Файл: Фгбоу во росбиотех практические работы.pdf

ФГБОУ ВО «РОСБИОТЕХ»
ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ
по дисциплине «Системный анализ и принятие решений»
для студентов направления подготовки
27.03.04 «Управление в технических системах» и
15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств»
Москва, 2023

2
УДК 519.711
Практические работы по дисциплине «Системный анализ и принятие решений» для студентов направления подготовки 27.03.04 «Управление в технических системах» и 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств» / сост. Чернышев Н. Н. – Москва, 2023. - 26 с.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки
27.03.04 «Управление в технических системах» и 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств».
Составитель: доц. Чернышев Н. Н.

3
СОДЕРЖАНИЕ
Практическая работа №1 на тему «Построение модели черного ящика для объекта управления» ............................................................................................... 4
Практическая работа №2 на тему «Анализ проблемной ситуации. Построение дерева целей для системы управления» .............................................................. 10
Практическая работа №3 на тему «Формирование функций и требований к системе управления» ............................................................................................. 15
Практическая работа №4 на тему «Разработка вариантов концепции системы управления» ........................................................................................................... 21

4
Практическая работа №1 на тему «Построение модели черного ящика для объекта управления»
Цель работы – приобретение практических навыков анализа объекта управления и его особенностей функционирования, существенных для построения модели черного ящика.
Краткие теоретические сведения
Одним из способов выделения системы из окружающей среды является построение модели черного ящика. Модель черного ящика показывает результат выделения рассматриваемого объекта или процесса из окружающей системы. На этом этапе как устроена система (то есть каков ее состав и структура) - неизвестно, известны (доступны для наблюдения) входы в систему и выходы из нее (рис. 1).
Рис. 1. Принцип модели «черного ящика»
На уровне математического описания системы, отсутствие информации о составе и структуре системы выражается в том, что на этапе разработки модели черного ящика неизвестны зависимости выходных параметров от входных данных.
В зависимости от выбранной точки зрения для одного и того же рассматриваемого объекта или процесса могут быть выделены различные наборы входных и выходных воздействий, представляющих основу интерфейса системы с внешней средой.
С позиции системного подхода, интерфейс - совокупность методов и средств взаимодействия или между элементами системы (внутренний интерфейс), или между системой и окружающей средой (внешний интерфейс).
При использовании системного подхода для проектирования различных технических систем, модель черного ящика является базисом для разработки внешнего интерфейса.
Чтобы разработать эффективную модель черного ящика, следует описывать входные и выходные воздействия на параметрическом уровне с обязательным указанием единиц измерения. Выделенные параметры в дальнейшем должны составить основу математической постановки задач системного исследования рассматриваемого объекта или процесса - задач

5 синтеза, управления или принятия решения.
Несмотря на кажущуюся простоту рассматриваемой модели, построение эффективного черного ящика является задачей особой сложности. Это связано с невозможностью однозначно и информативно подобрать параметры, характеризующие входные и выходные воздействия системы в рамках рассматриваемой задачи на начальном этапе ее исследования.
Выбор ключевых параметров, характеризующих входные или выходные воздействия системы следует проводить, опираясь на две главнейшие характеристики:
- информативность рассматриваемого параметра. Информативность определяется объемом и важностью информации, полезной для решаемой задачи исследования;
- простота измерения или вычисления.
Построение модели черного ящика в статике выполняется посредством последовательного выполнения следующих этапов:
1) выделить исследуемый объект из окружающей среды и записать его название внутри прямоугольника;
2) определить точку зрения на модель и цели моделирования;
3) определить выходные воздействия системы и подобрать параметры, их характеризующие с обязательным указанием единиц измерения;
4) определить возмущающие воздействия (исходят от надсистемы), подобрать параметры, их характеризующие с указанием единиц измерения;
5) определить управляющие воздействия (то, что нужно объекту исследования для получения выходного результата), подобрать параметры, их характеризующие с обязательным указанием единиц измерения.
При построении модели черного ящика в динамике, входные воздействия характеризуют начальное состояние системы, а выходные - конечное состояние системы.
Объект управления с точки зрения теории автоматического управления - это техническое устройство или технологический процесс, способные воспринимать внешние воздействия и реагировать на них изменением своего состояния и поведения [2].
Состояние и поведение объекта управления характеризуется некоторыми физическими величинами и их изменением во времени. Это могут быть температура, скорость, уровень жидкости и т.д. Эти величины могут быть измерены, т.е. в принципе поддаются измерению, прямому или косвенному.
Объект управления способен воспринимать внешние, входные физические воздействия (управляющие и возмущающие) и реагировать на них изменением значений выходных, управляемых величин. В этом состоит причинно- следственная связь воздействий и отклика объекта, т.е. его реакции на воздействия.
Для объекта управления можно указать точки, куда прикладываются внешние воздействия (входы объекта), и точки, где может быть измерена его реакция (выход объекта) на эти воздействия. Выход объекта управления может быть присоединен ко входу другого объекта, также как и воздействия на объект

6 являются выходными величинами других объектов. Например, если в качестве
ОУ взять двигатель постоянного тока с независимым возбуждением, то его схематическое представление как объекта будет иметь вид на рис. 2.
Рис. 2. Двигатели постоянного тока, схематическое представление объекта управления, характеризующей его физической управляемой величиной
(частотой вращения вала) и внешних воздействий на него: управляющей
(напряжение на якоре) и возмущающей физических величин (момент сопротивления на валу)
Объект на функциональной схеме представляется прямоугольником, а воздействия на него и его реакция – стрелками Управляемая величина объекта – физическая величина, характеризующая объект, значение которой требуется в соответствии с задачей управления поддерживать на некотором уровне или менять с течением времени по требуемому закону. Управляемая величина подвержена влиянию управляющей величины и возмущения. Управляемыми величинами могут быть температура в печи, давление в котле, направление и скорость движения автомобиля, и многие другие.
Управляющая величина объекта – физическая величина, действие которой на объект сказывается на значении управляемой величины, и которую система управления может целенаправленно изменять в процессе управления.
Возмущение – физическая величина, сказывающаяся негативно на управляемой величине, отклоняющая последнюю от требуемого ее значения.
Система управления не может влиять на значение возмущения, но может изменением управляющей величины компенсировать в той или иной мере влияние возмущения на управляемую величину.
Задание на практическую работу
В соответствии с вариантом выполнить описание процесса с помощью модели черного ящика.
Варианты 1, 16 – Система автоматизации непрерывного дозирования материалов [1, с. 89-90 (рис. 7.1)].
Варианты 2, 17 – Система автоматизации смешения [1, с. 90-91 (рис. 7.2)].
Варианты 3, 18 – Система автоматизации сушки [1, с. 92-94 (рис. 7.3)].
Варианты 4, 19 – Система автоматизации химико-технологических процессов [1, с. 94-95 (рис. 7.4)].

7
Варианты 5, 20 – Процесс тестоприготовления. Регулирование расходов сыпучих и жидких компонентов, подаваемых дозаторами [1, с. 115-121 (рис.
9.3)].
Варианты 6, 21 – Процесс тестоприготовления. Регулирование
(стабилизации) влажности теста (опары) [1, с. 115-121 (рис. 9.2, а)].
Варианты 7, 22 – Процесс выпечка хлеба. Управление запальными устройствами для розжига печи [1, с. 121-124 (рис. 9.4)].
Варианты 8, 23 – Процесс выпечка хлеба. Регулирование температуры среды в пекарной камере [1, с. 121-124 (рис. 9.4)].
Варианты 9, 24 – Процесс выпечка хлеба. Стабилизация паровлажностного режима в пекарной камере [1, с. 121-124 (рис. 9.4)].
Варианты 10, 25 – Процесс макаронного производства. Регулирование температуры и окончательной влажности воздуха по зонам сушилок [1, с. 124-
127 (рис. 9.5)].
Варианты 11, 26 – Система автоматизации периодического процесса приготовления питательной среды в производстве хлебопекарных дрожжей [1, с.
130-131 (рис. 10.2)].
Варианты 12, 27 – Система автоматизации приемки винограда на заводах первичной переработки сырья [1, с. 198-200 (рис. 13.4)].
Варианты 13, 28 – Система автоматизации мойки в бутыломоечной машине [1, с. 201-203 (рис. 13.6)].
Варианты 14, 29 – Система автоматизации отделения очистки сиропа [1, с. 166-167 (рис. 11.7)].
Варианты 15, 30 – Система автоматизации роспускного отделения [1, с.
164-167 (рис. 11.6)].
Методические указания по выполнению работы
Каждый студент выполняет свой вариант. По результатам работы формируется отчет, содержащий подробное решение задачи.
Работа выполняется на компьютере, с применением программ MS Word.
В результате проведенных исследований должен быть составлен аналитический отчет, который должен содержать следующую информацию:
1.
Основные конструктивные, технологические и технико- эксплуатационные характеристики объекта управления.
2. Модель черного ящика для объекта управления.
Подробный процесс построения черного ящика отображен в приведенном ниже примере.
Пример выполнения задания
Для примера, в качестве объекта исследования рассмотрим процесс приготовления сиропа в варочном котле.
Цель управления процесса сироповарения заключается в обеспечении нагрева содержимого и поддержания высокой температуры в течение нужного

8 времени, а также путем постоянного перемешивания придать однородность массе изготовляемого продукта. В качестве объекта управления при автоматизации процесса приготовления сиропа представлен колероварочный котел СК-П-100.
При разработке функциональной схемы автоматизации особенно важен правильный выбор технологических параметров, подлежащих автоматическому регулированию. Обычно для решения этой задачи исходят из известных логических зависимостей между параметрами, влияющими на процесс, и параметрами, характеризующими ход процесса.
В качестве регулируемых величин следует выбирать параметры, непосредственно влияющие на качество готовой продукции, на весь ход технологического процесса. Это прежде всего величины, от которых в наибольшей степени зависят производительность и экономичность работы агрегата, химические и физические свойства продукта на выходе из него. При выборе регулируемых параметров необходимо учитывать главным образом экономический эффект от внедрения автоматики.
Регулирующее воздействие системы должно обеспечить наиболее полное и быстрое изменение регулируемого параметра в требуемом направлении.
Вместе с тем регулирующее воздействие одной системы по возможности не должно мешать работе соседних систем.
Непрерывно контролируемые технологические параметры должны наиболее полно отражать ход автоматизируемого процесса и состояние технологического оборудования. Эти величины должны, прежде всего, отражать качество готового продукта, производительность оборудования и экономичность процесса. Кроме того, для наблюдения за режимом работы систем автоматического регулирования необходим непрерывный контроль всех регулируемых параметров. При этом установка каждой системы контроля должна быть строго обоснована, так как завышение без особой необходимости числа контрольно–измерительных приборов уменьшает экономическую эффективность от внедрения автоматики.
Выбор технологических переменных, адекватно характеризующие протекание процесса и, соответственно, подлежат контролю и регулированию
(рис. 3)
Котел для варки сиропа
F
пара
T
сиропа
V
сиропа
Т
пара
Рис. 3. Модель «черный ящик» процесса приготовления сиропа в котле

9
Управляющие переменные - расход пара F
пара
Управляемые переменные - температура сиропа Т
сиропа
Возмущающие переменные - температура пара Т
пара
, объем сиропа V
сиропа
Контрольные вопросы и задания
1.
Привести примеры технических объектов и технологий механизации, автоматизации и кибернетизации
2.
Перечислить классификации систем.
Привести примеры детерминированных, стохастических, диффузных, самоорганизующихся систем.
3.
Перечислить и кратко охарактеризовать основные этапы проведения системного исследования. Какие из перечисленных этапов относят к неформализованным, а какие - к формализованным? Почему?
4.
Что такое модель? Для чего это понятие используется при проведении системных исследований?
5.
Какие требования предъявляются к моделям?
6.
Перечислить и кратко охарактеризовать методы моделирования систем.
7.
Какие типы моделей систем выделяют?
8.
Чем отличаются модели черного ящика для статических систем и динамических систем?
9.
Какую модель при проведении системного исследования строят в первую очередь?
10.
Что такое интерфейс системы?
11.
Пояснить, как соотносится интерфейс системы с моделью черного ящика системы.
12.
При решении каких профессиональных задач системный аналитик использует модель черного ящика?
Рекомендуемая литература
1. Автоматика и автоматизация пищевых производств [Текст] : учеб. пособие для вузов / М. М. Благовещенская и др. - Москва : Агропромиздат, 1991.
- 239 с.
2. Ким Д. П. Теория автоматического управления. Т. 1. Линейные системы.
- М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 288 с.

10
Практическая работа №2 на тему «Анализ проблемной ситуации. Построение дерева целей для системы управления»
Цель работы – приобретение практических навыков анализа объекта управления и его особенностей функционирования, существенных для построения дерева целей системы управления.
Краткие теоретические сведения
Метод «дерева целей» широко применяется в разработке стратегических планов компании, личных идей, сложных технических систем. Он позволяет:
- выявить узкие места;
- понять над чем работать в ближайшее время;
- декомпозировать процессы.
Дерево целей представляет собой упорядоченную иерархию целей, характеризующую их соподчиненность и внутренние взаимосвязи. Процесс конкретизации целей от высших уровней к низшим напоминает процесс разрастания дерева (только растет оно сверху вниз). Структура целей изображается в виде ветвящегося рисунка, называемого «деревом целей.
Формулировка целей системы управления должна, как правило [2]:
- начинаться с глагола в повелительном наклонении в неопределенной форме, определять и раскрывать сущность необходимости реализации конкретного действия, (например, увеличить, разработать и т.п.);
- определять желаемый конечный результат в количественном и качественном выражениях и обеспечивать возможность измерения количественных показателей, что необходимо для контроля достижения цели
(«уменьшить количество выпуска бракованной продукции на 10%»);
- указывать на источники и объемы выделяемых ресурсов (например, «за счет реализации автоматического управления температурой» и т.п.);
- целесообразно раскрывать то, что необходимо выполнить.
Примеры формулирования целей:
- повышение эффективности работы пищевого предприятия на 5% за счёт разработки и внедрения автоматизированной системы управления технологическим манипулятором с несколькими степенями свободы на основе имитационной модели;
- обеспечить выпуск консервов в соответствии с техническим регламентов за счет разработки автоматической системы стабилизации заданных параметров автоклава в соответствии запрограммированной формуле стерилизации.
При построении «дерева целей» исходят из следующих положений:
- все «дерево целей» есть не что иное, как единая, но детализированная цель рассматриваемой системы;
- построение дерева целей осуществляется от общей цели к частным
(сверху вниз) в отличие от его анализа, который проводится в обратном направлении;