Russia, Pskov, Pskov polytechnical institute SPbGTU, e-mail: belov@ppi.psc.ru

In the report the principles of coordination and correction of modes of operations for the below established parts of a three-level hierarchical control system of an intellectual complex for physical-mathematical modeling of complicated information systems are analysed. The brief characteristic of each method and areas of its application is given.

Россия, Псков, Псковский политехнический институт СПбГТУ,

e-mail: belov@ppi.psc.ru

В докладе проанализированы принципы координации и коррекции режимов работы нижестоящих звеньев трехуровневой иерархической системы управления интеллектуальным комплексом физико-математического моделирования сложных информационных систем. Дана краткая характеристика каждого метода и областей его применения.

Для исследования поведения сложных информационных систем на этапах отработки алгоритмов функционирования, в критичных и нештатных режимах работы в последнее время находят применение лабораторно-испытательные стенды, в состав которых входят интеллектуальные комплексы физико-математического моделирования (ФММ) изучаемого изделия. Эти комплексы содержат в своем составе реальную аппаратуру, средства имитационного формирования реальных рабочих физических сигналов исследуемой системы, средства математического моделирования и интеллектуального управления формирователями, подсистему контроля и диагностики, накопители информации о ходе процессов моделирования и реакции изделия. Анализ архитектуры комплекса в конечном итоге позволяет свести систему его управления к трехуровневой иерархической структуре, описанной в работе [1].

В такой структуре сочетаются положительные качества децентрализованных, полностью централизованных и распределенных централизованных структур [2], а именно:

1. Максимальная автономность локальных центров в процессе управления с сохранением возможности оптимизации управления комплекса ФММ в целом.
1. Локально - централизованное хранение и обработка информации, относящейся к отдельным группам объектов управления, будь-то это регуляторы формирователей сигналов, либо органы управления 2-го или 1-го уровня, что обеспечивает высокое быстродействие системы для реализации функционирования в реальном масштабе времени.
2. Централизованное хранение и обработка информации, относящаяся к комплексу в целом, с одновременным децентрализованным размещением и обработкой информации, необходимой для автономного управления группами объектов или отдельными объектами.
3. Умеренные требования к пропускной способности и производительности локальных органов управления с высокой общей производительностью комплекса.
4. Повышенная надёжность системы управления в целом, т.к. при выходе из строя центрального или локально-центрального органа, центры управления нижних уровней могут продолжать функционирование либо в соответствии с последними перед отказом централизованными командами, либо по встроенным в эти органы внутренним программам работы в автономном режиме.
5. Высокая степень реконфигурации как структуры системы управления, так и исполнительной подсистемы, что обеспечивается возможностью командного исключения из состава системы тех или иных локальных центров или объектов управления.

Центральным элементом при этом являются принципы координации и коррекции работы нижестоящих звеньев системы управления.

Так известны следующие способы воздействия на частные задачи оптимизации со стороны координатора (органа управления 0-го уровня) [3]:

на локальные центры управления, т.е. координация путём изменения характера коррекций.

Первый способ предполагает задание для каждого органа управления среднего звена не одной, а нескольких частных функций качества . В результате координирующий сигнал направлен на выбор соответствующей функции качества функционирования из заданного набора для -й управляющей системы 1 - го уровня.

Второй способ предусматривает изменение значений границ интервала таким образом, чтобы расширить или уменьшить диапазон изменения значений управляющих параметров и тем самым изменить условия решения оптимизационной задачи в соответствующем -м управляющем органе среднего звена.

Если же первые два способа неприменимы, координация производится путём изменения степени влияния корректирующих воздействий от органа управления на центры нижнего уровня . В этом случае можно использовать следующие варианты:

1. Исключение отдельных корректирующих воздействий.
2. Выделение приоритетных корректирующих сигналов.
3. Автономизация отдельных корректирующих команд.
4. Масштабирование корректирующих воздействий.
5. “Усечение” алгоритмов формирования корректирующих команд.
6. Перераспределение корректирующих воздействий между локальными центрами управления.
7. “Усечение” корректирующих сигналов путем их декомпозиция на несколько компонентов.

• Исключение отдельных корректирующих воздействий предполагает отключение определённых сигналов от нижестоящих узлов управления и перевод последних в автономный режим работы. Это оказывается актуальным в том случае, когда повышаются требования по быстродействию к центрам управления среднего уровня при переходе на очередной режим функционирования системы в целом или его отдельных подсистем, а производительности узла для обеспечения требуемого быстродействия не хватает.
• Выделение приоритетных корректирующих сигналов предусматривает разделение воздействий по коэффициентам важности и в этом случае центр обслуживает в первую очередь команды с минимальными (максимальными) значениями коэффициентов. Такой режим работы требуется в том случае, когда резко возрастает интенсивность обмена информацией между средним и нижним уровнями управления и в результате каналы связи оказываются перегруженными.
• Автономизация отдельных корректирующих команд осуществляется путём перевода процессов формирования корректирующих сигналов в режим, независимый от параметров других коррекций и реализуемый по автономной программе, которая не требует вмешательства обрабатывающих возможностей органа управления. Такая автономизация вводится в тех случаях, когда центр управления затрачивает достаточно много времени на обслуживание отдельных корректирующих сигналов.
• Введение масштабирования корректирующих воздействий на нижестоящие органы управления необходимо тогда, когда требуется изменить чувствительность к коррекциям из-за сильного влияния характеристики элементарного регулируемого процесса , управляемого центром нижнего уровня на целевую функцию системы в целом.
• “Усечение” алгоритмов формирования корректирующих команд производится в том случае, когда при переходе на очередной режим работы системы в целом или его отдельных подсистем ужесточяются требования по производительности к центрам управления среднего уровня, а реальное быстродействие не хватает для обеспечения этих требований, при этом отключение корректирующих сигналов от нижестоящих узлов управления недопустимо. Тогда формирование сигналов производится по упрощенным алгоритмам, менее требовательным к быстродействию центров и учитывающим меньшее количество параметров и аргументов.
• Перераспределение корректирующих воздействий между локальными центрами управления 2-го уровня осуществляется при внесения оперативных изменений в состав моделируемых функций, реализуемых локальными регуляторами в моделирующих модулях, при этом изменяется очередность реализации этих функций, а отдельные регуляторы переводятся в режим “сквозной передачи”. Подобное перераспределение имеет место в тех случаях, когда возникает необходимость коррекции процесса функционирования системы в целом или отдельных ее подсистем в силу технических причин (например, отказов отдельных регуляторов или локальных центров управления), либо в силу изменения глобальных или частных целей комплекса и, как правило, сопровождается коррекцией целей функционирования локальных центров и коррекцией алгоритмов формирования управляющих сигналов .
• “Усечение” корректирующих сигналов путем их декомпозиция на несколько компонентов предусматривает разделение воздействий на несколько составных частей , так что , при этом каждая составляющая формируется таким образом, чтобы она имела бы самостоятельное законченное назначение и могла быть использована как корректирующая команда. Подвергнув разделение сигнала на компоненты, каждой компоненте присваивается уровень значимости с указанием в каких ситуациях она применима. Далее в зависимости от конкретных условий работы системы, от ее режимов работы, от задач моделирования орган управления 1-го уровня вырабатывает соответствующие усеченные корректирующие сигналы из набора компонентвоздействуя с их помощью на нижестоящие центры . Возможно также использование нескольких разных компонент последовательно. Необходимость в данном способе координации возникает тогда, когда существуют временные ограничения на подготовку полномасштабного корректирующего сигнала

, когда имеют место трудности обмена информацией между средним и нижним уровнями управления, когда на обработку отдельных корректирующих команд затрачивается чрезмерно много вычислительных и временных ресурсов.

Задачами коррекции является внесение изменений в характер взаимодействия управляющих воздействий с элементарным процессом . Возможны следующие способы внесения коррекции [4]:

1. Путём изменения локальных целевых оптимизационных функций .
2. Через изменение параметров множеств связей в выделенном классе элементарных подпроцессов

, то есть коррекция путём изменения ограничений.

Первый способ в целом аналогичен способу координации через функцию качества, только в данном случае осуществляется выбор и коррекция соответствующей функции качества функционирования для органа управления нижнего уровня иерархии.

Коррекция путём изменения ограничений реализуется на основе:

1. Принципа исключения отдельных взаимодействий .
2. Принципа развязывания взаимодействий .
3. Принципа прогнозирования взаимодействий

.

• Принцип исключения взаимодействий предусматривает, что каждый нижестоящий управляющий элемент при решении своей задачи управления пренебрегает связующими входными сигналами , т.е. работает полностью автономно. Такой режим коррекции используется в тех случаях, когда взаимосвязью между отдельными элементарными моделирующими процессами можно пренебречь без существенных потерь в качестве функционирования моделирующего подпроцесса (и даже имитационного процесса комплекса ПНМ в целом).
• Принцип развязывания взаимодействий предполагает, что каждый нижестоящий орган управления , решая собственную задачу управления рассматривает связующие входы как дополнительные переменные, которые он выбирает из собственных локальных критериев. Очевидно, что задачи управления нижнего уровня в этом случае определяются как если бы они решались автономно, т.е. имеет место псевдоавтономность функционирования органа управления и соответствующего элементарного процесса .
• Принцип прогнозирования взаимодействий характеризуется тем, что корректирующий сигнал для локального центра содержит информацию о прогнозируемых значениях, которые будут иметь место при подаче управляющих воздействий. Сравнивая затем реальные значения

с прогнозируемыми, можно определить степень верности выбранного корректирующего воздействия. Это позволяет произвести оценку степени соответствия фактического режима работы системы оптимальному.

Выбор способов координации и коррекции, а также способов формирования координирующих и корректирующих сигналов существенно зависит от принятой декомпозиции моделирующего процесса , от глобальных и частных задач моделирования, от конкретной реализации (аппаратной и программной) центров управления всех уровней управления, от способов организации межуровневых каналов связи и пропускной способности этих каналов.

1. Белов В.С. Общесистемное описание иерархической системы управления интеллектуальным комплексом физико-математического моделирования.— В настоящем сборнике.
2. Строганов Р.П. Управляющие машины и их применение.— М.: ВШ, 1986, 240 с.
3. Мессарович М.Д., Мако д., Такахари И. Теория иерархических многоуровневых систем.— М.: Мир, 1973, 344 с.
4. Денисов А.А., Колесников Д.Н. Теория больших систем управления .— Л.: Энергоиздат, Ленингр. отд-ние, 1982, 288 с.