Труды КНЦ вып.3 (ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ вып.1 3/2010(3))

Минин мучных ЛОДИ 2111 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ: МЕТОДЫ И ОПЫТ М.В. Мальков, А.Г. Олейник, А.М. Федоров Настоящая работа носит обзорный характер. В ней представлены общие подходы к моделированию технологических процессов, рассмотрены этапы создания математических моделей и компьютерное моделирование технологических процессов. Приведены примеры работ, выполняемых Институтом информатики и математического моделирования технологических процессов КНЦ РАН в данном направлении. Основу современных производств составляют технологические системы, имеющие сложную структурно-функциональную организацию. Как правило, объектом управления в этих системах являются конкретные технологические процессы. Если абстрагироваться от конкретного типа и вида технологического процесса, то любой технологический процесс можно представить в виде множества действий, условий и связей. Вообще говоря, любое производство состоит из стадий (этапов), на каждой из которых производится определенное воздействие на материальные потоки и превращение энергии. Последовательность стадий обычно описывается с помощью технологической схемы, каждый элемент которой соответствует определенному технологическому процессу. Соединения между элементами технологической схемы отражают материальные и энергетические потоки, протекающие в системе [1]. Система характеризуется алгоритмом функционирования, направленным на достижение определенной цели. С позиций системного подхода, технологический процесс - это сложная динамическая система, в рамках которой взаимодействуют: оборудование, средства контроля и управления, вспомогательные и транспортные устройства, обрабатывающий инструмент или среды, находящиеся в постоянном движении и изменении, объекты производства, люди осуществляющие процесс и управляющие им. С целью анализа сложный технологический процесс можно разделить на подсистемы различных уровней. Декомпозиция системы на подсистемы позволяет вскрыть иерархию структуры и рассматривать систему на разных уровнях ее детализации. Работа не с самим объектом (явлением, процессом), а с его моделью во многих случаях дает возможность относительно быстро и без существенных материальных затрат исследовать его свойства и поведение в любых ситуациях. Математическое моделирование в данной области - это процесс создания абстрактной модели в виде формального описания объекта исследований на «математическом языке» и оперирование этой моделью с целью получения необходимых сведений о реальном или проектируемом технологическом объекте. В зависимости от уровня знаний об объекте исследований построение моделей может осуществляться на основе различных принципов и методик: фундаментальных законов природы, вариационных методов, аналогий, иерархических цепочек и др. Довольно часто построение модели, позволяющей получить практически значимые результаты, требует комплексного использования различных методов моделирования. Обязательным этапом моделирования является оценка адекватности модели - соответствие сконструированного формального описания реальному объекту и сформулированным предположениям с учетом целей исследования. Модель изучается всеми доступными методами в интересах достижения поставленной цели. В теории управления создаются и применяются математические модели двух основных типов (хотя в различных разделах теории эти типы определяются по-разному). Первый тип моделей - аналитические модели (феноменологические или модели данных). Эти модели не требуют, не используют и не отображают каких-либо гипотез о физических процессах, в которых эти данные получены. Второй тип - системные модели (или модели систем). Это математические модели, которые строятся в основном на базе физических законов и гипотез о том, как система структурирована и, возможно, о том, как она функционирует [10]. В классическом понимании к моделям данных относятся все модели математической статистики. Однако именно системные модели допускают возможность работы в разнообразных системах реального времени (операторские, инженерные, биомедицинские интерфейсы, разнообразные системы диагностики и т.д.). Поэтому можно ожидать, что именно системные модели составят ядро современного этапа в развитии математического моделирования, хотя в настоящее время во многих приложениях используются и типичные модели данных [ 10 ]. Каждый из двух отмеченных выше типов моделей имеет свои традиционные области применения. В практике управления отдельными технологическими процессами широко используются феноменологические модели. Простые по структуре, такие модели (обычно при числе переменных менее 10 ) достаточно хорошо отражают истинное поведение объекта в окрестности отдельных режимов работы. В задачах управления, где цель управления часто состоит в компенсации возмущающих воздействий, уводящих процесс от желаемой рабочей точки, это вполне допустимо [ 10 ]. Во многих задачах принципиально применимы только системные модели. 93