Устройство управления технологическим процессом обслуживания однотипных объектов
CONTROL DEVICE FOR HOMOTYPIC OBJECTS SERVICE PROCESS

Предложение относится к области устройств систем управления технологическими процессами и может быть использовано в технике и производстве, где требуется управлять технологическим процессом обслуживания однотипных объектов.
Известно устройство [1], позволяющее решать задачу приближенно оптимального управления конечным состоянием теплового или диффузионного процесса. В данном устройстве оптимальное управляющее воздействие формируется пошагово с помощью метода градиентного спуска.
Известно устройство [2], позволяющее формировать управляющие сигналы в приближенно оптимальных по быстродействию автоматических системах с помощью метода градиентного спуска. Данное устройство компенсирует разность между наблюдаемым и фактическим состоянием оптимизируемого процесса.
Общими недостатками функциональности устройств [1] и [2] является отсутствие возможности учета различного рода ограничений на варианты управляющего воздействия, а также возможности управления процессом в реальном масштабе времени при изменении условий протекания процесса.
Прототипом по области применения и предназначению предложенного устройства является устройство [3], позволяющее формировать закон строго оптимального управления нелинейной системой в реальном масштабе времени. Устройство представляет собой оптическое вычислительное устройство, реализующее поиск оптимального закона управления по принципу максимума (минимума) Понтрягина.
Недостатком функциональности устройства [3] является отсутствие возможности учета различного рода ограничений на варианты управляющего воздействия, также недостатком устройства [3] является чрезвычайная сложность технической реализации устройства с необходимой точностью решения оптимизационной задачи.
Технический результат изобретения заключается в повышении производительности обслуживания однотипных объектов за счет применения гибкой стратегии управления, основанной на алгоритме, локально-оптимальном по объему выполнения комплекса операций обслуживания.
Технический результат достигается добавлением в устройство управления технологическим процессом блока формирования канального потенциала сеанса обслуживания однотипных объектов, блока формирования контактного потенциала исполнительных органов, блока формирования потенциала доступности однотипных объектов, блока формирования допустимых альтернатив управления исполнительными органами, задатчика вариантов управления исполнительными органами, блока расчета матрицы сопряженных переменных для алгоритма локально-оптимального управления исполнительными органами, блока формирования локально-оптимального управления исполнительными органами и блока формирования управляющих ключей для исполнительных органов.
Суть изобретения состоит в следующем. Однотипные объекты в процессе применения по целевому назначению нуждаются в обслуживании их исполнительным органом обслуживающего комплекса, состоящего из нескольких пространственно-разнесенных пунктов обслуживания. На каждом пункте обслуживания может находиться несколько исполнительных органов обслуживания. Совокупность технологических операций обслуживания, которые должны быть выполнены по объектам, составляют комплекс операций обслуживания.
Однотипные объекты могут обслуживаться только тогда, когда последние в процессе своего перемещения попадают в ограниченные пространственно-временные зоны ответственности соответствующих пунктов обслуживания. Совокупность этих зон называется контактным потенциалом. Технологические операции обслуживания могут выполняться не во всех случаях нахождения однотипных объектов в зонах обслуживания пунктов обслуживания. Это обусловлено, с одной стороны, ограниченными возможностями пунктов обслуживания, определяемыми числом установленных на них исполнительных органов обслуживания и готовностью их к выполнению соответствующих технологических операций обслуживания, а с другой - возможностями самих объектов по взаимодействию одновременно с несколькими исполнительными органами обслуживания одного или нескольких пунктов обслуживания.
Для организации взаимодействия однотипных объектов и исполнительных органов обслуживания пунктов обслуживания необходимо составить план работы исполнительных органов. План должен удовлетворять системе пространственно-временных, технических и технологических ограничений и, кроме того, являться наилучшим в смысле показателя качества - максимума выполнения объема технологических операций обслуживания.
Задача оптимального управления обслуживанием однотипных объектов вербально может быть сформулирована следующим образом. Рассматривается система из n однотипных объектов, обслуживаемая системой из m пунктов обслуживания. Каждый пункт обслуживания оснащен одним исполнительным органом обслуживания. Для каждого пункта обслуживания определены интервалы взаимодействия с каждым объектом, в пределах которых его исполнительный орган может выполнять операции обслуживания, совокупность которых определяет контактный потенциал. Интервалы времени, в течение которых исполнительный орган пункта обслуживания готов к выполнению операции обслуживания, называются потенциалом доступности. Выполнение операции обслуживания конкретного объекта в рамках интервала взаимодействия с конкретным пунктом обслуживания называется сеансом обслуживания. Последовательность сеансов обслуживания объекта составляет план его обслуживания. Совокупность данных планов для всей системы однотипных объектов составляет множество возможных планов функционирования обслуживающего комплекса. Если эти планы удовлетворяют системе ограничений, накладываемых на выполнение комплекса операций обслуживания, то их называют допустимыми или сатисфакционными (удовлетворенческими). Если множество допустимых планов содержит более одного плана, то возникает необходимость выбора оптимального плана.
Оптимальным называется план, являющийся наилучшим в смысле показателя качества - выполненного объема технологических операций обслуживания.
Не все из потенциально возможных планов могут быть реализованы из-за наличия ограничений на выполнение технологических операций обслуживания. К пространственно-временным ограничениям относят:
- запреты на применение средств отдельных пунктов обслуживания в определенные моменты времени;
- запрещение одновременного обслуживания одного объекта обслуживания более чем одним пунктом обслуживания;
- запрещение одновременного обслуживания одним пунктом обслуживания более чем одного объекта;
- ограничения по длительности непрерывной работы исполнительных органов пункта и другие.
Технические ограничения вызваны:
- отказами средств пункта обслуживания;
- длительностью времени подготовки средств пункта обслуживания к применению;
- условиями обстановки, затрудняющими или исключающими применение исполнительных органов пункта обслуживания.
К технологическим ограничениям относят:
- ограничения, вызванные необходимостью согласования разрабатываемого плана с предыдущим;
- требования обязательности проведения сеансов, например требование проведения не менее заданного числа сеансов на интервале планирования, проведение заданного числа сеансов не позднее указанного срока и тому подобные;
- возможные логические условия проведения сеансов. Например, обеспечение требуемого интервала времени между сеансами, ограничение числа привлекаемых пунктов обслуживания;
- отношение следования, совместности и несовместности между операциями обслуживания.
*
0
f
0
f
Содержательно задача оптимального планирования состоит в том, чтобы найти такую допустимую программу управления U(t) на интервале времени t∈(t,t) исполнительными органами пунктов обслуживания, которая является наилучшей в смысле заданного показателя качества J. t - начальный момент времени выполнения комплекса операций обслуживания, t - конечный (финальный) момент времени, когда должен быть окончен (или ранее) комплекс операций обслуживания.
0
f
(*)
Математическая постановка задачи оптимального управления комплексом операций формулируется следующим образом , t∈(t, t), где U- область допустимых альтернатив управления.
Для решения задачи применяется формализм принципа максимума Понтрягина Л.С., который позволяет задачу выбора управления на континуальном множестве альтернатив свести к краевой задаче, обеспечивающей получение оптимального решения за конечное число итераций. Модель исследуемого процесса X(t) задается линейной конечномерной дифференциальной динамической системой вида:
где _
-  - n-мерный вектор переменных состояния операций обслуживания однотипных объектов;
-  - n×m-мерная матрица потенциальной эффективности выполнения операций обслуживания, определяемая произведением канального потенциала Е и интенсивности  выполнения соответствующих операций. Канальный потенциал Е формируется с помощью свертки потенциала доступности и контактного потенциала;
-  - m-мерный булев вектор управляющих параметров.
Показатель качества J является функционалом Майера:
f
При использовании функционала Майера в качестве показателя качества можно воспользоваться условиями трансверсальности, позволяющими оценить значения компонент матрицы P(t) сопряженных переменных в заданный финальный момент времени t
(f)
где X - n-мерный вектор переменных требуемого состояния комплекса операций. В частности при использовании функционала Майера вида  по (3) имеем:
В предположении о выполнении комплекса операций в полном объеме: , условие трансверсальности (4) вырождается: . Следовательно, оптимальное управление может быть найдено только в результате решения краевой задачи.
0
f
В качестве приближения для организации итерационного процесса можно использовать локально-оптимальное управление, построенное в предположении о справедливости условий трансверсальности для любого момента времени t на интервале управления (t,t). При этом с учетом (4) для определения текущих значений компонент матрицы P(t) сопряженных переменных может быть использовано соотношение:
подставляя которое в (4), получим алгоритм для формирования локально-оптимального управления:
0
f
0
f
0
f
Использование алгоритма (6) позволяет получать в каждый момент времени t∈(t,t) управление , оптимальное в смысле показателя (2). Однако утверждать об оптимальности получаемой программы  для всего интервала t∈(t, t) нельзя из-за введенного ранее предположения (5). Таким образом, получаемые оптимальные управления U  для каждого момента времени t∈(t, t) с использованием правила (6) образуют закон локально-оптимального управления.
0
f
(*)
(*)
Задача (5)-(6) решается в каждый момент времени t∈(t, t). Сложность ее решения заключается в том, что при формировании множества U требуется учитывать большое число разнородных технических и технологических ограничений, присущих реальному процессу выполнения комплекса операций обслуживания. Это приводит к значительному увеличению размерности множества альтернатив. В данных условиях использование традиционных методов прямого перебора допустимых альтернатив U и направленного поиска строго оптимального плана управления требует значительных временных и вычислительных ресурсов, что при управлении в реальных условиях недопустимо.
Решение задачи локально-оптимального управления, в отличии от программного управления, определяет соответствующий алгоритм управления с обратной связью, что позволяет строить систему автоматического управления операциями, настраиваемую на текущие условия выполнения комплекса операций обслуживания.
На фиг. 1 приведена схема устройства, реализующего локально-оптимальное управление комплексом операций обслуживания однотипных объектов. Устройство содержит блок запуска комплекса операций 1, синхронизации устройства 2, блок контроля длительности комплекса операций 3, задатчик длительности комплекса операций 4, задатчик требуемого состояния комплекса операций 5, блок формирования канального потенциала сеанса обслуживания однотипных объектов 6, блок формирования контактного потенциала исполнительных органов 7, блок формирования потенциала доступности однотипных объектов 8, блок оценивания состояния комплекса операций 9, блок формирования невязок текущего и требуемого состояний комплекса операций 10, блок формирования допустимых альтернатив управления исполнительными органами 11, задатчик вариантов управления исполнительными органами 12, задатчик начального состояния комплекса операций 13, блок расчета матрицы сопряженных переменных для алгоритма локально-оптимального управления исполнительными органами 14, блок формирования локально-оптимального управления исполнительными органами 15, блок формирования управляющих ключей для исполнительных органов 16, блок задействования исполнительных органов пунктов обслуживания 17 и блок обслуживания однотипных объектов 18.
Устройство работает следующим образом.
Блок запуска комплекса операций 1 по произвольному сигналу от внешнего управителя формирует бинарный сигнал для начала комплекса операций обслуживания однотипных объектов. Данный сигнал формируется по готовности всех исполнительных органов и однотипных объектов к совместной работе.
Сигнал от блока запуска комплекса операций 1 поступает на вход 1 блока синхронизации устройства 2, который осуществляет запуск, продолжение работы и останов устройства по бинарным сигналам от блока контроля длительности комплекса операций 3 на входе 2 и блока формирования невязок текущего и требуемого состояний комплекса операций 10 на входе 3. При запуске устройства на входах 2 и 3 блока синхронизации устройства присутствуют разрешающие работу устройства сигналы.
Бинарный сигнал с выхода блока синхронизации устройства 2 разрешает работу блока формирования канального потенциала сеанса обслуживания однотипных объектов 6. В данном блоке формируется канальный потенциал путем свертки контактного потенциала, сформированного в блоке формирования контактного потенциала исполнительных органов 7, и потенциала доступности, сформированного в блоке формирования потенциала доступности однотипных объектов 8. На выходе блока формирования канального потенциала сеанса обслуживания однотипных объектов 6 формируется информация о доступных в данный момент времени для применения исполнительных органах пунктов обслуживания и доступных в данный момент времени для обслуживания однотипных объектах.
Перечень доступных исполнительных органов и однотипных объектов поступает на вход 1 блока формирования допустимых альтернатив управления исполнительными органами 11. Кроме того, на вход 3 данного блока поступает перечень допустимых вариантов управления из задатчика вариантов управления исполнительными органами 12. А также на вход 2 блока формирования допустимых альтернатив управления исполнительными органами 11 поступает оценка невязки (степень отличия) текущего от требуемого состояния выполнения комплекса операций по обслуживанию однотипных объектов с выхода 2 блока формирования невязок текущего и требуемого состояний комплекса операций 10 с целью ограничения из всех вариантов управления только допустимых. На первом сеансе обслуживания невязка формируется в блоке формирования невязок текущего и требуемого состояний комплекса операций 10 в результате сравнения начального состояния комплекса операций (поступает через вход 3 из задатчика начального состояния комплекса операций 13) и требуемого состояния (поступает через вход 1 из задатчика требуемого состояния комплекса операций 13). На выходе блока формирования допустимых альтернатив управления исполнительными органами 11 формируется множество допустимых вариантов управления исполнительными органами пунктов обслуживания.
Для каждой допустимой альтернативы управления исполнительными органами в блоке расчета матрицы сопряженных переменных для алгоритма локально-оптимального управления исполнительными органами 14 формируется оценка эффективности выполнения данной альтернативы для достижения оптимального значения показателя. На выходе данного блока формируются значения матрицы сопряженных переменных для каждого варианта управляющих воздействий.
В блоке формирования локально-оптимального управления исполнительными органами 15 среди допустимых альтернатив управления исполнительными органами выбирается та, значение матрицы сопряженных переменных для которой максимально. Данный вариант управления исполнительными органами поступает на выход блока.
В блоке формирования управляющих ключей для исполнительных органов 16 по входящему варианту управления исполнительными органами формируется соответствующий перечень команд по применению каждого исполнительного органа пунктов обслуживания (выход 3) для обслуживания каждого однотипного объекта (выход 2). Данный перечень через выход 3 блока формирования управляющих ключей для исполнительных органов 16 поступает через вход 2 в блок обслуживания однотипных объектов 18. Кроме того, этот перечень через выход 2 блока формирования управляющих ключей для исполнительных органов 16 поступает на вход 1 блока обслуживания однотипных объектов.
Блок обслуживания однотипных объектов 18 является конечным блоком устройства. Он непосредственно выполняет функцию обслуживания конкретного объекта конкретным исполнительным органом пункта обслуживания. На выходах 1 и 2 блока обслуживания однотипных объектов 18 формируется перечень однотипных объектов, которые были обслужены в данном сеансе обслуживания. С выхода 1 данный перечень поступает в блок оценивания состояния комплекса операций 9. С выхода 2 - в блок потенциала доступности однотипных объектов 8.
В блоке оценивания состояния комплекса операций 9 формируется оценка состояния комплекса операций в виде степени выполнения обслуживания каждого однотипного объекта. Данная оценка сравнивается с требуемым состоянием комплекса операций в блоке формирования невязок текущего и требуемого состояний комплекса операций 10. По результатам сравнения возможны два варианта. При варианте равенства текущего и требуемого состояний комплекса операций на выходе 1 снимается бинарный сигнал. Вследствие этого на входе 3 блока синхронизации устройства 2 снимается разрешающий работу сигнал, и устройство прекращает формирование управляющих ключей для исполнительных органов. При варианте неравенства текущего и требуемого состояний комплекса операций на выходе 2 блока формирования невязок текущего и требуемого состояний комплекса операций создается перечень однотипных объектов, обслуживание которых следует продолжить.
С выхода 1 блока формирования управляющих ключей для исполнительных органов 16 бинарный сигнал о реализации очередного сеанса обслуживания однотипных объектов поступает во вход 1 блока контроля длительности комплекса операций 3. В блоке контроля длительности комплекса операций 3 происходит сравнение текущей длительности комплекса операций (поступает через вход 1 из блока формирования управляющих ключей для исполнительных органов 16) с максимальной длительностью, значение которой получается через вход 2 из задатчика длительности комплекса операций. В случае достижения текущей длительности комплекса операций обслуживания заданного максимального значения на выходе блока контроля длительности комплекса операций 3 снимается бинарный сигнал. Вследствие этого на входе 2 блока синхронизации устройства 2 снимается разрешающий работу сигнал, и устройство прекращает формирование управляющих ключей для исполнительных органов.
На этом работа устройства заканчивается.
Источники информации
1. В.Е. Прокофьев (SU), В.И. Коновец (SU), Ян Лясковски (PL). АС СССР №1270779 А1, кл. G06G 7/66, 1986.
2. В.Н. Дроздов, И.В. Мирошник, Г.Н. Юркова. АС СССР №1381423 A1, кл. G05B 11/06, 1988.
3. С.В. Соколов, И.В. Щербань. АС РФ №2110086 С1, G06E 3/00, 1998.