|
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ХЕРСОНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ
УНІВЕРСИТЕТ
УДК 681.5.015
ТИЩЕНКО ІВАН ОЛЕКСАНДРОВИЧ
МОДЕЛІ ТА ІНСТРУМЕНТАРІЙ СИНТЕЗУ АВТОМАТИЗОВАНОГО УПРАВЛІННЯ ГНУЧКИМИ ВИРОБНИЧИМИ СИСТЕМАМИ
05.13.06 - Автоматизовані системи управління
та прогресивні інформаційні технології
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Херсон - 2004
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Херсонському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: Доктор технічних наук, Кокошко Володимир Семенович, професор кафедри військової кібернетики та інформатики Одеського інституту сухопутних військ.
Офіційні опоненти: Доктор технічних наук, професор Петров Едуард Георгійович, декан факультету комп’ютерних наук, завідувач кафедри системотехніки Харківського національного університету радіоелектроніки.
Доктор технічних наук, Васюхін Михайло Іванович, співробітник інституту кібернетики ім.. В.М. Глушкова.
Провідна установа: Національний технічний університет „Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти та науки України.
Захист відбудеться 21 лютого 2004 року о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 67.052.01 Херсонського державного технічного університету за адресою: 73008, м. Херсон, Бериславське шосе, 24, корп. 3, ауд. 320.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Херсонського державного технічного університету.
Автореферат розісланий 19 січня 2004 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради В. О. Костін
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. Ринкова економіка в Україні потребує нових підходів до управління: на перший план виходять економічні, ринкові критерії ефективності. Науково-технічний прогрес і динаміка зовнішнього середовища змушують сучасні підприємства трансформуватися в усе більш складні системи, для яких необхідні нові методи управління. Динамізм сучасної економіки вимагає адекватного реагування підприємств на зміну умов ринкового середовища. Цілком зрозуміло, що підприємства по-різному реагують на зміни зовнішнього середовища, в залежності від рівня гнучкості і адаптивності систем управління.
Посилення ринкової орієнтації підприємств, різкі зміни зовнішнього середовища викликають необхідність розробки конкурентноздатних систем управління, покликаних виробляти комплексні управлінські рішення в умовах невизначеності.
Невизначеність виникає від зміни цільових завдань, обмежень та критеріїв, що задаються технологічній ділянці або цеху з боку верхніх рівнів управління, обмежень від служб підготовки виробництва і від самої ситуації на ділянці, що змінюється через поломки, ремонти, профілактичне обслуговування, брак тощо. Технологічне середовище вносить невизначеність внаслідок нестабільності потоків деталей, що комплектуються, напівфабрикатів, обладнання, інструменту, їх знаходження в просторі і часі.
За оцінками багатьох вітчизняних і закордонних фахівців технологія гнучких виробничих систем (ГВС) у найближчі 10-15 років стане основним напрямком подальшого розвитку технології машинобудування і в першу чергу її розділів, що належать до автоматизації управління технологічними процесами (ТП).
У теперішній час в машинобудівній галузі спостерігається значний розрив в досягнутих рівнях автоматизації складальних ТП Якщо в ТП обробки деталей рівень автоматизації наближається до 100% в масовому і 70-75% в серійному виробництві, то на операціях збирання – не більше ніж до 5%. Тому потребують подальшого поглиблення і розширення дослідження в галузі теоретичних основ автоматизації складання, включаючи питання проектування автоматизованих систем зборки.
Важливість систем цього класу обумовлює актуальність дисертаційного дослідження, спрямованого на розробку нових методів, моделей, алгоритмів і програм автоматизованого аналізу і оптимізації прийняття рішень при синтезі автоматизованих систем зборки.
Традиційні інженерні методи вибору технічних рішень і розрахунку техніко-економічних показників (ТЕП) в умовах частої зміни об’єктів виробництва, як це відбувається в ГВС зборки, виявляються малоефективними, тому що потребують значних матеріальних витрат та витрат часу, обмежені по кількості альтернативних варіантів рішень. Тому використання математичного моделювання є одним із основних інструментів рішення задач синтезу і проектування ГВС зборки.
У дисертаційній роботі розв'язано актуальну задачу побудови оптимізаційних моделей ГВС зборки та автоматизованих систем управління (АСУ) на основі використання нових підходів, методів, математичних моделей, нових прогресивних інформаційних технологій.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Мета роботи, її основні завдання відповідають державним науково-технічним програмам: 6.-Інформатика, автоматизація і приладобудування. 6.22-Перспективні інформаційні технології і системи; планам найважливіших науково-технічних робіт по Міністерству освіти і науки України, Міністерству промислової політики, плану науково-дослідних робіт по Херсонському державному технічному університету (БД97/07), ВАТ “Південелектромаш” (Нова Каховка).
Наукова гіпотеза полягає в тому, що підвищення ефективності ГАС зборки на підприємствах дрібносерійного і серійного типів можливо досягти за рахунок використання моделей автоматизованого аналізу та оптимізації ТП, з урахуванням специфічних особливостей ОВ та впровадженням інтегрованої системи управління, до складу якої входять АСУ технологічним обладнанням, гнучкими виробничими модулями, ТП, транспортно-складськими системами, технічною підготовкою виробництва, проектуванням і оперативно-диспетчерським управлінням і в цілому підприємством.
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційного дослідження є розвиток елементів конструктивної теорії і проблемно-орієнтованого інструментарію моделювання ГВС зборки. Елементи теорії й інструментарій орієнтовані на рішення нових задач удосконалення ТП ГВС зборки у взаємозв'язку з об’єктом виробництва (ОВ) на основі автоматизованого багатоальтернативного аналізу і оптимального вибору багаторівневих ієрархічних структур технологічних систем (ТС), розробки оптимальної структури інтегрованої СУ ГВС зборки. Для ТС системою більш вищого рівня є ГВС, елементи ТС - технологічні операції (ТО), роботизовані технологічні комплекси (РТК) та гнучкі виробничі модулі (ГВМ).
Для досягнення зазначеної мети в роботі ставляться і вирішуються наступні задачі:
- Структуризація предметної області у вигляді інформаційно- пов’язаних задач.
- Порівняльний аналіз існуючих моделей, методів і алгоритмів автоматизованого управління ГВС зборки.
- Формалізація математичних моделей процесів управління ГВС зборки.
- Розробка математичних моделей ОВ, ТП та процесів управління ГВС зборки.
- Моделювання структурно-компоновочних рішень ГВС зборки.
- Розробка підходу для автоматизованого синтезу структур ОВ.
- Розробка методів рішення задач автоматизованого управління ГВС зборки та механізму, основаного на економіко-математичних методах, що дозволяють формувати ефективні методи управління з урахуванням зміни стратегічних цілей, досягнень в області техніки і технології
- Розробка моделей підготовки та прийняття рішень в ГВС зборки;
- Синтез оптимальної структури АСУ зборки та концептуальної моделі інтегрованої багаторівневої системи управління гнучкими автоматизованими лініями (ГАЛ).
10. Оцінка ефективності використання розроблених методів, алгоритмів і моделей.
Об'єкт дослідження - процес функціонування ГВС зборки, внаслідок чого ОВ здобуває властивості, задані під час його проектування.
Предметом дослідження - задачі аналізу, синтезу, розробки й експериментальної апробації найбільш ефективного апарату і математичних моделей для системи прийняття рішень на прикладі ГВС зборки.
Методи досліджень. Для розв'язання поставлених задач використані методи теорії множин, математичного програмування, теорії ймовірностей і математичної статистики, методи теорії системного аналізу і синтезу, оптимізації організаційних структур, комбінаторної оптимізації, прийняття рішень та теорії оптимального управління.
Достовірність наукових результатів підтверджується результатами математичного моделювання та практичного використання.
Наукова новизна дисертаційної роботи полягає в наступному:
- Розроблено нові елементи проблемно-орієнтованого інструментарію ГВС зборки у вигляді методів, алгоритмів і програм, що реалізуються за допомогою прогресивних інформаційних технологій.
- Вперше розроблено принципово новий структурно-топологічний підхід до моделювання та автоматизації проектування АСУ, з використанням універсальної динамічної ланки.
- Вперше запропоновано теоретико-множинний підхід до формалізації задачі синтезу структури ОВ у вигляді сукупності типових елементів поверхні, сутність якого полягає у визначенні формалізованих процедур, для виявлення з’єднуваності елементів та встановлення зв'язків як відношень можливості з’єднання між цими елементами. В подальшому він може послужити основою для побудови логічної моделі, що формалізує процес рішення задач структурного синтезу.
- Вперше для ГВС зборки розроблені динамічні портрети, які
задаються наборами кількісних, просторових, часових, технологічних та логічних параметрів , що характеризують стан об'єктів ГВС зборки і дозволяють приймати відповідні рішення та стратегії управління.
- Вперше розроблені алгоритми дослідження впливу інвестування на економічну ефективність ГВС зборки.
- Розроблено принципово новий підхід до моделювання ГВС зборки, сутність якого полягає у використанні структурних представлень всіх складових ТП зборки і структурного моделювання (представлення у вигляді сукупності різнорідних взаємодіючих структур), як інструменту рішення задач технологічного проектування ГВС.
- Вперше для ГВС зборки побудована інфологічна модель, що характеризується множинами цільових завдань, ТО, ресурсів, обмежень, критеріїв, за якими оптимізується або оцінюється робота ГВС зборки за умовами постановки різних цільових завдань.
- Вперше створено структуру АСУ ГВС зборки і концептуальну модель інтегрованої багаторівневої автоматизованої системи управління гнучким виробництвом.
Тлумачення даних положень є оригінальним і виноситься для захисту в поданій роботі.
Практичне значення отриманих результатів. Результати досліджень стали основою для розробки науково-обгрунтованих математичних моделей ТП складання ОВ. Тим самим підготовлені умови для індустріалізації розроблених моделей, створено передумови для підвищення ефективності управління технологією виробництва в умовах невизначеності.
Апробація результатів дисертації. Основні питання дисертаційної роботи доповідались на семінарах наукової ради НАН України по проблемі “Кібернетика”, “Прикладні проблеми інформатики” (м. Херсон, 1999-2000), міжнародній науково-технічній конференції “Інформаційні технології в економіці, менеджменті і бізнесі” (м. Київ, 2003), науково-практичних конференціях “Інформаційні технології в освіті і управлінні” (Нова Каховка, 2000-2003). Обговорення результатів дисертаційних досліджень проводилося на науково - технічних семінарах Новокаховського політехнічного інституту Херсонського державного технічного університету, співробітником якого є здобувач.
Реалізація результатів роботи. Результати роботи впроваджені на ВАТ “Південелектромаш” (Н.Каховка) у вигляді підсистеми технологічної підготовки виробництва (ТПВ). Наукові положення, висновки і рекомендації дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі під час читання курсів: “Автоматизація виробництва і АСУ”, “Автоматизовані інформаційні системи”, “Програмне забезпечення автоматизованих систем” у Новокаховському політехнічному інституті та Херсонському державному технічному університеті.
Особистий внесок здобувача. Усі положення, що виносяться на захист, належать особисто автору і не містять у собі ідей або розробок, що належать співавторам, з якими були опубліковані наукові праці.
Публікації. Основні результати досліджень викладені в 9-ти друкованих працях, що опубліковані у фахових виданнях, перелік яких затверджений ВАК України.
Структура і обсяг дисертації. Робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерела 162 найменування, двох додатків, 40 малюнків, 13 таблиць. Загальний обсяг роботи складає 199 сторінок, у тому числі 166 сторінок основного тексту.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми, доведено необхідність розробки методів, математичних моделей, алгоритмів і програмного забезпечення, для створення інформаційної технології безперервної підтримки технологічної підготовки ГВС зборки та оптимізації ТП, що входять до їх складу. Сформульовані мета і задачі дисертаційної роботи, визначені межі досліджень, висвітлені наукова новизна та практичне значення роботи, відображені основні результати проведеного дисертаційного дослідження.
У першому розділі проведено аналіз рівня автоматизації ГВС зборки машинобудівної промисловості, рівнів розвитку окремих класів автоматизованих систем та обсягів використання інформаційних технологій під час проведення робіт по їх удосконаленню.
За результатами аналізу проведена класифікація структурних ланок ГВС за рівнями ієрархічного та службового призначення, окреслені основні їх функції, виділені компоненти поняття гнучкості та розглянуті рівні систем управління. Конкретизовано склад задач за підсистемами: прямого управління, управління потоком деталей, оперативного управління виробництвом, інструментального забезпечення, оперативного обліку. Встановлені вимоги до АСУ ГВС зборки.
Проведено поділ технологічних операцій (ТО) на оброблюючі (в тому числі складальні), контролюючі, маніпуляційні, збереження, очікування, за допомогою якого сформовано їх характеристики у вигляді математичних залежностей; доведена доцільність введення організаційної, функціональної, компонуючої та інформаційно-управляючої технічної підготовки під час побудови ГВС зборки.
Установлено параметри, що визначають зниження продуктивності основного обладнання ГВС зборки, визначено критерії ефективності, здійснена постановка задач досліджень.
У другому розділі викладені результати досліджень, пов'язаних з формалізацією логіко-програмного управління гнучкими складальними робототехнічними системами (ГСРС), яке полягає в поданні заданої упорядкованої дії функціональних модулів ГСРС у вигляді складної логічної функції дій управління, визначених на множині можливих станів, які можуть бути описані наступною системою умов:
де:  - група сигналів від датчиків, що контролюють роботу технологічного устаткування і стан робочого середовища у відповідний момент часу;
 - група команд управління, що сформовані на даний момент;
 - впорядкований вектор управління, що є формалізованим описом в символах управління необхідної технології виконання ТО;
Фy – складна логічна функція, що визначає логічний зв’язок між даним станом та управлінським впливом.
Розроблено та досліджено функціональну модель ГСРС у формі відповідно наборів сигналів датчиків та наборів команд керування:
де:  - логічна функція перетворення сигналу;
 - логічна функція перетворення команд.
Проведено дослідження функціональної моделі ГСРС в умовах невизначеності. При цьому модель керування розглядалася як складова, що має статичну та динамічну частини:
які на довільно вибраному переході  визначаться виразами:
Під час розробки алгоритму ідентифікації об’єкту управління його математичну модель запропоновано спрощувати, зберігаючи при цьому основні його властивості. Сутність спрощення полягає в заміні диференційного рівняння, що описує динаміку реального об'єкту рівнянням другого порядку, коефіцієнти якого вибираються із умови мінімізації інтегрального критерію:
 ,
де: e(t) – різниця між точними x(t)і наближеним x1(t) значенням перехідного процесу  , відображеного функцією Фур'є е(t).
Рішення задачі мінімізації інтегралу J проводиться з використанням методу трапецій, що найбільш просто реалізується на ЕОМ. При цьому обчислення інтегралу J замінюється знаходженням суми  (i), де h0 - крок моделювання; k - число кроків моделювання; е(і)- похибка на i-му кроці моделювання.
Розроблена структурна схема дворівневої ідентифікації об’єктів управління в матеріальних потоках зборочних процесів.
Під час дослідження динаміки ГВС зборки виходили із організації технологічних комплексів (ТК) зборки, що здійснюються у вигляді одно і багатопредметних поточних ліній. Для ГПС зборки, крім того, характерна перебудова структури ТК в залежності від вимог виробничого процесу, що потребує постійної синхронізації роботи обладнання.
ТК представлено орієнтованим графом G (M, D, С), де М - непуста множина вершин; D - множина упорядкованих дуг; С - множина умов функціонування обладнання.
Граф G (M, D, С) має m входів X, n виходів Y і описується матрицею W, що відображає його стан, послідовність і умови роботи. Зв'язок вхідних і вихідних змінних математичної моделі ГПС зборки подано у матричній формі Y = W  X, де символ Х означає операцію векторно-матричного алгебраїчного множення вхідних величин  , на передаточні Wji з метою отримання вихідних значень  Побудову графа G (M, D, C) здійснено згідно граф-схеми алгоритму функціонування ТК, при цьому операторні вершини ототожнено з вершинами графа G (M, D, С), а його ребра - з умовами переходу через операторні вершини відповідно з умовними вершинами граф-схеми алгоритму.
Граф G (M, D, C) є основою для постановки та рішення задач знаходження часу виконання ТП, синтезу схем управління при дослідженні динаміки ГПС зборки в цілому. Час виконання ТП визначається часом проходження вершин графа з урахуванням перемикаючих функцій і його ребер. Синтез схем управління зводиться в даному випадку до синтезу кінцевих автоматів Мура.
Зважуючи на велику роль логічних елементів під час здійснення сигналів управління АСУ ГВС, розроблено метод дослідження їхніх функцій під час впливу пуассонівського потоку завад ланцюгами живлення. Встановлено, що імовірність збою логічного елементу на інтервалі часу описується залежністю:
 ,
де: Х(Т) – перевіряюча послідовність вхідних впливів;
Z – узагальнений вектор значень параметрів схеми логічного елемента;
S – узагальнений вектор значень живлячих напруг.
Імовірність збою логічного елемента на множині Х(Т) дорівнює нулю, якщо Z і S лежать в зоні допустимих значень.
У третьому розділі запропонована модель формування послідовності управляючих команд. З позицій інформаційного змісту логічного рівняння управляючої команди  , або  в наборі сигналів, що входять в рівняння yk(t), можуть бути виділені сигнали, які забезпечують формування команд потрібного стану (дозволяючі, перериваючі). В свою чергу за функціональною ознакою, серед сигналів що дозволяються, можуть бути виділені опорні сигнали, які контролюють виконання сформованих у попередньому стані команд та характерні сигнали, що характеризують власне сам стан. З урахуванням цього логічне рівняння команд управління набуває вигляду:
де:  - група парних сигналів;  - група характерних сигналів;  - група перериваючих сигналів.
Розроблена методика побудови моделей системного опрацювання елементів ГВС зборки. Задача системного опрацювання першого рівня полягає у виборі із множини типів технологічного обладнання та пристроїв, що відповідають певним конструктивним ознакам з'єднувальних деталей та найменуванням ТО деякої групи, показники елементів якої відповідають передовому досвіду. В цьому випадку множина  , де: u - номер конструктивної ознаки з'єднувальних деталей ( ); l -номер, що відповідає комплектуванню ТО ( );  - дискретний набір чисел, що відповідає типам технологічного обладнання та пристроїв.
На другому рівні системного опрацювання проводиться злагоджений вибір варіанта з'єднувальних деталей і типів технологічного обладнання та пристроїв.
Для проведення автоматизованого аналізу введено змінні:
Основними показниками оптимального вибору є трудомісткість виготовлення Тu і технологічна собівартість виробу Cт за заданою програмою випуску. Таким чином, маємо багатоальтернативну оптимізаційну модель:
На третьому рівні системного опрацювання вибирається структура ТК зборки, що пов'язана з реалізацією різних методів забезпечення точності, розподілом між робочими місцями і орієнтацією на певну номенклатуру виробів та програму їх випуску.
Величина  залежить від вибору типу обладнання і пристроїв, варіанту розподілу операцій між робочими місцями. Коефіцієнт виходу придатних виробів залежить від типу обладнання і пристроїв, що використовуються на технологічних операціях та методах забезпечення ОВ. Таким чином, маємо:
tпл- плановий фонд часу роботи технологічного комплексу;
 - ритм технічного комплексу;
 - коефіцієнт виходу придатних виробів.
Отримані залежності призводять до необхідності рішення задач системного опрацювання другого і третього рівнів в рамках єдиної оптимізаційної моделі.
Під час побудови оптимізаційної моделі вибору типу елементів ГВС зборки з заданою структурою зв'язку встановлено, що різновидність зв'язків призводить до необхідності рішення наступних задач: вибір форми взаємозв'язків, що породжуються визначальними зв’язками; вибір форми взаємодії, що породжуються довільними зв'язками. Як правило, варіантів з визначальними зв'язками мало, тому перша задача розв’язується шляхом повного перебору. Друга - може бути представлена у вигляді деталізованих альтернатив, пов'язаних з визначенням елементів або з представленням послідовності елементів в фізичних моделях.
Якщо відомі перетворення Ψ, що дозволяють розрахувати значення критерія Qj по значеннях відповідних показників окремих елементів  , то характер оптимізаційних моделей залежить від наступних ознак: ступеня невизначеності показників системи; кількості показників Qj, що враховуються у задачі вибору; способу задання залежності fi(ri). Основою формалізованої постановки задач, пов'язаних з визначенням послідовності елементів в фізичних моделях, може служити оптимізацийна модель задачі комівояжера.
Нехай, наприклад, система складається з (n+1) елементу і сформована матриця  , що характеризує “витрати” на переході між елементами. Поставимо у відповідність альтернативам про переходи від одного елемента до іншого змінні:
Якщо метою оптимального вибору послідовності елементів є мінімізація сумарних “витрат” і, крім того, ставляться вимоги виконання умови, що від одного елементу (крім означеного) перехід до іншого (крім початкового) здійснюється тільки один раз, то отримаємо наступну оптимізаційну модель:
де змінні ui, uv набувають довільні значення.
Наведені вище оптимізаційні моделі можуть бути зведені до структур екстремальних задач, що допускають числове рішення на ЕОМ. Простіший варіант - екстремальна задача із змінними без обмежень:
В інших випадках маємо задачу з обмеженнями, які можливо обчислити алгоритмічно:
| 
