МОДЕЛЬ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СИСТЕМОЙ

Полезная модель относится к области автоматизации процессов управления и мониторинга сложных производственных систем и может найти применение при управлении системами, в которых выделены статическая и динамическая части, т.н. асимметричные структуры.
Сущность технического решения заключается в формировании управляющих воздействий на систему на основании оценки рассогласования уровней потенциалов статической и динамической составляющих производственной системы.
Известно устройство для управления состоянием объекта, описанное в [1], основанное на принципе управления по отклонению в управляемой переменной, в котором управляющее воздействие, подаваемое на объект управления, является функцией отклонения фактического значения управляемой переменной от заданного ее значения. Устройство характеризуется наличием связи между выходами блока регистрации и оценки отклонения с входами блока управления.
Недостатком устройства [1] является функциональная ограниченность механизма регулирования состояния объекта управления, обеспечивающего формирование управляющих воздействий только в типовых ситуациях.
Известно также устройство для управления производственным процессом, описанное в [2], позволяющее учитывать специфику производственных процессов, резерв времени и реальную обстановку на производстве. Устройство включает связанные через свои входы и выходы блоки памяти, где учитываются отклонения в ресурсах по трудозатратам, количеству оборудования, материалу, блоки анализа, где оцениваются и приводятся в соответствие с типовыми ситуациями текущие сигналы, и блоки формирования заданий, где происходит выбор оптимальных по времени способов регулирования производственного процесса в границах заданного функционального пространства.
В качестве недостатка вышеупомянутого устройства [2] можно отметить недостаточную эффективность при управлении сложными производственными системами, обусловленную отсутствием блока анализа и оценки потенциалов взаимодействующих асимметрично направленных структур системы и блока анализа их влияния на состояние системы.
Наиболее близкой по типу решаемой задачи и по технической сущности к заявленной является модель управления инновационной средой предприятий региона, описанная в [3] и выбранная в качестве прототипа.
При разработке указанной модели учитывалось, что управлению подлежат не только технологические процессы, но и процессы, связанные с интеллектуальной деятельностью, что отразилось в наличии в этой системе элементов, направленных на обеспечение управляемого взаимодействия технологических и интеллектуальных процессов, в частности, в ядро мониторинга и управления этой системы были введены блок обеспечения профессиональной поддержки для объекта инноваций, блок обеспечения информационно-правовой поддержки, база нормативно-регулирующих документов.
Известное устройство содержит связанные своими входами и выходами блок ввода данных о состоянии объекта управления, блок анализа данных о состоянии объекта управления, блок памяти критериев достижения цели, блок формирования управляющих воздействий, блок управления и элементы, обеспечивающие взаимодействие технологических и интеллектуальных процессов в ходе функционирования объекта управления.
Известная полезная модель [3] имеет сложную структурную схему обработки и анализа данных о текущем состоянии объекта управления, а также ограниченные функциональные возможности, обусловленные разделением процессов обработки данных во времени в соответствии с уровнями декомпозиции объекта управления. Ограниченные функциональные возможности выражаются, в частности, в ограничении сверху частоты формирования упреждающих воздействий и, следовательно, снижении точности формирования упреждающей реакции. В этих условиях возможно возникновение пиковых нагрузок на объект управления и увеличение времени переходных процессов. Все это увеличивает продолжительность процесса формирования управляющих воздействий и снижает его эффективность.
Техническим результатом является повышение эффективности модели управления производственной системой (ПС) и ее упрощение.
Как известно [4-5], объект управления производственной системы можно рассматривать в виде взаимодействующих статической и динамической частей. В заявленной полезной модели статической структуре соответствуют сигналы о текущем состоянии технологического и интеллектуального процессов, которое обусловлено заданными для этих процессов целевыми функциями. Динамической структуре соответствуют сигналы, характеризующие переходные процессы управления, связанные с изменением целевой функции для технологического или (и) интеллектуального процессов. Статическая и динамическая части производственной системы в научной литературе рассматриваются как асимметричные структуры. Очевидно, что принадлежность отдельных компонент ПС к статической или динамической части не является неизменной во времени, но указанное обстоятельство не снижает практической ценности принципов управления, использующих указанные понятия.
Технический результат заявленной полезной модели достигается тем, что модель управления производственной системой выполнена по параллельной симметричной схеме с включением отрицательной обратной связи для реализации целевой функции управления в статической части и положительной обратной связи для изменения целевой функции и ее реализации в динамической части.
Применимость заявленной модели не зависит от типа, сложности и уровня технологичности производственной системы.
В отличие от прототипа, в заявленной модели упрощена структурная схема обработки и анализа данных о текущем состоянии объекта управления с учетом переходных процессов, связанных с изменением целевой функции. Формирование управляющих воздействий выполняется без разделения процессов обработки данных во времени, что позволяет повысить частоту формирования упреждающих воздействий и повысить эффективность модели управления.
Под рассогласованием уровней потенциалов динамической и статической структур в заявленной полезной модели подразумевается разность между сигналом, характеризующим состояние статической части, и сигналом, характеризующим состояние асимметричной динамической части объекта управления (соответственно частей технологического и интеллектуального процессов).
Под управляющими воздействиями в заявленной модели рассматриваются сигналы, которые изменяют текущее состояние моделируемого объекта в ходе управления. В производственной системе - это выделяемые ресурсы для достижения заданного состояния объекта управления.
Иными словами, сущность технического решения заключается в формировании сигналов пропорциональных разности сигналов оценки текущего и заданного состояния статических частей технологического и интеллектуального процессов, а при достижении равенства указанных сигналов изменении целевой функции и формировании пропорциональных ее изменению сигналов управляющих воздействий на динамическую часть моделируемой ПС.
Для этого в модели управления производственной системой, состоящей из последовательно связанных своими входами и выходами блока А ввода данных о состоянии объекта управления, блока В группирования данных о состоянии объекта управления, блока Ε анализа данных, блока С формирования управляющих воздействий с учетом критериев достижения цели, блока D реализации управляющих воздействий, причем блок Ε анализа данных, включает элементы, обеспечивающие взаимодействие технологических и интеллектуальных процессов в ходе работы ПС, а сигналы с выхода блока D через исполнительные элементы поступают на элементы регистрации блока Е, реализуя отрицательную и положительную обратные связи.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
На Фиг. 1, Фиг. 2 представлена блок-схема предлагаемой полезной модели, где блок А ввода данных о состоянии объекта управления передает данные блоку В группирования данных о состоянии объекта управления, который выделяет компоненты входных сигналов, соответствующие текущему состоянию технологического и интеллектуального процессов и значениям функции управления (целевой функции), выделенные компоненты поступают на блок Ε анализа данных (сгруппированных компонент входных сигналов), включающий два соединенных параллельно комплекса F и F, каждый из которых содержит группу G или G анализа отклонений текущего состояния производственной системы от заданного для реализации целевой функции управления с учетом отрицательной обратной связи от блока D через исполнительные элементы и группу H или Н анализа рассогласования уровней состояния структур для отслеживания изменения целевой функции с учетом положительной обратной связи от блока D через исполнительные элементы, при этом выходы групп анализа G, G, H, H являются входами элементов оценки взаимного влияния состояния структур, а выходы указанных элементов - входами блока С формирования управляющих воздействий, причем каждая из групп анализа G, G, H, H состоит из соединенных последовательно элемента регистрации и элемента оценки,
где
А - блок ввода данных о состоянии объекта управления, выполняется на базе считывающего устройства с машинных носителей,
1, 2, 3, 4, 5, 6 - делители для группирования данных по уровням декомпозиции или, иными словами, элементы для группирования компонент входных сигналов, входят в блок В, реализуемый на базе многоканального контроллера с настроечными коэффициентами, где
2 и 5 - делители для выделения компонент входных сигналов, соответствующих текущему состоянию технологического (2) и интеллектуального (5) процессов,
1 и 6 - делители для выделения компонент входных сигналов, соответствующих заданной функции управления (целевой функции) для технологического (1) и интеллектуального (6) процессов,
3 и 4 - делители для выделения компонент входных сигналов, соответствующих изменению целевой функции для интеллектуального (3) и технологического (4) процессов (асимметричные элементам 2 и 5).
Ε - блок анализа данных (параллельного анализа сгруппированных компонент входных сигналов),
1
2
7, 8 и 9, 10 - элементы групп G, G анализа отклонений текущего от заданного состояния статической части соответственно технологического (7, 8) и интеллектуального (9, 10) процессов,
7 и 9 - элементы регистрации, выполненные на базе сумматоров,
8 и 10- элементы оценки отклонений, выполненные на основе пороговых элементов,
1
2
11, 12 и 13, 14 - элементы групп Η, Η анализа изменения целевой функции соответственно для интеллектуального и технологического процессов,
11 и 13 - элементы регистрации, реализованные на основе управляемой разностной схемы, причем в случае отсутствия сигнала на втором входе элемента на выходе формируется нулевой сигнал,
12 и 14 - элементы оценки изменения целевой функции и текущего состояния динамической части соответственно интеллектуального (12) и технологического (14) процессов, выполненные на основе пороговых элементов,
15 и 16 - элементы для оценки рассогласования в состоянии статической и асимметричной динамической части (состояния структур) и их взаимного влияния на состояние производственной системы, обеспечивающие оценку риска недостижения цели, реализуются на базе программируемого контроллера,
С - блок формирования управляющих воздействий, выполненный на основе дешифратора,
D - блок реализации управляющих воздействий и формирования сигналов обратной связи, реализованный на основе контроллера,
17, 18, 19 и 20 - исполнительные элементы блока D реализации управляющих воздействий, выполненные на основе логических вентилей.
Ниже рассматривается функционирование модели управления производственной системой.
Блок ввода данных А считывает с внешнего носителя данные о текущем состоянии объекта управления в форме цифровых кодов. С выхода блока А цифровые коды поступают на вход многоканального контроллера В, который производит выбор компонент сигналов статической и динамической частей технологического (делители 2, 4) и интеллектуального (делители 3, 5) процессов, заданным значениям их целевой функции (делители 1, 6).
1
Выделенные компоненты сигналов, соответствующие статической части технологического процесса, с выхода элемента 2 поступают на первый вход элемента 7, на второй вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи. С выхода элемента 7 сигнал поступает на первый вход элемента 8 группы G, на второй вход которого поступает сигнал (код), соответствующий заданному значению целевой функции с делителя 1. На выходе элемента 8 формируется сигнал, пропорциональный разности текущего и заданного состояния статической части технологического процесса, который поступает на первый вход элемента 15 блока Е. На второй вход элемента 15 поступает сигнал с элемента 12. При этом отсутствие сигнала положительной обратной связи на втором входе элемента регистрации 11 приводит к формированию нулевого сигнала на входе и выходе элемента 12.
2
Выделенные компоненты сигналов, соответствующие статической части интеллектуального процесса, с выхода элемента 5 поступают на первый вход элемента 9, на второй вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи. С выхода элемента 9 сигнал поступает на первый вход элемента 10 группы G, на второй вход которого поступает сигнал (код), соответствующий заданному значению целевой функции с делителя 6. На выходе элемента 10 формируется сигнал, пропорциональный разности текущего и заданного состояния статической части интеллектуального процесса, который поступает на первый вход элемента 16 блока Е. На второй вход элемента 16 поступает сигнал с элемента 14. При этом отсутствие сигнала положительной обратной связи на втором входе элемента регистрации 13 приводит к формированию нулевого сигнала на входе и выходе элемента 14.
1
1
На выходе элемента 15 формируется три сигнала: сигналы от элементов 8 (группы G), 12 (группы H) и сигнал оценки вероятности риска недостижения цели по состоянию статической части технологического процесса и состоянию динамической части интеллектуального процесса. Указанные сигналы поступают на первый вход блока формирования управляющих воздействий С.
2
2
На выходе элемента 16 формируется три сигнала: сигналы от элементов 10 (группы G), 14 (группы Н) и сигнал оценки вероятности риска недостижения цели по состоянию статической части интеллектуального процесса и состоянию динамической части технологического процесса. Указанные сигналы поступают на второй вход блока формирования управляющих воздействий С.
Результирующие коды с выхода блока С поступают на вход блока реализации управляющих воздействий D, который формирует выходной сигнал кода ситуации оценки риска недостижения цели:
0 - нет необходимости включения цепей обратной связи;
1 - по состоянию статической части технологического процесса необходимо задействовать отрицательную обратную связь;
2 - по состоянию динамической части интеллектуального процесса необходимо задействовать положительную обратную связь;
3 - по состоянию статической части интеллектуального процесса необходимо задействовать отрицательную обратную связь;
4 - по состоянию динамической части технологического процесса необходимо задействовать положительную обратную связь.
1
2
1
2
Если формируется сигнал кода ситуации 1, срабатывает исполнительный элемент 18 и сигнал поступает на второй вход элемента 7 (группы G), в котором этот сигнал суммируется с учетом знака с сигналом первого входа и уровень отклонения уменьшается. Если формируется сигнал кода ситуации 3, срабатывает исполнительный элемент 19 и сигнал поступает на второй вход элемента 9 (группы G), в котором этот сигнал суммируется с учетом знака с сигналом первого входа и уровень отклонения уменьшается. Если формируется сигнал кода ситуации 2, то срабатывает исполнительный элемент 20 и сигнал поступает на второй вход элемента 11 (группы H). Результирующий сигнал, пропорциональный сигналу с элемента 3, поступает на вход элемента 12, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный изменению целевой функции для интеллектуального процесса и оценке состояния динамической части интеллектуального процесса относительно новой целевой функции. Если формируется сигнал кода ситуации 4, то срабатывает исполнительный элемент 17 и сигнал поступает на второй вход элемента 13 (группы Н). Результирующий сигнал, пропорциональный сигналу с элемента 4, поступает на вход элемента 14, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный изменению целевой функции для технологического процесса и оценке состояния динамической части технологического процесса относительно новой целевой функции.
Модель не требует введения специальных управляющих цепей. Информационные потоки о состоянии ПС преобразуются операторами в формализованные структуры данных, которые записываются на машинные носители.
1
2
1
2
1
2
Функционирование модели на уровне блоков можно описать следующим образом. Блок Б запрашивает данные у блока А. Обработав запрошенные данные, блок Б передает результаты обработки блоку Ε и вновь запрашивает данные у блока А. В комплексах F и F блока Ε через отрицательную обратную связь формируется сигнал, пропорциональный заданному значению текущего состояния моделируемой статической части технологического (F) и интеллектуального (F) процессов, после чего через положительную обратную связь изменяет целевую функцию и состояние моделируемой асимметричной динамической части интеллектуального (F) и технологического (F) процесса. На первом выходе блока Ε формируется сигнал оценки рассогласования текущего состояния статической части технологического процесса и динамической части интеллектуального процесса, на втором выходе блока Ε формируется сигнал оценки рассогласования текущего состояния статической части интеллектуального процесса и динамической части технологического процесса.
1
2
Таким образом, параллельные комплексы анализа F и F блока Ε моделируют реализацию заданной целевой функции в статической части объекта управления, изменение целевой функции для асимметричной динамической части, а также оценку рассогласования в состоянии взаимодействующих статической и асимметричной динамической частей модели ПС.
Использование модели управления производственной системой на основании оценки уровня подвижного равновесия между выделенными асимметричными структурами иллюстрируется следующим примером.
Производственный процесс представляет совокупность взаимосвязанных работ, выполняемых подразделениями производственной системы. Для каждой работы определяются весовые функции на множестве критериев.
Для типового производственного процесса используются следующие множества критериев для оценки выполнения работ подразделениями производственной системы:
множество  - этапность выполняемых работ;
множество  - тип рабочих процессов;
множество  - стадия выполнения работ;
множество  - приоритет производственной программы.
1
2
В этом случае критерии оценки выполнения работ  подразделениями определяются как пересечение множеств A, B, C, D, т.е. R∈{А, В, С, D}, , где k - количество критериев, входящих в множество R на первом уровне обобщения данных. На основе полученных критериев , составляющих нижний иерархический уровень дерева критериев, строятся составные критерии второго иерархического уровня , , где k - количество критериев второго уровня. Для оценки текущего состояния статической и динамической структур производственной системы и анализа их взаимного влияния на ход выполнения производственного процесса определяются составные критерии третьего иерархического уровня:  - сигнал, пропорциональный состоянию статической части;  сигнал, пропорциональный состоянию динамической части.
Количество критериев и уровней обобщения показателей определяется требованиями решаемой задачи в определенной предметной области. После определения структуры критериального пространства экспертным путем задаются значения весовых коэффициентов и целевые значения критериальных показателей.
Данные о выполнении работ структурными подразделениями поступают от блока А через делители 2 и 5 на элементы регистрации 7 и 9.
1
2
Функционирование ПС осуществляется в соответствии с целевой функцией, значения которой с выхода блока А ввода данных передаются через делители 1 и 6 соответственно для статической части технологического и интеллектуального процессов на входы элементов 7 и 9 и элементов оценки отклонений 8 и 10. Преобразования сигналов в группах анализа отклонений G и G позволяют сформировать интегральный показатель выполнения работ структурными подразделениями на основе оценки отклонений от плановых показателей и заданного технологического процесса.
С выхода делителей 3 и 4 блока В группирования данных о текущем состоянии динамической части интеллектуального и технологического процессов сигналы поступают на входы элементов регистрации 11 и 13, выходы которых соединены с входами элементов 12 и 14. На другой вход элементов 11 и 13 поступают сигналы об изменении целевой функции и управляющих воздействиях на динамическую часть с выхода блока D реализации управляющих воздействий. В элементах 12 и 14 производится оценка состояния динамической части с учетом текущих управляющих воздействий, результаты оценки поступают на входы элементов 15 и 16 для оценки влияния состояния статической части и асимметричной динамической части на состояние производственной системы. Оценка влияния возникающих отклонений взаимодействующих структур представляется в виде кода ситуации, который с выходов элементов 15 и 16 поступает в блок С формирования управляющих воздействий. С выхода блока С сигнал, соответствующий управляющему воздействию, поступает на вход блока D реализации управляющих воздействий. В блоке С сохраняются заданные значения весовых коэффициентов и критериальных показателей, значения весовых функций работ, а также данные о выполнении работ структурными подразделениями.
В зависимости от кода ситуации, характеризующего уровень рассогласования в состоянии взаимодействующих структур, блок D передает сигнал об управляющем воздействии на входы исполнительных элементов 17, 18, 19, 20. В результате на текущем шаге формирования управляющих воздействий открывается один из исполнительных элементов для регулирования состояния взаимодействующих структур (статической и асимметричной динамической части).
В приведенном примере в зависимости от уровня рассогласования в состоянии асимметричных структур формируются управляющие воздействия, направленные на достижение заданного уровня состояния в статической части для обеспечения устойчивости производственной системы, или на изменение целевой функции асимметричной динамической части для развития производственной системы с сохранением устойчивости в заданных пределах.
Полезная модель может использоваться как для выработки оперативных управленческих решений, так и для моделирования возможных путей развития производственной системы.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Патент РФ 1398644 кл. G05B 13/00, 1999 г.
2. Патент РФ 1314305 кл. G05B 19/00, 1987 г.
3. Свидетельство на полезную модель РФ 117667 кл. G06F 17/30, 2011 г.
4. Воропанова И.Н., Парфенова М.Я. Информационная технология в реализации организационно-экономических механизмов развития интеллектуального капитала на основе диссимметрии // Вестник Московской академии рынка труда и информационных технологий. 2006, №1 (23).
5. Шатраков А.Ю., Парфенова М.Я., Воропанова И.Н. Диссиметрия интеллектуального капитала. М.: Экономика, 2007.