-коборгов являются, например, температуры, давления, уровни, состав газов, скорость протекания технологического процесса и пр. Этими же S-параметрами в финансовой деятельности бизнес-коборга, являются, например, рентабельность, платежеспособность, ликвидность, финансовая устойчивость и др. Регулирующие блоки 10 и 23 в автоматических и автоматизированных системах управления работают, например, в соответствии с пропорционально-интегральным законом регулирования. Под исполнительными блоками 17 и 18 понимаются исполнительные механизмы в технических приложениях или исполнительные структуры в других областях деятельности. Блоки экстраполяции 11 и 14 могут быть представлены, например, реальными форсирующими звеньями или прогнозаторами скользящего среднего значения с учетом тенденции.
Интеллектуальная система управления сложными организованными объектами работает следующим образом.
Сигнал об измеренном первым блоком 2 текущем значении выходной координаты Y объекта (коборга) 1 алгебраически суммируется в сумматоре 3 с сигналом модели 28 объекта регулирования без запаздывания и в результате получается сигнал о выходной координате модельного контура регулирования. Этот сигнал вычитается в первом блоке 8 сравнения из выходного сигнала первого задатчика 6 о заданном значении выходной координаты коборга. Полученная разность ΔY после подавления высокочастотной помехи фильтром 9 подается на вход первого регулирующего блока 10 с ПИ-законом регулирования, который вырабатывает модельное регулирующее воздействие Um (t-τ) на момент времени (t-τ). Для выработки координатного управления Uk(t) на текущий момент времени сигнал Um (t-τ) экстраполируется в первом блоке 11 экстраполяции на время τ и подается на первый исполнительный блок 17 для реализации координатного управления. Одновременно сигнал Uk(t) задерживается в блоке задержки 26 на время τ и вычитается затем в четвертом блоке сравнения 27 из сигнала Um (t-τ). Полученная разность преобразуется в модели 28 объекта управления в соответствующую величину приращения выходной координаты и, таким образом, получается замкнутый контур модельного регулирования. В свою очередь, измеренные в блоке 4 значения внутренних параметров состояния S коборга 1 поступают на вход робастного фильтра 5, в котором подавляются грубые и высокочастотные помехи. Сглаженные в фильтре 5 сигналы вычитаются в третьем блоке сравнения 12 из заданных значений внутренних параметров состояния, поступающих с выходов второго блока 7 задания параметров состояния коборга 1. Значения внутренних параметров состояния задаются исходя из проектных нормативов, заданных диапазонов и траекторий, предельно допустимых минимальных или максимальных величин, различных производственных и других инструкций, стандартов, типовых положений и правил, обеспечивающих оптимальную эффективность функционирования коборга. Аналоговые сигналы полученной разности поступают на вход блока 13 диагностики, предназначенный для своевременного выявления возникающих расстройств или нежелательных состояний коборга. Количественная оценка достоверности возможного развития расстройства или нежелательного изменения состояния коборга производится в блоке диагностики 13 по следующим алгоритмам нечеткой логики [3]:
1. При связи логического И:
CF[A]=CF[X и Y,.]=min{CF[X,.], CF[Y,.]}
2. При связи логического ИЛИ:
CF[A]-CF[X или Y,.]=max {CF[X,.], CF[Y,.]}
3. При комбинированной связи:
a). CF[A, (X,Y)]=+1, если CF[A,X]=1 или CF[F,Y]=1;
b). CF[A, (X,Y)]=CF[A,X]+CF[A,Y]-CF[A,X]·CF[A,Y],
если CF[A,X]>0 и CF[A,Y]>0;
c). CF[A, (X,Y)]=CF[A,X]+CF[A,Y], если CF[A,X]=±1 и
CF[A,Y]≠±1, a CF[A,X]·CF[A,Y]≤0;
d). CF[A, (X,Y)]=CF[A,X]+CF[A,Y]+CF[A,X]·CF[A,Y],
если CF[A,X]<0 и CF[A,Y]<0;
e). CF[A, (X,Y)]=-1, если CF[A,X]=-1 или CF[A,Y]=-1,
где CF[A,X], CF[A,Y] - коэффициент уверенности развития расстройства А, определяемый экспертными знаниями или промежуточными результатами доказательств на непрерывном интервале [-1 +1] от соответствующих симптомов х и y, появление которых обуславливается отклонением текущих и нормативных значений параметров состояния коборга от установленного диапазона. Коэффициент CF, полученный из трех и более независимых доказательств, можно вывести последовательно, используя указанные выше формулы.
Сигнал о значении вероятности развития соответствующего расстройства с выхода блока 13 оценки состояния объекта экстраполируется (прогнозируется) в блоке 14 экстраполяции на время τ. Значение вероятности развития расстройства или изменения состояния коборга после экстраполяции поступает на вход блока 15 пороговых элементов. На выходе блока 15 появляется логический сигнал "1", если экстраполированные значения вероятности расстройства превышают заранее установленные пороговые значения. Эти значения устанавливаются при настройке и тестировании системы. Сигнал о диагностируемом расстройстве коборга поступает на вход формирователя 16 управляющих параметрических воздействий. Команда на реализацию необходимого параметрического управления Up с выхода блока 16 передается на вход второго исполнительного блока 18 и действует до ликвидации причины возникшего расстройства коборга. Для снижения погрешности регулирования выходной координаты ΔY в случаях запаздывающего (несвоевременного) применения параметрического управления Up при расстройстве коборга система формирует дополнительное симптоматическое воздействие Us, которое действует до момента реализации Up или самопроизвольного исчезновения расстройства за счет свойства самовыравнивания объектов управления. Здесь отметим, что при небольших расстройствах коборга кратковременное симптоматическое воздействие Us оперативно устраняет симптомы расстройства без выявления причины его возникновения, а при развитии расстройства, переходящего в заболевание, это воздействие действует до исключения причины расстройства или в течение всего времени заболевания коборга. Схема формирования Us работает следующим образом. Сигнал ошибки регулирования ΔY об отклонении выходной координаты коборга от заданного диапазона поступает на первый вход второго блока сравнения 22, где происходит его сравнение с сигналом, поступающим из блока задания эталонной ошибки регулирования 21. Значение эталонного сигнала устанавливается, как правило, из условий минимально возможной ошибки регулирования для конкретной интеллектуальной системы управления. При превышении текущей ошибки ΔY над ее установленным эталонным значением полученная разность поступает на вход второго регулирующего блока 23, который вырабатывает соответствующую величину симптоматического управляющего воздействия Us. Далее это воздействие поступает через ключевую схему 24 на вход сумматора 25 в общий контур регулирования выходной координаты Y при условиях: а) диагностирования расстройства или нежелательного состояния коборга; б) отсутствия сигнала о параметрическом управляющем воздействии Up, т.е. в случае непринятия мер по ликвидации причины расстройства. В этом случае прохождение симптоматического воздействия Us в контур координатного регулирования обеспечивается следующим образом. Если отсутствует сигнал о параметрическом воздействии Up, то на выходе инвертора 19 формируется сигнал логической единицы, которая поступает на первый вход схемы совпадения 20. На второй вход этой схемы поступает сигнал с блока 16 пороговых элементов о наличии расстройства коборга. При этом с выхода схемы совпадения 20 сигнал поступает на вход ключевой схемы 24, которая открывается и пропускает симптоматическое воздействие Us на вход сумматора 25. В случае применения параметрического воздействия Up на выходе инвертора 19 появляется сигнал логического нуля. При этом на выходе схемы совпадения 20 также появляется нуль, который закрывает ключевую схему 24, что запрещает прохождение симптоматического воздействия Us на вход сумматора 25.
Введение новых представлений для управления сложными организованными объектами, использование новых интеллектуальных блоков и связей для их построения, обеспечивающих своевременное диагностирование и предотвращение расстройства или нежелательное изменение состояния объекта управления, позволяет расширить диапазон и повысить точность регулирования интеллектуальных систем управления сложными организованными объектами в различных областях деятельности.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1298711, Кл. G05D 13/00, 1985.
2. Патент на изобретение РФ №2251721, Кл. G05В 13/02, 2002 (прототип)
3. Представление и использование знаний: Пер с япон. / Под ред. Уэно X., Исидзука. - М.: Мир, 1989. - 220 с. ил.