4783

УДК 658.5.011

ПРОБЛЕМА УПРАВЛЕНИЯ

РЕКОНФИГУРИРУЕМЫМИ

ПРОИЗВОДСТВЕННЫМИ СИСТЕМАМИ

А.М. Пищухин

Оренбургский государственный университет

Россия, 460018, г. Оренбург, просп. Победы, д. 13

E-mail: [email protected] В.В. Тугов Оренбургский государственный университет Россия, 460018, г. Оренбург, просп. Победы, д. 13 E-mail: [email protected] Ключевые слова: реконфигурируемые производственные системы, метасистемный подход, управление, метасистема, точность, быстродействие, запас устойчивости Аннотация: В статье рассматривается современное состояние управления реконфигурируемыми производственными системами. На основе метасистемного подхода разработана двух уровневая модель управления производством. Исследовано влияние двухуровнести модели на классические показатели качества управления.

1. Введение Важным критерием конкурентоспособности национальной промышленности является реальный спрос на ее продукцию на внутренних и внешних рынках, где постоянно усиливается активность зарубежных компаний разных стран мира в области разработки высокотехнологичной продукции.

Особенностью развития производства в мире в ближайшие 20 лет становится развитие технологий, формирующих новый (шестой) технологический уклад, обеспечивающих технологические прорывы (или создание опережающего научнотехнологического задела). Результатом такого развития станет разработка принципиально новых видов материалов, продукции, обладающих ранее не достижимыми возможностями, а также технологий, формирующихся на стыке различных предметных областей.

На современном этапе в обществе наблюдаются стремление производства удовлетворять индивидуальные потребности отдельного человека. Это требует от производства значительного расширения ассортимента выпускаемой продукции при одновременном уменьшении объемов выпуска. При этом гибкости классических гибких производственных систем, обеспечиваемой в основном переключением программного обеспечения уже недостаточно, необходимо увеличивать ее на более высоком, структурном уровне.

Для достижения этой цели в последнее время развивается идеология реконфигурируемого производства, основанная на трансформационной способности современного оборудования [1, 2]. Реконфигурируемые производственные системы

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ

ВСПУ- Москва 16-19 июня 2014 г.

(ReconfigurableManufacturingSystems, RMS, РПС) – это новый вид автоматизированного оборудования с изменяемой архитектурой, которое может вовремя адаптировать свою структуру под решаемую задачу, имеет для этого быстрые и надежные средства планирования и внедрения изменений и развивается вместе с возрастающей динамикой рынка [3].

При решении задач промышленного производства возникает необходимость проведения реконфигурации в рабочих режимах функционирования оборудования. На первый план выходят проблемы, обусловленные случайным характером и ограниченным объемом экспериментальных данных, необходимостью получения результатов обработки и принятия решений в минимальные сроки. Реконфигурируемые системы должны синтезироваться на основе корректного построения математических моделей меняющихся объектов.

2. Постановка задачи исследования Задача, на решение которой направлено исследование состоит в разработке методов повышающих точность выбора структур, наиболее эффективно функционирующих в создавшихся условиях, динамичность внутренних переключений РПС за счет оптимального стратегического синтеза и опережающей подготовки структур к переключению.

Современное состояние стратегического управления РПС характеризуется двумя противоречивыми тенденциями. С одной стороны, очевидно стремление к интеграции производств, ведущее к повышению иерархичности систем управления. С другой, имеется тенденция к узкой специализации производственных процессов, ведущая к отчетливому выделению специализированных технологических структур, то есть к метасистемности. Свойства иерархичности и метасистемности сложных систем управления делают их матричными, работающими на принципе переключений. При выборе в момент переключения системы, адекватной текущей управленческой ситуации, необходимо распознавание, как состояния объекта управления, так и состояния внешней среды. Из этого следует, что эффективность функционирования матричных систем управления определяется быстротой внутренних переключений, точностью выбора структур и перераспределения общесистемных ресурсов. В этом смысле можно говорить об оптимальной стратегии управления. Однако однопроцессный подход при построении теории, несовершенство методологии формирования набора производственных структур, неадекватность применяемых стохастических критериев оптимального управления, неразвитость методов выбора признаков при распознавании управленческой ситуации не дают оснований считать данную задачу решенной.

Для теоретического обоснования методологии управления РПС предлагается использовать метасистемный подход [4], как общую платформу для построения методологического, математического и алгоритмического обеспечения процесса управления, что позволит решить задачи, связанные с диапазонами эффективности функционирования РПС, их готовности, сочетаемости, с синтезом «оптимального портфеля» технологических структур.

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ

ВСПУ- Москва 16-19 июня 2014 г.

3. Теоретические основы создания методологии управления РПС Реконфигурируемые производственные системы в промышленности относятся к классу сложных систем, требующих наличия стратегии еще до начала процессов управления в них. Отсутствие такой стратегии ведет к большим потерям, неоптимальному управлению или даже к недостижению цели управления. Однако формирование стратегии управления невозможно без определения границ эффективности функционирования каждой структуры, входящей в РПС, оценки и достижения необходимого уровня их готовности, определению оптимального их состава при интеграции. На данный момент, отсутствует теоретическое обоснование методологии разработки таких стратегий для различных классов сложных систем. Тем не менее, имеются теории: ситуационного управления Д.А. Поспелова; систем случайной структуры И.Е. Козакова, В.М. Артемьева, В.А. Бухалева; систем координирующего управления Л.М. Бойчука;

систем с переменной структурой С.В. Емельянова; метасистем в системологии Дж.

Клира, на основе которых можно формировать конкретные стратегии в частных случаях. На этих теориях также можно развить общую теорию формирования стратегии управления РПС. Кроме этого, активно ведутся исследования в области создания РПС в Мичиганском национальном исследовательском центре. Однако приоритет в исследованиях лежит в области гибридных технологий, и меньшее внимание уделяется производственному оборудованию.

4. Метасистемный подход к проблемам управления РПС В соответствии с системологией Дж. Клира существует два способа интегрирования систем [5] – на основе создания: структурированной системы или метасистемы. В первом случае, система разбивается на подсистемы, которые в свою очередь дробятся на подсистемы второго уровня, третьего уровня и так далее и между ними организуется взаимосвязь. Во втором случае метасистема формируется на основании правила замены, когда из некоторого набора систем в каждый момент выбирается одна или некоторая группа функционирующих систем, наиболее адекватная управленческой ситуации.

Отличия структурированной системы от метасистемы иллюстрируются рис. 1 [6].

Эти две системы по-разному реагируют на внешние воздействия: структурированная система - только изменением сигналов во внутренних связях, а метасистема, кроме этого, может заменить функционирующую систему по правилу замены в случае ее неработоспособности или неадекватности, поэтому метасистема более живучая.

Рис. 1. Принципиальные отличия двух способов интегрирования систем.

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ

Метасистемный подход характеризуется тремя существенными особенностями, отличающими его от традиционного системного.

Во-первых, элементы метасистемы в большой степени самодостаточны и независимы друг от друга.

Во-вторых, в метасистеме в любой момент времени функционируют не все элементы, а лишь один, либо некоторая группа выбранных.

Наконец, в метасистемеобщее количество элементов (портфель) удовлетворяет совсем другим критериям, нежели в структурированной системе и должно быть оптимальным в соответствии с ними.

Поэтому, чтобы в практической задаче доказать правомерность метасистемного подхода необходимо в первую очередь отыскать данные отличительные особенности.

При метасистемном подходе необходимо решить следующие типовые задачи /3/, не возникающие при системном подходе:выявление поддиапазонов эффективного функционирования систем;оценка и повышение необходимого уровня готовности систем к использованию;разработка стратегии переключения отдельных или групп одновременно функционирующих систем;выявление и обеспечение сочетаемости, согласованного взаимодействия систем;оптимальное перераспределение ограниченных общесистемных ресурсов;оптимальный синтез метасистемы.

Метасистемный анализ удобнее всего начинать с выявления поддиапазонов оптимального функционирования систем, поскольку на их основе в дальнейшем удобно разрабатывать стратегию выбора систем. При решении этой задачи важно помнить, что метасистема возникает там и тогда, где и когда диапазон решаемой задачи настолько велик, что он не перекрывается использованием одной системы, либо эта система функционирует неэффективно в некоторых частях общего диапазона. Поэтому и возникает задача выявления границ, разделяющих поддиапазоны эффективного функционирования систем. Эти поддиапазоны можно выявить с помощью многомерного пространства признаков.Затем решаются все остальные задачи.

Метасистемы можно разделить на два больших класса: последовательного и параллельного действия. В первом случае функционирует только одна – выбранная система, во втором – выбранная группа систем.

Модель РПС можно представить в виде системы массового обслуживания (СМО), работающей по потоку заявок на изготовление того или иного вида продукции, поступающего с рынка и обусловленного спросом – рис. 2.

На рисунке в данный момент функционирует верхняя технология, остальные простаивают и помечены пунктирной линией, причем третья и четвертая технологии должны работать параллельно и поэтому требуют оптимального перераспределения ресурсов между ними.

В предложенной модели функционирования РПС следует выделить два уровня. На первом уровне метасистема анализирует внешнею и внутреннею среду (рыночный спрос, возможности и готовность производства) и определяет частоту включения, входящих в нее структур. На втором уровне модель работает как регулятор, обеспечивая необходимость быстрого уравнивания вероятностей включений для всех технологий, входящих в портфель предприятия с соответствующей вероятностью изменений спроса на рынке на соответствующий вид продукции. Исходя из управляемости предприятия, можно ввести главную обратную связь, которая будет следить за реальной частотой включений каждой структуры, запоминать ее и уравнивать с требуемой рынком вероятностью. Причем срабатывать эта связь должна, только в случаях наибольшей неопределенности, то есть на границах между классами управленческих ситуаций.

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ

ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ – ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОДУКЦИИ

Рис. 2. СМО – модель РПС.

5. Классические показатели качества управления РПС Исследуя теорию связаннуюс частотой включения структур в производственный процесс, в РПС встают вопросы связанные с качеством управления, влияющие на эффективное функционирование, как объекта управления, так и управляющего устройства (регулятора), т.е. всей РПС в целом. Для сравнения различных систем управления используют показатели качества: точность, быстродействие и запас устойчивости.

Точность функционирования РПС, в соответствии с моделью метасистемного подхода, складывается из двух составляющих. Первая связана сточностью определения частоты включения структуры – той или иной технологии. Вторая составляющая – это точность, определяемая отклонением выходной величины x(t) от заданного значения g(t) и длительностью существования этого отклонения (рис. 3).

Рис. 3. Структурная схема оценки погрешности.

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ

Ошибку системы определяют следующим образом [7]:

где С0, С1… – коэффициенты ошибок.

Однако в случае выше описанной модели величина g(t) определяется с погрешностью:

Поэтому коэффициенты ошибок определяются разложением:

Быстродействие системы управления является время протекания переходного процесса tпп. В рассмотренной выше модели процесс перехода также состоит из двух составляющих: времени обнаружения несоответствия частоты требуемой структуры и времени переключения одной структуры на другую при изменении спроса:

Для этого времени можно найти ограничение сверху пользуясь третьим показателем качества – запасом устойчивости системы. В соответствии с теорией [7] существует критическая частота переключения ассортимента где – фазочастотная характеристика системы.

При выполнении условия tперекл. кр быстродействия РПС будет достаточно для устойчивого управления.

Таким образом, метасистемный подход является необходимым инструментом для моделирования процесса функционирования РПС. Управление в такой модели предусматривает поддержание на определенном уровне вероятности функционирования входящих в структуру технологий.

1. Koren Y. Reconfigurable Manufacturing Systems / Y. Koren (University of Michigan), U. Heisel (Universitat Stuttgart), F. Jovane (Politecnico di Milano), T. Moriwaki (Kobe University), G. Pritschow (Universitat Stuttgart), G. Ulsoy (University of Michigan), H. Van Brussel (Katholieke Universiteit Leuven). – University of Michigan. – режим доступа: – http://erc.engin.umich.edu/publications.html.

2. Koren Y. Vision, Principles and Impact of Reconfigurable Manufacturing Systems [Электронный ресурс] / Yoram Koren, Galip Ulsoy // POWER TRAIN INTERNATIONAL. – University of Michigan. – режим доступа: – http://erc.engin.umich.edu/publications.html.

3. Тугов В.В., Пищухин А.М., Тугов В.В. Постановка задачи структурного синтеза реконфигурируемой производственной системы // Материалы X всероссийской научно-практической конференции «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике». Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2012. С. 386-389/ 4. Миронов С.В, Пищухин А.М. Метасистемный подход в управлении. Оренбург: ОГУ, 2005. 342 с.

5. Клир Дж. Системология. Автоматизация решения системных задач. М.: Радио и связь, 1990. 544с.

6. Pishchukhin A.M., Pishchukhina T.A. The Control Simulation of the Enterprise on the Basis Metasystem Approach // Universal Journal of Control and Automation. 2013. Vol. 1(4). P. 98-102.

7. Теория автоматического управления: в 2 ч.: учебник для вузов / под ред. А. А. Воронова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1986. Ч. 1: Теория линейных систем автоматического управления,

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ