Анализ динамической устойчивости управления промышленным производством в кризисных ситуациях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат наук Аунг Мьё Тху

• Аунг Мьё Тху
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Аунг Мьё Тху

СОДЕРЖАНИЕ

Глава I. Анализ функционирования промышленного производства и общая постановка задачи оптимального управления в кризисных

ситуациях.............................................................................................................4

1.1. Введение.....................................................................................................4

. 1.2. Анализ функционирования систем управления промышленным

производством в кризисных ситуациях....................................................9

1.2. ¡.Анализ функционирования систем управления в горнодобываемой промышленности...........................................................................................9

1.2.2.Анализ работы системы обогащения алмазоносной руды..............10

1.2.3.Анализ промышленного производства авиационной техники в кризисных сутуациях...................................................................................17

1.3.Обзор известных методов анализа динамики производства и синтеза

технико-экономических систем.....................................................................19

1.3.1.Обзор известных методов экономической кибернетики с использованием динамических моделей промышленного производства.. 19

1.3.2.Динамическое программирование......................................................39

1.3.3. Аналитическое конструирование оптимальных регуляторов (АКОР)............................................................................................51

1.4.Общая постановка задачи.........................................................................55

1.5.Выводы по главе 1.....................................................................................59

Глава II. Синтез оптимального управления промышленным

производством в кризисных ситуациях без учета совершенствования его

технологии.........................................................................................................60

2.1. Формирование мультипликативного параметрического критерия

эффективности управления производством..................................................60

1

2.2.Выбор постоянного управления производством, оптимального в смысле предложенного критерия, при переменной рентабельности предприятия.. 62

2.3.Синтез субоптимального управления производственным звеном с помощью метода АКОР..................................................................................73

2.4.Уточнение кусочно-постоянного управления с помощью моделирования системы в среде ММаЬ........................................................77

2.5.Построение фазовой траектории системы в случае положительной и отрицательной средней рентабельности.......................................................80

2.6. Выводы по главе II...................................................................................82

Глава III. Синтез оптимального управления промышленным производством в кризисных ситуациях при использовании технологического звена...................................................................................84

3.1. Формирование математической модели технологического звена........84

3.2. Общая динамическая модель промышленного производства в кризисных ситуациях......................................................................................87

3.3. Выбор кусочно-постоянного управления технологическим звеном при переменной рентабельности предприятия....................................................89

3.4. Выводы по главе III.................................................................................93

Глава IV. Анализ динамической устойчивости промышленного производства в кризисных ситуациях..........................................................94

4.1.Исследование метода Ляпунова применительно к нелинейной динамике

управления производством............................................................................94

4.2.Оценка возможности применения функции Беллмана для анализа

динамической устойчивости оптимальной системы управления................97

4.3. Анализ устойчивости производства на различных участках оптимального управления..............................................................................99

4.4.Построение фазовых траекторий для различных динамических показателей технологического звена в случаях положительной и отрицательной средней рентабельности предприятия...............................102

4.5. Выводы по главе IV...............................................................................105

Заключение.....................................................................................................106

Список литературы.......................................................................................108

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ динамической устойчивости управления промышленным производством в кризисных ситуациях»

Глава I. Анализ функционирования промышленного производства и общая постановка задачи оптимального управления в кризисных ситуациях 1.1. Введение

Существующий мировой кризис в экономике и производстве и неспособность справиться с ним, а тем более предусмотреть его, является ярким свидетельством отсутствия научно-обоснованных методов управления, обеспечивающих устойчивость технико-экономических процессов в целом.[1-3,13-15]

Внешними, объективными причинами кризисных ситуаций является нехватка сырья, рынков сбыта, финансов на расширение и перепрофилирование производства, болезненное сокращение производства и, как следствие, безработица.

Внутренними, субъективными причинами являются стихийные, рыночные методы управления, диктуемые частными интересами, и недостатки существующих методов централизованного государственного управления технико-экономическими процессами.

Рассматриваемые процессы настолько сложны, что по ряду причин на них невозможно механически перенести известные методы оптимизации , динамических систем. Такими причинами являются:

- прежде чем перейти к оптимальному синтезу, необходимо сформировать, во-первых, адекватную математическую модель динамической системы, в том числе процесс совершенствования продукции через трудно формализуемый показатель «качества на единицу затрат», что в настоящее время неизвестно. Во-вторых, неизвестным является формализованное описание интегрального функционала эффективности, являющегося критерием. Иными словами нужно найти в результате предстоящих исследований математическое описание задачи в своей постановке, при этом основную трудность

составляет совмещение технических и экономических показателей в единой свертке;

- в теории оптимального управления техническими объектами наиболее известными являются результаты непрерывного управления, в то время как в рассматриваемом случае принятие решений носит, как правило, альтернативный или директивный характер (сокращение производства, необходимость повышения качества продукции, повышение цены, снижение прибыли);

- наиболее разработанным является анализ устойчивости линейных динамических систем, а ограничения по запасам сырья, числу потребителей, затраты на производство и проектирование новой продукции требуют новых подходов в нелинейной постановке. В отличие от известных методов в экономике в данном проекте предлагается искать управление производством и финансовыми ресурсами по вектору текущего состояния всех координат технико-экономической системы в целом. В свою очередь это требует выбора критериальных компонент, адекватно оценивающих эффективность достижения устойчивого существования в кризисных ситуациях.

Все это осложняет решение поставленной задачи, и этим обусловлена актуальность работы.

Основное положение предлагаемого подхода состоит в том, что объектом исследования являются процессы производства, и сбыта на продукции, объединенные в единую нелинейную динамическую модель. Анализ устойчивости таких систем невозможен с помощью критериев Гурвица, Найквиста и др., используемых только для линейных систем. Поэтому предлагается использовать наиболее универсальный метод Ляпунова, в котором роль функции Ляпунова будет выполнять функция Беллмана, если будет обеспечено оптимальное управление в кризисных ситуациях. [4-5,25-32]

В основу современного подхода к управлению в экономике и производстве выделяются подходы, связанные с применением динамических звеньев, используемых в теории автоматического регулирования. Первые

попытки моделирования экономических процессов были сделаны в работах Фриша и Калецкого, при этом согласно этой теории основная дилемма капиталистической системы - рост и неустойчивость, либо устойчивость и застой. К.А. Багриновским исследовались также динамические модели управления экономическими системами, при этом уделялось внимание времени запаздывания инерционных звеньев в экономических процессах

Несмотря на это, практического применения эти методы пока не нашли, что объясняется использованием в моделях характеристик, не применяемых в экономической практике, а в основном - отсутствием общей методологии построения структурных динамических схем и, главное, отсутствием методов синтеза оптимального управления по различным критерием. [ 16-21 ]

В последнее время Царьков В.А. впервые обратил внимание на фундаментальное свойство присутствия в экономических системах положительных обратных связей как главной причины неустойчивости развития производства. Однако в настоящее время нет ни одной работы, посвященной анализу условий динамической устойчивости, для чего необходима теория оптимального управления, а эти результаты также отсутствуют. [33]

Целью данной работы является повышение динамической устойчивости развития производства при его переменной рентабельности за счет оптимального управления производственного и технологического звеньев предприятия. Для достижения этой цели в работе осуществлена попытка перенести основные идеи автоматического управления в сферу промышленного производства, для чего предложены динамические модели производственного и технологического звена и нелинейная свертка терминального критерия эффективности производства, что позволяет поставить и решить задачу оптимизации в обычной постановке задачи.

Очевидно, что возможно лишь поэтапное решение столь сложной задачи, и основной замысел состоит в известном расщеплении процесса на коротко и длинно-периодическое движение - сначала синтезируется процесс управления производственным звеном, затем - технологическим звеном, и

далее рассматривается наиболее медленный процесс изменения рентабельности как источник внешних возмущений. В данной работе проводится исследование на первом этапе управления производственным звеном.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- терминальный параметрический критерии технико-экономической эффективности управления производством, учитывающий в свертке как достигнутую производственную мощность, так и накопленную прибыль к концу заданного периода;

- постановка и субоптимальное решение задачи синтеза управления производственным звеном при переменной рентабельности предприятия;

- динамическая модель технологического звена и выбор способа управления им с помощью моделирования на ЭВМ;

- анализ динамической устойчивости развития промышленного производства в кризисных ситуациях при использовании найденных способов управления производственным и технологическим звеньями предприятия.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

- предложенный критерий эффективности управления имеет вид взвешенной суммы линейной и мультипликативной сверток координат состояния системы, подчеркивающий необходимость баланса технических и экономических показателей предприятия;

- найдено новое субоптимальное управление производственным звеном с помощью аналитического конструирования оптимальных регуляторов при использовании функции Беллмана в виде степенного полинома не второго, а третьего порядка;

- показано, что наиболее эффективным является кусочно-постоянное управление производственным звеном в трех случаях - расширения производства без отчисления прибыли, простого воспроизводства с отчислением прибыли в благоприятный период, убыточного производства при расходовании накопленной прибыли;

- предложена новая математическая модель технологического звена, влияющего на скорость производства, повышение которой связано с дополнительными затратами на технологическую оснастку. В эту модель, описываемую двумя дифференциальными уравнениями первого порядка, управление входит мультипликативно;

- доказано, что без совершенствования технологии изготовления продукции с целью повышения скорости её производства сохранение в среднем дохода предприятия невозможно в кризисных ситуациях. При этом управление технологическим звеном также является кусочно-постоянным;

- установлено, что для анализа динамической устойчивости развития промышленного производства удается использовать функцию Беллмана, найденную при синтезе оптимального управления. Кроме того, при оценке работы производственного и технологического звена впервые используются фазовые траектории, наглядно отображающие условия сохранения эффективности производства при переменной рентабельности.

Практическая ценность работы определяется тем, что найденные способы кусочно-постоянного управления производственным и технологическим звеном предприятия являются эффективной мерой снижения негативного влияния переменной рентабельности в кризисных ситуациях при постоянном спросе на продукцию. Кроме того, предложенный подход был использован в учебном процессе Кафедры 301 МАИ при магистерской подготовке по курсу «Современные работы теории управления» в лекциях и лабораторной работе «Система оптимального управления промышленным производством», что подтверждено актом о внедрении.

Достоверность полученных результатов подтверждается

использованием научно-обоснованных методов теории оптимального управления - динамического программирования и аналитического конструирования оптимальных регуляторов, а также результатами моделирования на ЭВМ работы производственного и технологического

звена, определившими область устойчивого развития промышленного производства.

В результате выполнения диссертации ожидается более полное проникновение современных достижений теории управления в решение задачи обеспечения устойчивости бескризисного производства, как важнейшего фактора технического прогресса.

1.2. Анализ функционирования систем управления промышленным производством в кризисных ситуациях 1.2.1. Анализ функционирования систем управления в горнодобываемой промышленности

Рассмотрим ряд факторов, влияющих на переменность рентабельности предприятия на примере Николаевского рудника.

Производственные показатели этого рудника таковы. Количество добытой руды в 2011г. составило 580 тысяч тонн, в которой в среднем обнаружено 0,86% меди, 3,63% цинка, 0,55% свинца, 31,65 грамм/тонну серебра и 0,43 г/ч - золота.

Кроме самой добычи, поднятая руда подвергается технологическим операциям обогащения и выплавки металла, в результате чего металлургия на выходе имеет катодную медь, цинк, свинец, серебро и золото. Сразу нужно отметить, что процент получаемой продукции в виде металла является переменной величиной, зависящей от исходного качества руды, и если осуществляется переход от иссякаемой по качеству штольни к новым разработкам, г0 меняется как качество в сторону его улучшения, так и время производственного цикла, которое поначалу увеличивается.

Если анализировать затраты, то в 2011г. затраты на добычу составили 41,4 t миллионов $, на переработку - 24,3 миллиона $, на металлургию - 2,2 млн $, на само управление - 410 тыс $ , на социальные нужды - 270 тыс $, на НИОКР, включая совершенствование технологии производства - 23 млн $.

Это значит, что из всех перечисленных затрат часть из них -также может быть переменная, в первую очередь - затраты на добычу и переработку, ввиду различной скорости выполнения этих операций по ряду причин. [9-11]

В подтверждение этому в число показателей входят убытки от предыдущих лет в размере 1,8 млн $, которые является временным явлением, т.к. в целом сам рудник является прибыльным предприятием. Иными словами, в некоторых случаях появлялись дополнительные затраты, если возникали аварии, устанавливалось дополнительное оборудование (в том числе для контроля безопасности работы), а в других случаях - снижался выход продаваемой продукции без изменения её цены.

Отдельным фактором, который может измениться, является цена на различные металлы. Но считая для горнодобывающих предприятий неизменным спрос, можно с большой долей уверенности считать цены неизменными.

Поэтому открытым остался вопрос, с какой периодичностью происходят изменения качества руды и дополнительных затраты во внештатных ситуациях.

Можно приближенно считать, что аварийные ситуации, связанные с длительной остановкой предприятия, происходят раз в 20+30 лет, а независимые от этого природные изменения - раз в 10 + 15 лет. При этом рентабельность предприятия то будет возрастать при повышении качества руды, то падать из - за дополнительных затрат. Средний период этих колебаний Т0 можно задать величиной 15 н-20 лет.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Аунг Мьё Тху

Заключение

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Сформулирована математическая постановка задачи оптимального управления промышленным производством при переменной рентабельности. Показано, что в динамическую модель предприятия управление входит мультипликативно в виде множителей в положительных обратных связях, что требует новых подходов в решении задачи.

2. Сформирован терминальный критерий эффективности управления производством в виде взвешенной суммы линейной и мультипликативной свёрток координат состояния системы, учитывающих производственные и экономические показатели.

3. С помощью метода АКОР получено субоптимальное кусочно-постоянное управление производственным звеном предприятия, содержащее 5 участков расширения производства, его стабилизации и сокращения при использовании сверхприбыли в период падения рентабельности, при сохранении требуемого уровня развития предприятия.

4. Предложена динамическая модель технологического звена предприятия, состоящего из двух параллельно действующих апериодических звеньев, с целью повышения скорости производства. Показано, что его действие наиболее эффективно при быстром совершенствовании технологии до наиболее благоприятного периода роста рентабельности, чтобы накопленную прибыль использовать позднее в период спада производства.

5. Установлено, что для анализа динамической устойчивости производства в методе Ляпунова можно использовать функцию Беллмана. Выявлено, что при найденном альтернативном управлении нелинейная технико-экономическая система обладает запасом устойчивости в своем развитии.

6. Результаты моделирования на ЭВМ показали, что без технологического звена устойчивое развития производства возможно

лишь при положительной в среднем средней рентабельности предприятия. С использованием технологического звена область эффективного производства существенно расширяется и даже в случае, если время нерентабельного производства достигает 60% от общего периода колебаний рентабельности, устойчивость развития производства сохраняется.

7. Предложенный подход был использован в учебном процессе на кафедре 301 МАИ при магистерской подготовке по учебному направлению «Информационные технологии в управлении», что подтверждено актом о внедрении.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Аунг Мьё Тху, 2013 год

Список литературы

1. Царьков В.А Экономическая динамика и эффективность капитальных вложений. М., Изд. дом «Лексикон», 1997, 103 стр.

2. Лебедев Г.Н. Постановка задачи оптимального управления технологическими процессами для обеспечения динамической устойчивости промышленного производства в кризисных ситуациях. М., Изд. «Новые технологии», 2010, №7 стр 53-55.

3. Лебедев Г.Н., Аунг Мьё Тху, Пашкевич А.Г. «Динамические модели производственного и технологического звена в задаче оптимального управления предприятием в кризисных ситуациях». М., Изд. «системы управления и информационные технологии», 2011, №3(45), стр. 36-40.

4. Лебедев Г.Н., Дегтярёв Ю.И, Степанянц Г.А., Аунг Мьё Тху. «Оценка устойчивости управления высоко-технологичным проектированием и производством авиационной техники в кризисных ситуациях». М., Изд. «Труды МАИ», 2011, №12.

5. Лебедев Г.Н., Аунг Мьё Тху, Дао Нгок Тхай «Оценка условий устойчивого сохранения эффективности промышленного производства авиационной техники в кризисных ситуациях за счет совершенствования технологии её изготовления». М., Изд. «Вестник», 2012, стр. 13-19.

6. Лебедев Г.Н., Аунг Мьё Тху «Оптимальное управление промышленным производством в кризисных ситуациях с учетом совершенствования технологии выпуска продукции». Алушта., Изд. «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», 2012, стр 5.

7. Лебедев Г.Н., Щеткин С.Л. «Разработка оптимального управления процессом обогащения руды при её сортировке». Алушта., Изд. «Теоретический и прикладной научно-технический журнал», 2008, №7(88), стр 34-37.

8. Лётов A.M. Динамика полёта и управления. М., Наука, 1969 г.

9. Повышение эффективности управления чашевым окомкователем путем совершенствования алгоритмов экстремального регулирования / П. Д. Александров // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Липецк, 2007.

10.Синтез систем автоматического управления многосвязными объектами с запаздываниями на основе технологии вложения систем / К. В. Сергеев // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Уфа, 2013.

11. Повышение энергоэффективности электротехнических комплексов и систем электроснабжения/ Б. В. Сергеев // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Спб, 2011.

12. Аналитическое конструирование многосвязных систем автоматического управления динамическими объектами на основе технологии вложения / А. И. Завдятович // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Уфа, 2010.

И.Ланге О. Введение в экономическую кибернетику. - М.: Прогресс, 1968.- 199 с.

14.Калецкий М. Очерки теории роста социалистической экономики. - М.: Прогресс, 1970.-143 с.

15.Кобринский Н.Е., Кузьмин В.М. Точность экономико-математических моделей. - М.: Финансы и статистика, 1981. - 255 с.

16.Ю.С. Гришанин, Г.Н Лебедев, А.В Липатов, Г.А Степаньянц "Теория оптимальных сисетем "— изд-во МАИ 1999. -320 е.: ил.

17.Беллман Р. Динамическое программирование. - Издательство иностранной литературы, 1960.- 161 с.

18.Лебедев Г.Н. Методы принятия оперативных решений в задачах управления и контроля. - М.: Изд. МАИ, 1992. - 120 с.

19.Гасс С. Линейное программирование. - М.: Физматгиз, 1961. - 303 с.

20.Дегтярев Ю.И. Методы оптимизации: Учеб. Пособие для вузов - М.: Сов. Радио, 1980.- 272 е.,ил.

21.Белова Е.С., Войиич Г.В., Новиков А.Н. Оптимальное управление (Сборник задач по курсу «Теория оптимальных систем управления»): Учебное пособие - М.: МАИ, 1993. - 40 е.: ил.

22.Бервелл Ф.Т. Автоматика и управление на транспорте: пер. с англ.- 2-е изд., испр,- М: Транспорт, 1990, 367 с.

23.Севрюгин Э.В. Анализ функционально-следящей системы автоматического управления поезда- Автореферат. - M. 1973

24.Атманов С.А. Линейное программирование. — М.: Наука, Физ-матгиз, 1981.

25.Кузин Л.Т. Основы кибернетики.— Т. 1 и 2. — М.; Энергия, 1973.

26.Ким Д. П. Теория автоматического управления. Т. 1. Линейные системы. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 288 с.

27.Ким Д. П. Теория автоматического управления. Т. 2. Многомерные, нелинейные, оптимальные и адаптивные системы: Учеб. пособие. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. - 464 с.

28.А.В. Аттетков, C.B. Галкин, B.C. Зарубин. Методы оптимизации: Учеб. для вузов. - 2-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003.-440 с.

29.Фельдбаум A.A. Основы теории оптимальных автоматических си-стем. - М.: Наука, 1966.

ЗО.Чаки Ф. Современная теория управления. Нелинейные, оптимальные адаптивные системы.- М.: Мир. 1975.

31.Чураков Е.П. Оптимальные и адаптивные системы.- Энегоатомиздат, 1987.

32.Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы: Учеб. Пособие для вузов по спец. «Автоматика и упр. в техн. системах».- М: Высш.шк., 1989. - 263 е.: ил.

33.Калитин Б.С. Качественная теория устойчивости движения динамических систем. - Ми.: БГУ, 2002.- 198 с.

34.Ларин P.M., Плясунов A.B., Пяткин A.B. Методы оптимизации. Примеры и задачи: Учеб. пособие. - Новосиб. Ун-т Новосибириск

35.Иванов В.А., Фалдин Н.В. Теория оптимальных систем автоматического управления. - М.: Наука, 1981, 336 с.

36.Венцель Е.С. Исследование операций.М.,«Советское радио»Москва, 1972

37.3уховицкий С.И, Авдеева Л.И. Линейное выпуклое программирование. Изд-во « Наука» 1964.

38.Юдин Д Б., Голыитейн Е.Г Линейное программирование. Физматгиз.1963.

39.И.М Соболь , Р. Б Статников « Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями »2-е изд-во перераб и доп- М: Дрофа , 2006-175.

40.Винер Н. Кибернетика.- М.: Сов. Радио, 1968.

41.Болтянский В.Г, Математика и оптимальное управление.- М.¡Знание 1968.

42.Коршунов Ю. М. Математические основы кибернетики: Учеб. Пособие для вузов.- М: Энергия, 1980.

43.Румянцев В.В., Озиранер A.C. устойчивость и стабилизация движения по отношению к части переменных. М., Наука 1987 г, 256с.

44.Gribbens А.Н., Giles L.J. The Inverness - Wick radio scheme. Raylways in the Electronic Age.I.E.E. Conference Publication No.203, P. 11 (1981).