Symulacja komputerowa w analizie i projektowaniu złożonych systemów sterowania

Ewa Niewiadomska-Szynkiewicz

Abstract

This monograph is concerned with computational research for complex systems. It presents a summary of the authors experience with the development of methods for optimisation, control and simulation of real-life large scale systems. The principal objective is to present basic ideas related to computer-based anaslysis and design of complex systemswhich provide a precise tool enabling us to investigate the system. The second is the application of parallel techniques to simulation and optimisation. The current trends and needs in complex systems optimisation and control are discussed.The first two chapters present an overview of basic concepts and issues related to control structures and decision mechanism. Attention is focused on hierarchical methods with iterative and periodic coordination. Sequential and parallel versions of two basic representatives of hierachical optimisation techniques - Direct Method and Price Method are described. Simulation results of the application of the Price Method to portfolio selection are discussed. The second group mof methods concidered are stochastic search optimisation techniques. A review is made on stochastic alorithms that optimise the performance of complex systems by using simulation to evaluate the objective value.The focus is set on algorithms designed to search the global minimum (maximus). The main objective is to present the advantages and disadvantages of the approaches considered based on numerical results for two real-life problems; price optimisation and calculation of coordinating parameters for reservoir operators at times of flood. The program GOOL (Global Object-oriented Optimisation Library) consisting of a graphical software environment for optimisation process visualisation and a library of methods, is presented in Appendix. Simulations are experiments performed with a mathematical model over time. Because of the complexity of the systems taken into consideration, simulations require significant execution time. Other problems addressed in this monograph are concerned with the implementation of parallel and distributed simulation and the design of software environments which provide a framework for simulation experiments performed on parallel computers and computers networks. Different simulation techniques, including conservative and optimistic protocols for calculation process synchronization are reviewed. Particular attention is paid to the effectiveness of the proposed mechanisms. A comparative study performed for two practical applications- an assembly line and computere network - is discussed. the investigations in the field of parallel and distributed simulation led to the general purpose software environment for asynchronous parallel simulation: CSA&S/PV (Complex Systems Analysis & Simulation?Parallel Version). The system functionality together with several case studies results are described. The author`s own experience, gained by designing and testing decision mechanisms for complex real-life systems, led to a generalisation and formalisation which is described in this work. Based on the methodology of systems analysis the author formulated the methodology of computer-based analysis and design of control structures and decision mechanisms for complex systems. Computer simulation plays the major role in this approach. Computer-based analysis allows the complexity of phenomena in a real system , system-environment interactions and its mathematical model to coped with. The proposed methodology was verified via the development of methods for controlling the upper Vistula and Dunajec river-basin reservoir systems during flood period. Three types of control systems based on on-line forecasting and optimisation have been developed and investigated: centralized, decentralized, hierarchical. Particular attention was focused on a hierchical control structure with periodic coordination. The benefits of developing sophisticated control structures with respect to quality of inflow forecasting available and delays involved in data transmission and computation time were considered. The whole proces of control structures and algorithms development is described in this work. An open architecture software package FC-MWS (Flood Control Multireservoir Water Systems) for computer-based analysis and design of control structures and decision mechanisms for flood operation in multireservoir systems is presented in the final of the last chapter.
Book typeMonograph
Author Ewa Niewiadomska-Szynkiewicz (FEIT / AK)
Ewa Niewiadomska-Szynkiewicz,,
- The Institute of Control and Computation Engineering
Publisher name (outside publisher list) Oficyna Wydawnicza PW
Publishing place (Publisher address)Warszawa
Issue year2005
Book series /Journal (in case of Journal special issue)Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Elektronika, ISSN 0137-2343
Volz. 150
Pages172
Publication size in sheets0.5
Keywords in Polishsterowanie systemów, symulacje komputerowe
Keywords in Englishcomputer simulations, complex systems
Abstract in PolishEksperyment symulacyjny wykonywany za pomocą komputera stanowi obecnie jedno z podstawowych narzędzi wykorzystywanych we wszystkich dziedzinach nauki. Rozwój technik symulacyjnych jest wynikiem upowszechnienia sie i ogromnego postępu w dziedzinie sprzętu obliczeniowego i oprogramowania oraz rosnących potrzeb aplikacyjnych stawianych przez badaczy, inżynierów , ekonomistów, itd. Symulacja obejmuje bardzo szeroka game problemów, począwszy od modelowania, przez optymalizację po systemy wspomagania decyzji i specjalizowane oprogramowanie. Jest to wyraźnie widoczne, gdy przeglądamy literaturę poświęconą tej tematyce. prace różnych autorów dotyczą zazwyczaj wybranych zagadnień i koncentruja się na pewnych problemach. Wiele z nich poświęconych jest modelowaniu i komputerowej realizacji modeli systemów z wybranych dziedzin. Omawiane sa metody projektowania i rozwiązywania modeli - ich graficzne reprezentacje, techniki identyfikacji i oceny wrażliwości, metody numeryczne.Uwaga zwrócona jest na zasady projektowania eksperymentu i metody weryfikacji wyników. znaczna część pozycji literaturowych dotycz projektowanai układów sterowania, których zadaniem jest wyznaczanie decyzji gwarantujących pożadane działanie systemu w warunkach ciągłych zmian zachodzących w jego otoczeniu. Symulacja jest jednym z podstawowych narzędzi wykorzystywanych przy ich budowie, szczególnie gdy mamy do czynienia z problemami złożonymi, inmspirowanymi rzeczywistościa, których nie można rozwiązać stosując metody formalne. potwierdzają to m.in. wypowiedzi przedstawicieli różnych ośrodków naukoeych w kraju, zebrane w opracowaniu [46] pod redakcją W. Findeisena: "W świetle odpowiedzi respondentów i naszym własnym przekonaniu nie ulega wątpliwości, że w rozwiązaniu konkretnych problemów w dziedzinie automatyki i technik informacyjno-decyzyjnych coraz więcej miejsca zajmują metody komputerow i symulacyjne."Za istotny trend rozwojowy w dziedzinie sterowania złożonymi systemami należy uznać rozwój metod decyzyjnych wykorzystujących modele procesów, gdzie wielkości sterujące są wyznaczane przez poprzez wykonanie eksperymentu symulacyjnego. Tego typu podejście, zwane często układem symulator-optymalizator, wymaga stosowania skutecznych i odpornych metod optymalizacji. W większości przypadków są to proste techniki działające sposobem tzw. "brutalnej siły" lub bardziej finezyjnie rozwiązania polegające na imitacji pewnych zjawisk zachodzących w rzeczywistych systemach biologicznych, chemicznych, fizycznych i in. Ostatnio obserwuje się intensywne wykorzystanie symulacji komputerowej do tworzenia nowych algorytmów numerycznych rozwiązujących trudne, źle uwarunkowane zadania. Osobnym zagadnieniem jest realizacja symulatorów i eksperymentu symulacyjnego w komputerze. Od wielu lat rozwijane są specjalizowane jezyki symulacyjne, pakiety oprogramowania i środowiska do badań. Niniejsza praca nie obejmuje oczywiście całego spektrum zagadnień dotyczących symulacji komputerowej. Uwaga autorki koncentruje sie na układach sterowania złożonymi systemami fizycznymi oraz na metodach ich projektowania i weryfikacji. Eksperyment symulacyjny wykonywany w komputerze jest tu postrzegany jako podstawowe narzędzie wspomagajace proces projektowania oraz/lub element składowy zaprojektowanego przeznaczonego do wdrozenia układu sterowania. W prezentowanym ujeciu system złożony to taki, który składa się z wielu powiazanych wzajemnie podsystemów, wyposażonych w lokalne jednostki zarzadzające. Główna ideą, która przyswiecała autorce było opracowanie jednolitej metodyki projektowania i analizy układów sterowania dla złożonych systemów i jej praktyczne zastosowanie do rozwiazania przykładowych zadań. Sformułowanie zaleceń dla projektanta poprzedziły rozdziały poswięcone omówieniu struktur sterowania i mechanizmów decyzyjnych oraz sposobów ich realizacji komputerowej. Rozdział pierwszy stanowi wprowadzenie w obszar rozważanych zagadnień. Złożoność problematyki jest sygnalizowana przy okazji omawiania wybranych systemów fizycznych reprezentujacych różne dziedziny. Rozważane są struktury sterowania z decydentem centralnym oraz takie, w których podsystemy znajduja sie pod kontrolą wielu równoległych jednostek decyzyjnych. Szczególna uwaga poświecona jest układom hierarchicznym i metodom koordynacji. Metody symulacji, sposoby jej realizacji w sieci maszyn lub w maszynach wieloprocesorowych oraz srodowiska oprogramowania do symulacji stanowią przedmiot rozważań prowadzonych w roździałach drugim i trzecim. Przedstawiono ujednolicony opis symulatorów systemów ciągłych, dyskretnych i zdarzeń dyskretnych, omówiono etapy tworzenia modeli symulacyjnych. Uwaga została skupiona na technikach rozproszenia eksperymentu symulacyjnego. W roździale czwartym, odwołując się do idei analizy systemowej, autorka przedstawia proponowana przez siebie metodykę projektowania układów sterowania złożonymi systemami. Rozdiał szósty ilustruje zastosowanie proponowanej metodyki projektowej do rozwiazania praktycznego problemu. Rozważane jest zadanie sterowania systemem kilku zbiorników retencyjnych w czasie powodzi. Rozdział kończy prezentacja środowiska do badań symulacyjnych. Drugim obszarem, w którym autorka prowadzi intensywne prace badawcze są sekwencyjne i rozproszone systemy oprogramowania do wykonywania eksperymentów symulacyjnych. Rezultatem tych prac są specjalizowane pakiety do symulacji dedykowane konkretnym zastosowaniom oraz uniwersalne środowiska do badań różnych systemów fizycznych. Pierwsze wersje tych narzędzi były wykonane przez autorkę, następnie pod jej kierunkiem, przez zespoły badawcze złożone z pracowników, doktorantów i studentów Instytutu Automatyki i Informatyki Stosowanej PW. W rozdziale piątym przedstawiono jedną z wykonanych aplikacji - heterogeniczbne, sekwencyjne i równoległe środowiska komputerowe do symulacji złożonych systemów CSA&S (Complex Systems Analysis % Simulation). Dodatki A iB są poświęcone technikom stochastycznego poszukiwania i optymalizacji do rozwiązywania zadań , w których wskaźniki oceniające działanie systemu są wyznaczane na podstawie eksperymentu symulacyjnego. W dodatku A prezentowane są różne podejścia, od klasycznych technik gradientu stochastycznego, po metody wykorzystujące heurystyki. Na zakończenie przedstawiony jest opis dwóch, wykonanych przez autorkę, aplikacji pokazujących zastosowanie układu symulacja-optymalizacja do podejmowania decyzji w fizycznych systemach. W dodatku B omówiono biblioteke metod optymalizacji globalnej z graficznym środowiskiem do badania efektywności tych metod - GOOL (Global Object-oriented Optimization Library) wykonaną pod kierunkiem autorki. Pracę kończy rozdział podsumowujący prezentowane wyniki oraz propozycje dalszych badań w dziedzinie symulacji komputerowej i dedykowanych jej systemów informatycznych
URL http://yadda.icm.edu.pl/yadda/element/bwmeta1.element.baztech-article-PWA6-0019-0004
Languagepl polski
Score (nominal)12
Citation count*1 (2015-09-26)
Cite
Share Share

Get link to the record


* presented citation count is obtained through Internet information analysis and it is close to the number calculated by the Publish or Perish system.
Back
Confirmation
Are you sure?