Решение управленческой задачи методами имитационного моделирования

  Последним шагом в процессе имитационного исследования являются осуществление приобретенных решений и протоколирование имитационной модели и её применения. Ни один из имитационных проектов не считается законченным до того момента, пока  их результаты не будут применены в процессе принятия решений. Успех при реализации во многом зависит от того, как верно разработчик  модели выполнил все предыдущие этапы действий имитационного исследования. В том случае, если разработчик и пользователь работали в  контакте и достигли взаимопонимания при разработке модели и её исследовании, то итоги проекта будут удачно внедряться. А если  они не были во взаимодействии, то, невзирая на элегантность и адекватность имитационной модели, трудно станет сделать эффективные рекомендации.

Вышеназванные этапы имитационного  изучения изредка выполняются в данной последовательности, начиная с определения проблем и заканчивая документированием. В ходе имитационного исследования могут быть  сбои в прогонах модели, ошибки, от которых в предстоящем приходится отказываться, переформулировки целей исследования, повторные оценки и перестройки модели. Этот  процесс позволяет создать имитационную модель, которая дает точную оценку альтернатив и упрощает процесс принятия решения.

В сущности, каждая модель процесса является имитационной, ведь она имитирует  поведение этого процесса во времени. Совместно с тем, в  литературе термин имитационное моделирование предполагает внедрение моделей, воссоздающих логику функционирования объекта, при этом возможны всевозможные методы формализации связи между переменными, так как внедрение всех математических соотношений принципиально не усложняет задачу имитационного изучения. Такое расширение класса моделей сообразно сопоставлению с аналитическими моделями, расписанными в теории динамических систем, помогает  приблизить моделируемый предмет к действительности, не искажая его упрощениями, важными для получения  правильных математических результатов. То же  относится и к моделированию методов управления, которые опять-таки очень приближаются к настоящим.

Для создания имитационных моделей динамических систем на компьютере, включающих предмет с действующими на него возмущениями и различные средства разбора результатов моделирования, изобретены серьезные программные системы. Реализованные в них принципы визуального программирования разрешают пользователю в обычных ситуациях не связываться  с формированием программного кода, собирая"экспериментальную установку" из требуемых блоков методом их соединения на экране монитора средствами графики. Благодаря функциям соединения блоков в подсистемы моделированию подлежат системы фактически любой сложности, включающие не  отдельные управляемые технологические процессы, а также  автоматизированные участки изготовления и даже автоматизированные технологические комплексы в целом. При необходимости применения  блоков, не являющихся стандартными, пользователь может составить свою програму и пополнить библиотеку необходимым ему модулем. Ключевой целью управления технологическими процессами является компенсация возмущающих воздействий, какие традиционно носят случайный характер. Имитация  измерительных помех  такого рода исполняется с внедрением генераторов псевдослучайных чисел и соответственных формирующих фильтров (см. рис.1).

 

 
Рис.1. Блок-схема системы имитационного моделирования

Сeгодня извeстным пaкетом "блoчного модeлирования" являeтся систeма SIMULINK пакета MATLAB. С пoмощью дaнной систeмы мoжно выпoлнять мнoговариантные рaсчеты.  В ходе таких расчетов решаются такие задачи проектирования систем управления, как:

-нaстройка парaметров алгoритмов упрaвления

-анaлиз устoйчивости и грубoсти систeм по отнoшению к неконтролируемым параметрическим и структурным изменениям объекта, возмущений

-оцeнка инжeнерных покaзателей кaчества упрaвления для рaзных вaриантов оргaнизации кoнтроля прoцесса.

Большое значение имеет и  то, что решение этих моментов методами имитационного моделирования доступно специалистам средней квалификации.

Являясь инструментом для  настройки, а также оценки   свойств систем управления фактически любого уровня сложности в условиях , очень приближенных к действительности, имитационное моделирование само не решает, но, главнейшую для инженера задачу разработки структуры метода управления - способами имитационного моделирования только проверяются, и на базе эвристики и эксперимента уточняются и развиваются принятые каким-то образом алгоритмические решения. Для принятия таковых базовых начальных решений имеют все шансы оказаться очень полезными способы современной теории управления. Прeдстaвляется, что общей идейной платформой внедрения теории управления для решения практических задач может быть теория возмущений. Ее сущность состоит в последующем.  Сначала рассматривается базовая упрощенная постановка задачи. Неимение учета фактически принципиальных, однако не очень принципиальных условий дозволяет использовaть для решeния данной порождающей задачи известные методы теории управления. Потом приобретенное базовое решение модифицируется с учетом изначало неучтенных необыкновенностей настоящей задачки на базе предыдущего oпыта и с широким внедрением имитационного моделирования для испытания инженерных решений.

Можно конкретизировать эту идею в нескольких направлениях:

-слабонелинейные системы ( упрощенная модель линейная, и задача управления решается известными методами теории линейных систем управления; после чего корректируется учитывая нелинейности)

-слабовозмущенные системы (в задаче считается, что возмущения отсутствуют, в таком случае можно использовать   известные методы программного управления; на втором этапе система верхнего уровня, вырабатывающая оптимальную программу или режимные уставки, дополняется системой с обратной связью по отклонениям от предписанного верхним уровнем движения  либо неизменного  режима, стабилизирующей процесс в условиях сравнительно слабых возмущений)

-слабодинамические системы ( для устойчивых динамических объектов весовая функция стремится к нулю при стремлении аргумента к бесконечности, это значит, что хоть значения выходных переменных в некоторый момент времени зависят от всех ранее выданных управляющих воздействий, эта зависимость ослабевает по мере удаления управлений в прошлое;

-слабоуправляемые  системы (для производственных  систем, которые состоящих из  ряда технологических процессов, возникает задача совместного выбора управляющих воздействий исходя из одного или нескольких критериев, которые характеризуют технико-экономические показатели производства в целом; часть из этих управляющих воздействий составляют расходы материалов в единицу времени, другую часть составляют  режимные параметры.

Метод имитационного моделирования  позволяет решать задачи высокой  сложности, обеспечивает имитацию сложных  и многообразных процессов, с  большим количеством элементов. Отдельные функциональные зависимости в таких моделях могут описываться громоздкими математическими соотношениями. Поэтому имитационное моделирование эффективно используется в задачах исследования систем со сложной структурой с целью решения конкретных проблем.

Имитационная модель содержит элементы непрерывного и дискретного действия, поэтому применяется для исследования динамических систем, когда требуется анализ узких мест, исследование динамики функционирования, когда желательно наблюдать на имитационной модели ход процесса в течение определенного времени.

Имитационное моделирование  – эффективный аппарат исследования стохастических систем, когда исследуемая система может быть подвержена влиянию многочисленных случайных факторов сложной природы. Имеется возможность проводить исследование в условиях неопределенности, при неполных и неточных данных.

Имитационное моделирование  является важным фактором в системах поддержки принятия решений, т.к. позволяет исследовать большое число альтернатив (вариантов решений), проигрывать различные сценарии при любых входных данных. Главное преимущество имитационного моделирования состоит в том, что исследователь для проверки новых стратегий и принятия решений, при изучении возможных ситуаций, всегда может получить ответ на вопрос “Что будет, если? ...”. Имитационная модель позволяет прогнозировать, когда речь идет о проектируемой системе или исследуются процессы развития (т.е. в тех случаях, когда реальной системы еще не существует).

В имитационной модели может  быть обеспечен различный, в том  числе и высокий, уровень детализации моделируемых процессов. При этом модель создается поэтапно, эволюционно.

Определим метод имитационного моделирования в общем виде как экспериментальный метод исследования реальной системы по ее имитационной модели, который сочетает особенности экспериментального подхода и специфические условия использования вычислительной техники.

В этом определении подчеркивается, что имитационное моделирование является машинным методом моделирования благодаря развитию информационных технологий, что привело к появлению этого вида компьютерного моделирования. В определении также акцентируется внимание на экспериментальной природе имитации, применяется имитационный метод исследования (осуществляется эксперимент с моделью). В имитационном моделировании важную роль играет не только проведение, но и планирование эксперимента на модели. Однако это определение не проясняет, что собой представляет сама имитационная модель. Ответим на вопрос, в чем же состоит сущность имитационного моделирования?

В процессе имитационного моделирования исследователь имеет дело с четырьмя основными элементами:

<!--[if !supportLists]-->·  <!--[endif]-->реальная система; 

<!--[if !supportLists]-->·  <!--[endif]-->логико-математическая модель  моделируемого объекта; 

<!--[if !supportLists]-->· <!--[endif]-->имитационная (машинная) модель;

<!--[if !supportLists]-->·  <!--[endif]-->ЭВМ, на которой осуществляется  имитация – направленный

вычислительный  эксперимент.

Исследователь изучает реальную систему, разрабатывает  логико-математическую модель реальной системы. Имитационный характер исследования предполагает наличие логико - или логико-математических моделей, описываемых изучаемый процесс.

Выше, реальная система определялась как совокупность взаимодействующих элементов, функционирующих во времени.

Составной характер сложной системы описывает представление  ее модели в виде трех множеств:

< A, S, T >, где

А – множество элементов (в их число включается и внешняя среда);

S – множество допустимых связей между элементами (структура модели);

Т – множество рассматриваемых моментов времени.

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

Особенностью  имитационного моделирования является то, что имитационная модель позволяет воспроизводить моделируемые объекты:

<!--[if !supportLists]-->- <!--[endif]-->с сохранением их логической структуры;

<!--[if !supportLists]-->- <!--[endif]-->с сохранением поведенческих  свойств (последовательности чередования во времени событий, происходящих в системе), т.е. динамики взаимодействий.

При имитационном моделировании  структура моделируемой системы адекватно отображается в модели, а процессы ее функционирования проигрываются (имитируются) на построенной модели. Поэтому построение имитационной модели заключается в описании структуры и процессов функционирования моделируемого объекта или системы. В описании имитационной модели выделяют две составляющие:

<!--[if !supportLists]-->·  <!--[endif]-->статическое описание системы, которое по-существу является описанием ее структуры. При разработке имитационной модели необходимо применять структурный анализ моделируемых процессов.

<!--[if !supportLists]-->·  <!--[endif]-->динамическое описание системы, или описание динамики взаимодействий ее элементов. При его составлении фактически требуется построение функциональной модели моделируемых динамических процессов.

Идея метода, с точки  зрения его программной реализации, состоит в следующем. Что, если элементам  системы поставить в соответствие некоторые программные компоненты, а состояния этих элементов описывать  с помощью переменных состояния. Элементы, по определению, взаимодействуют (или обмениваются информацией), значит, может быть реализован алгоритм функционирования отдельных элементов, т.е., моделирующий алгоритм. Кроме того, элементы существуют во времени, значит надо задать алгоритм изменения переменных состояний. Динамика в имитационных моделях реализуется с помощью механизма продвижения модельного времени.

Отличительной особенностью метода имитационного моделирования  является возможность описания и  воспроизведения взаимодействия между  различными элементами системы. Таким  образом, чтобы составить имитационную модель, надо:

<!--[if !supportLists]-->- <!--[endif]-->представить реальную систему (процесс), как совокупность взаимодействующих элементов;

<!--[if !supportLists]-->- <!--[endif]-->алгоритмически описать  функционирование отдельных элементов;

<!--[if !supportLists]-->- <!--[endif]-->описать процесс взаимодействия различных элементов между собой и с внешней средой.

Ключевым моментом в имитационном моделировании является выделение  и описание состояний системы. Система характеризуется набором переменных состояний, каждая комбинация которых описывает конкретное состояние. Следовательно, путем изменения значений этих переменных можно имитировать переход системы из одного состояния в другое. Таким образом, имитационное моделирование – это представление динамического поведения системы посредством продвижения ее от одного состояния к другому в соответствии с определенными правилами. Эти изменения состояний могут происходить либо непрерывно, либо в дискретные моменты времени. Имитационное моделирование есть динамическое отражение изменений состояния системы с течением времени.