Основные принципы построения КСУ

 

Как показала практика, КСУ поставляются по единым техническим условиям, а их модификации отличаются программным обеспечением и привязкой к конкретному типу судна. Составляющие их основу СВТ конструктивно оформляются в виде автономно работающих локальных станций и выполняют все функции управления и контроля отдельными агрегатами и устройствами, образующими УО. При этом каждая локальная станция обслуживает то оборудование объекта, вблизи которого она расположена. Таким образом, характерным является рассредоточение микроЭВМ, микропроцессоров, микроконтроллеров и т. п., из которых построена система, по всему УО, т.е. применяется, как правило, распределенная структура.

За центральной ЭВМ распределенной системы остаются лишь функции связи системы с человеком-оператором (выдача всей необходимой информации и получение команд), накопление данных и координации работы системы в целом. Центральная ЭВМ объединяет локальные станции, обрабатывает дополнительные данные, позволяющие формировать оптимальную стратегию управления, дублирует локальные станции, обеспечивает хранение оперативной информации, оптимизирует режимы, осуществляет диагностику оборудования.

При построении общесудовой системы контроля за ТС следует положить иерархический принцип передачи информации членам экипажа в соответствии с их постоянными и временными должностными обязанностями.

Информация первого уровня должна поступать только вахтенному механику и вахтенному штурману (последнему — не вся информация, а только та, которая может повлиять на движение и управляемость судна); информация второго уровня — вышестоящему командному составу, в обязанности которого входит обслуживание систем и контролирование деятельности вахтенных, например третьему или второму механику. Однако к ним информация должна поступать с задержкой на время Т₁.

Возможны и более высокие уровни поступления информации, например старшему механику или капитану; при этом время задержки информации, поступающей им, должно быть Т₂ >Т₁.

При создании КСУ важно оценить характер неисправностей и скорость реакции на нее, а также необходимость выдачи критического (красного) и некритического (желтого или оранжевого) сигналов, в том числе и звуковых.

Судовые КСУ должны одновременно решать несколько целевых задач (критериев), определяемых совокупностью ОУ, которые составляют единый комплекс, что не всегда удается решить в полной мере. В связи с быстрым ростом числа специализированных судов необходимо создание наращиваемых, реконфигурируемых и блочно-модульных систем, конструируемых на базе достижений микроэлектроники, развития мультиплексных систем связи для внутрисудового электронного оборудования.

Общими принципами создания КСУ, которые позволяют решить поставленные задачи, являются следующие:

1) системность, «ли системный подход;

2) многоуровневость описания ОУ и предъявляемых требований;

3) математические обоснования принимаемых решений;

4) иерархичность структуры КСУ и отдельных его подсистем;

5) декомпозиция и агрегирование.

Системный подход предполагает создание КСУ как единой системы с максимальной эффективностью в соответствии с сформулированными критериями, а именно: определение общей структуры комплекса; организация взаимодействия между его подсистемами; учет влияния внешней среды; выбор оптимальной структуры; определение необходимого объема и качества информационно-измерительного обеспечения.

Многоуровневость описания позволяет строить модели реальных процессов и явлений различных уровней сложности и точности; строить относительно независимые модели отдельных частей исследуемого процесса; описывать сложный процесс в виде последовательности различных его моделей или моделей его частей. Например, выбираются законы управления в рамках относительно простых и грубых моделей. Алгоритмизация управления, учет реальных ограничений и оценка его эффективности требуют более сложных и точных описаний управляемого процесса.

Математическое обоснование принимаемых решении требует создания математических моделей—динамики и комплекса. Разработка автоматизированных систем управления опирается на области науки: оптимальное, адаптивное, стохастическое и логическое управление, идентификация, машинное моделирование. Математические модели динамики позволяют синтезировать законы управления функциональными комплексами технических средств судна.

Иерархический принцип построения КСУ предполагает наличие развитой функциональной структуры связей между его подсистемами. Обладая определенной автономностью, отдельные подсистемы в иерархической структуре КСУ функционируют в соответствии с локальными целями правления. Координирующие системы, расположенные на вышестоящем уровне иерархии, обеспечивают достижение более общих целей путем изменения алгоритма функционирования нижестоящих систем, системы оценок достижения локальных целей, структуры связи подсистем и др.

Принципы декомпозиции и агрегирования позволяют упростить структуру КСУ и облегчить доведение принимаемых решений до ОУ. Под декомпозицией понимают расчленение исходной системы на ряд относительно независимых частей, позволяющих перейти от исходной сложной задачи к нескольким более простым. Агрегирование заключается в выделении какой-либо группы переменных, характеризующих состояние объекта, и их переформировании, что помогает выявить качественные особенности динамического поведения объекта.

Рассмотрим структурно-функциональное построение судовых КСУ. Эта сложная автоматизированная система представляет собой совокупность объектов и включает в качестве одного из се звеньев человека.

Серьезное значение при создании современных КСУ уделяется эргономике при проектировании. Это тем более актуально, что автоматизация не исключает полностью человека из процессов управления, а только изменяет его функции. Его роль и ответственность при этом возрастают. Происходит перераспределение его обязанностей в сторону расширения функций более высокого порядка, а именно: выработки стратегии управления и решения недетерминированных задач в условиях, когда для '«того требуется большое количество информации и наблюдается, как правило, недостаток ее. Возникает проблема «человек-машина», в которой человек часто должен принимать нетривиальные решения.

Под КСУ («большой» системой) подразумевается такой взаимосвязанный комплекс, свойства которого являются не простой суммой свойств входящих в него элементов и объектов, а объединенных свойствами целостности, организованности, целенаправленности, которое исчезает при исключении из комплекса какого-либо элемента.

Целостность (нечлененность) интегральных свойств системы, когда свойства целого больше суммы свойств его частей,, лежит в основе современного системного подхода исследования комплекса. Он предполагает переход от изучения отдельных ОУ к изучению комплекса взаимосвязанных объектов и от оптимизации процесса управления к оптимизации систем связи. При этом необходимо:

— определить цели автоматизации и выбрать Систему критериев эффективности целевых функций как количественных оценок степени достижения поставленных целей;

— выбрать правильное соотношение между централизацией и децентрализацией (автономностью) управления;

— определить правильные соотношения между универсализацией и специализацией элементов, функций и свойств математической и технической базы.

Комплексная автоматизация подразумевает автоматизацию судна как единого целого, включая организационные, экономические и технические факторы, направленные на достижение наилучших технико-экономических характеристик объекта в соответствии с его основным назначением.

Для транспортного судна задачи комплексной автоматизации определяются пятью главными показателями и сводятся к обеспечению минимума времени Т перевозки грузов при заданных величинах, массе М перевозимого на расстояния D груза, энергетических затратах Э и стоимости эксплуатации С.

Минимизация времени Т, которое является универсальной и всеобщей характеристикой процесса, связана с достижением ряда других целей, а именно:

— сокращения массогабаритных характеристик ОУ и систем управления, энергопотребления, а также объемов и площадей помещений для их размещения;

— улучшения технических данных систем управления и средств управления, их эффективности, унификации, типизации, универсализации и т.п.;

— повышения надежности всех технических средств, их комплексов и систем;

— улучшения эксплуатационных условий, сокращения обслуживающего персонала;

— обеспечения безопасности мореплавания и экологической безопасности;

— совершенствования погрузочно-разгрузочных операций, сокращения времени стоянки в портах;

— получения информации о состоянии и работоспособности технических средств.

Комплексная автоматизация определяется содержательными, технико-экономическими принципами управления.

Содержательные, или математические, основы определяют перечень и постановку задач по использованию ТС, степень автоматизации управления, характер и функции информации, выбор критериев эффективности автоматизации.

Выбор критериев эффективности, которые во многом являются субъективными, основывается на экспертных оценках. Критерий принципиально не может быть сведен к единой количественной оценке.

Существует набор критериев для оценки эффективности комплексной автоматизации в целом. Многоцелевая система является многокритериальной, причем универсальных методов оптимизации по многим критериям не существует.

При создании судовых КСУ из множества возможных вариантов принимается на основе экспертных оценок один, наиболее благоприятный по различным качественным и количественным показателям.

Математическое описание позволяет формализовать поставленные задачи, провести алгоритмизацию их частных и обобщенных решений с учетом производственно-экономических требований и технических возможностей. Создается математическое обеспечение комплексов ЭВМ, методов синтеза управляющих воздействий и законов управления и т. п.

Технико-экономические принципы позволяют сделать выбор вариантов структурно-функционального построения КСУ судном также на основе экспертных оценок. При этом выбирают общую структуру системы и подсистем управления, их взаимосвязи, способ и схемы автоматизации отдельных источников информации и ОУ; оценивают распределение цифровых, аналоговых я смешанных способов реализации процессов управления в подсистемах, массогабаритные соотношения, ремонтопригодность, энергоемкость различных вариантов построения элементов судовых АСУ, их надежность и т.п.

Можно выделить несколько моделей сложных «больших» систем. Изменение состояния любого физического объекта или системы связано с изменением или преобразованием информации, энергии и вещества (массы). В соответствии с этим системы управления, на входах которых имеется определенная информация, могут быть условно подразделены по главным факторам на следующие:

— информационные, на выходах которых имеется информация (измерительные СУ);

— динамические, преобразующие информацию в энергию (преобразующие СУ);

— производственные, преобразующие информацию в массу-вещество.

В организованной системе существуют элементы управления, измерения, производства и преобразования информации, вещества и энергии.

Одним из возможных путей совершенствования АСУ и КСУ является путь исследования аналогии — высокоорганизованного живого организма как наиболее совершенной системы преобразования информации в вещество (массу). В этом случае в КСУ как аналог системы биоуправления высокоразвитых живых организмов должны входить пять основных структурно-функциональных подсистем:

1. Информационная (I -система), которая анализирует и перерабатывает информацию о внешней среде и внутреннем состоянии объекта, производит фильтрацию и селекцию поступающих сигналов, необходимых для принятия решения. Функциями I -системы в судовых КСУ является сбор, обработка, хранение и распределение информации о внешней среде, навигационной обстановке и внутреннем состоянии с помощью радиотехнических, радиолокационных и гидроакустических средств судка и ИСЗ.

2. Решающая центральная (D-система), которая формирует план действия или решение программы, оценивает сложившуюся ситуацию, отбирает возможные средства решения, создает модель действия, реализует целенаправленное взаимодействие ОУ с внешней средой.

В АСУ решающая подсистема представляет собой комплекс алгоритмов и программ для выработки плана или модели действия в соответствии с заранее предусмотренным перечнем возможных ситуаций. Эти алгоритмы и программы закладываются в систему при ее создании и в дальнейшем дополняются новыми; в систему также вводятся быстродействующие устройства обучения и адаптации.

В судовых КСУ D-система позволяет выбирать рациональные маршруты, оптимальную скорость а курс судна по критериям экономичности или времени с учетом данных о погодных условиях, т.е. различных ограничений; решать задачи по проведению, планированию грузовых операций; жизнедеятельность экипажа; проводить коммерческие и финансовые расчеты, вести судовую документацию.

3.    Управляющая С-система. Служит для реализации принятых в D-системе решений с учетом информации, хранящейся в I-системе. Если АСУ взаимодействует с некоторой внешней средой S, то С-система в ней осуществляет это взаимодействие посредством органов, связанных с S не только информационно, но и динамически.

В судовых КСУ С-система решает задачи по управлению СЭУ, электроэнергетической системой, движением судна, а также навигационные задачи по определению места и прокладке курса.

4.    Гомеостазисная (Н-система), которая за счет устранения или ограничения действия факторов внешней и внутренней среды обеспечивает «динамическое постоянство» последней. Используется совместное регулирование по отклонению, производной и интегралу (ПИД-регулирование), гомеостазис можно рассматривать также как своеобразную систему обобщенного контроля, надежности и правильности действия системы.

К гомеастазисным свойствам, кроме надежности, относят устойчивость и чувствительность СУ к изменению параметров внешней и внутренней среды. Она обеспечивает нормальные условия жизнедеятельности.

5. Адаптационная (А-система), которая способствует ее развитию, росту и «размножению». С появлением новых ЭВМ, роботизирования, самоорганизующихся и самообучающихся САУ возможна адаптация КСУ и улучшение их качества как при разработке, так и в процессе эксплуатации.

Рассмотренные подсистемы в свою очередь являются «большими» сложными системами, образующими в целом иерархическую КСУ судна.

Эффективность управления зависит от структуры КСУ и времени переработки информации, которая зависит от объема информации.

Следует отметить, что оптимизация каждой подсистемы по локальному критерию не приводит к оптимизации системы в целом по глобальному критерию. Оптимальное значение глобального критерия в сложной системе определяет необходимые значения локальных показателей качества для подсистем, в общем отличных от их экстремальных.

Анализируя быстродействие КСУ в зависимости от их структуры, можно сделать заключение:

1. Централизация повышает качество решения для данной ситуа­ции, но приводит к задержке реализации этого решения и тем боль­шей, чем больше объем информации и сложнее система. Принятое решение реализуется фактически уже в другой ситуации — слишком большое замедление приводит к колебательному процессу управления.

2. Децентрализация вызывает ухудшение качества решения по глобальному критерию, но делает систему гибкой, быстро реагирующей на изменение внешней среды. Слишком большая степень децентрализации в сложной системе приводит к непрерывному поиску стабильного состояния системы, взаимодействующей с внешней средой.

3. Иерархическая система управления является компромиссной по качеству принимаемых решений и быстродействию.

 

Вопросы для самопроверки:

 

     1. В чем заключается иерархический принцип построения КСУ?

     2. Назовите принципы создания КСУ

     3. Объясните принципы декомпозиции и агрегирования при построении КСУ?

     4. Назовите технико-экономические принципы и варианты структурно-

         функционального построения КСУ судном