Введение к работе
Актуальность проблемы. К современным системам управления предъявляются все более высокие требования по улучшению их качественных показателей Уже в начале 60-х годов XX века бурное развитие средств вычислительной техники потребовало от разработчиков реализации новых принципов обработки информации. Исследования по вычислительным системам, основанным на модели коллектива вычислителей, были начаты в Институте математики Сибирского отделения АН СССР по инициативе академика АН СССР С Л Соболева Начиная с 70-х годов XX века теоретические и проектные работы в Сибирском отделении АН СССР (ныне СО РАН) по вычислительным системам с программируемой структурой ведутся под руководством одного из разработчиков первой вычислительной системы с программируемой структурой и основателя распределенных вычислительных систем чл -кор РАН В Г Хорошевского
В основе диссертационной работы лежат фундаментальные труды в области вычислительных систем, параллельных вычислительных технологий и систем управления следующих выдающихся российских и зарубежных ученых ЕП Балашова, О Л Бандман, В Б Бетелина, В С. Бурцева, А Г Бутковского, В В. Воеводина, М А Гаврилова, В М Глушкова, В А Горбатова, В Ф Евдокимова, Э В Евреинова, С В Емельянова, А В Забродина, В П Иванникова, М.Б Игнатьева, А В Каляева, С К Коровина, Л Н Королева, А А Красовского, В Б Кудрявцева, С А Лебедева, В К Левина, Г И Марчука, Ю И Митропольского, Б Н Петрова, Ю С Попкова, ДА Поспелова, ИВ Прангишвили, ДВ Пузанкова, ЕЙ Пупырева, ГЕ Пухова, Г Г Рябова, А А Самарского, В Б Смолова, А Н Томилина, В И Уткина, Я А Хета-гурова, В Г Хорошевского, БН Четверушкина, ЯЗ Цыпкина, А А Шалыто, ЮИ. Шокина, ЭЯ Якубуйтиса, НН Яненко, G Adammn, S Branicky, S Director, MGokhale,W Hillis, J Huttenhoff, I Irwin, D Liberzon, J Lions, J Neumann, S Pettersson, P Rohrer, S Skogestad, D Slotnick, R Shively, H Wang, К Zhou и др
Одним из перспективных путей улучшения технико-экономических показателей систем управления является применение перестраиваемых вычислительных сред в системах автоматического управления, так как на их основе синтезируется новая логическая и функциональная организация устройств управления и достигается значительное повышение качества управления, эффективности переработки информации, производительности, надежности и экономичности при одновременном сокращении трудозатрат на их проектирование и применение
Классические архитектуры средств вычислительной техники, используемых в системах управления, обладают рядом недостатков, существенно ограничивающих их возможности К этим недостаткам следует отнести жесткость самой вычислительной архитектуры (т е отсутствие возможности автоматического изменения архитектуры с целью достижения адекватности структурам и параметрам решаемых задач), неизменность каналов связи, трудности распределения как самих задач, так и их частей между параллельно работающими процессорами, наличие узких каналов в системах
обмена информации и др Указанные факторы стимулируют интенсивные исследования, имеющие целью найти более эффективные вычислительные архитектурные решения, обеспечивающие высокие качественные показатели вычислительных сред и систем управления
Перестраиваемые вычислительные среды позволяют создавать универсальные устройства управления, которые могут эффективно решать задачи различного назначения за счет гибкой программной настройки и перестройки алгоритмов управления как перед началом работы, так и в процессе функционирования системы управления, т е приобретают свойства как статической, так и динамической реконфигурации своей структуры
Настоящая работа посвящена развитию теории вычислительных систем с программируемой структурой в области синтеза структурно-перестраиваемых систем автоматического управления и решает важные народнохозяйственные задачи энергетического, космического, подводного направления, что подтверждается соответствующими актами, имеющимися в приложении к диссертации
В работе предложен новый принцип обработки информации в системах автоматического управления Он заключается в том, что в функциональную структуру системы управления вводятся перестраиваемые вычислительные среды, способные использовать единую информацию об управляемых процессах, протекающих в различных, контролируемых точках объекта Такие системы способны сформировать динамическое информационное поле о состоянии объекта, а также вырабатывать управляющие воздействия, позволяющие решить задачу высококачественного управления при неполной информации об объекте и наделить всю систему новыми свойствами, не присущими ни одной из фиксированных структур
Таким образом, в свете повышения качества и эффективности переработки информации на основе использования автоматного принципа и вычислительных сред работа отвечает актуальному, весьма перспективному и быстро развивающемуся направлению в области синтеза и применения моделей и алгоритмов перестраиваемых вычислительных сред для систем автоматического управления процессами с сосредоточенными и распределенными параметрами
Целью работы разработка и исследование перестраиваемых вычислительных сред для систем автоматического управления процессами с сосредоточенными и распределенными параметрами
Для реализации этой цели были поставлены следующие задачи исследования
построить логическую модель перестраиваемых автоматов,
разработать алгоритмы, реализующие построение логической модели перестраиваемых автоматов, и исследовать их на практическую применимость,
3) разработать алгоритмы и структурно-перестраиваемые модели, обеспечи
вающие реализацию линейных двух-, трехканальных и плоскостных однородных
сред, позволяющих вычислять произвольные (в том числе любые скобочные) нормальные формулы из h букв, булевы формулы и системы булевых формул из классов бесповторных упорядоченных, неупорядоченных и повторных формул как с пропусками аргументов, так и без них, булевы формулы, представленные в виде полиномов Жегалкина, и операции преобразования структур данных,
4) реализовать алгоритмы построения перестраиваемых автоматов при синтезе
однородных сред и создании на их основе моделей управляющих устройств систем с
сосредоточенными и распределенными параметрами,
5) разработать специализированное программное обеспечение структурно-
перестраиваемых автоматизированных систем управления различного назначения,
позволяющее производить синтез, анализ и мониторинг вновь создаваемых структур
но-перестраиваемых алгоритмов и моделей,
построить перестраиваемые вычислительные среды, обеспечивающие моделирование процессов различной природы, протекающих в системах с распределенными параметрами,
разработать структурно-перестраиваемый алгоритм управления для многосвязных систем
Методы исследования: для достижения поставленной цели и решения сформулированной в диссертационной работе задач использовались математические методы аппарата булевой алгебры, методы теории множеств, теории автоматического управления, теории систем с переменной структурой, математической физики, методы имитационного моделирования, теории однородных структур и численные методы
Научная новизна работы заключается в том, что установлено соответствие между логической моделью перестраиваемых автоматов, однородными средами и процессами управления, заключающееся в том, что их взаимосвязь приводит к новому принципу обработки информации в системах автоматического управления
Разработанная логическая модель перестраиваемых автоматов для определенных классов булевых формул охватывает по сравнению с существующими значительно более широкий класс поддающихся формализации вопросов и задач
Разработанные алгоритмы и однородные среды обладают по сравнению с существующими более широкими функциональными возможностями и большей приспособленностью для практической реализации
Разработанные алгоритмы функционирования перестраиваемых вычислительных сред и на их основе созданные модели управляющих устройств для систем автоматического управления процессами с сосредоточенными и распределенными параметрами обладают по сравнению с существующими более высокими качественными показателями
Разработанное новое специализированное программное обеспечение структурно-перестраиваемых автоматизированных систем управления различного назначения отличается от существующего тем, что позволяет производить синтез, анализ и
мониторинг вновь создаваемых структурно-перестраиваемых алгоритмов и моделей за минимум итераций, а иногда и с первого раза, т е инновация заключается в самой методике проектирования, которая обеспечивает сокращение времени проектирования и повышение доходности предприятия заказчика
Разработанный структурно-перестраиваемый алгоритм управления для многосвязных систем и синтезированная распределенная модель регулятора для объекта управления, обладающего нелинейной динамикой, отличается от существующих тем, что позволяет сформировать единое динамическое информационное поле о состоянии объекта и решить необходимую задачу стабилизации
Разработанный автоматно-структурный метод, позволяющий синтезировать широкий спектр перестраиваемых автоматов для построения как универсальных, так и специализированных систем управления, отличается тем, что по сравнению с существующими обеспечивает необходимое задание автоматных отображений из заданного класса алгоритмов, высокую универсальность и гибкость при синтезе и анализе вновь создаваемых перестраиваемых автоматов и вычислительных сред
Практическая ценность и реализация результатов исследования работы заключается в следующем
логическая модель перестраиваемых автоматов реализована в системах автоматического управления процессами с сосредоточенными и распределенными параметрами, способных функционировать при неполной информации об объекте,
разработаны алгоритмы, реализующие построение логической модели перестраиваемых автоматов, и проведены их исследования на практическую применимость,
разработаны алгоритмы и структурно-перестраиваемые модели, обеспечивающие реализацию линейных двух-, трехканальных и плоскостных однородных сред, позволяющих вычислять произвольные (в том числе любые скобочные) нормальные формулы из h букв, булевы формулы и системы булевых формул из классов бесповторных упорядоченных, неупорядоченных и повторных формул как с пропусками аргументов, так и без них, булевы формулы, представленные в виде полиномов Жегалкина и операции преобразования структур данных,
реализованы алгоритмы построения перестраиваемых автоматов для синтеза однородных сред и созданы на их основе модели управляющих устройств систем с сосредоточенными и распределенными параметрами,
разработано специализированное программное обеспечение - Cell System, позволяющее производить синтез, анализ и мониторинг вновь создаваемых структурно-перестраиваемых алгоритмов и моделей,
созданы перестраиваемые вычислительные среды, обеспечивающие моделирование процессов различной природы, протекающих в системах с распределенными параметрами,
разработан структурно-перестраиваемый алгоритм управления для многосвязных систем,
синтезирована распределенная модель регулятора для объекта управления, обладающего нелинейной динамикой,
разработан автоматно-структурный метод, позволяющий синтезировать широкий спектр перестраиваемых автоматов для построения как универсальных, так и специализированных систем управления,
10) практическая ценность и новизна результатов подтверждается десятью па
тентами Российской Федерации
Основные результаты работы внедрены и использованы на ряде предприятий, что подтверждается соответствующими актами, имеющимися в Приложении к диссертации.
в ФГУП «НПО Прикладной Механики им акад М Ф Решетнева» (Красноярский край, Железногорск),
в Институте проблем морских технологий ДВО РАН (Владивосток),
на предприятии ООО «КамЭнергоРемонт - Автоматика» (Республика Татарстан, Набережные Челны),
в ГОУ ВПО «Томский государственный университет»,
в ОАО «НИИ Полупроводниковых Приборов» (Томск),
в ФГУП «Новосибирский Завод Полупроводниковых Приборов с ОКБ»,
в инновационном предприятии ООО «Интеллектуальные информационные системы» (Томск),
в Фонде содействия науке и образованию - Томском региональном инкубаторе технологий,
в ООО «Экоаналитика» (Владивосток),
10) в ГОУ ВПО «Томский государственный университет систем управления и
радиоэлектроники »
Достоверность полученных результатов подтверждается строгими математическими выводами, при построении перестраиваемых автоматов и исследовании моделей, в том числе доказательством ряда теорем, проведенными вычислительными экспериментами, согласованностью полученных результатов с имеющимися данными в отечественной и зарубежной литературе, результатами моделирования, четырьмя экспертизами результатов работы, прошедшими при получении грантов по федеральным программам
Выводы, вытекающие из представленной работы, находятся в строгом логическом соответствии с интерпретацией полученных результатов
Апробация работы. Диссертационная работа выполнена в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002—2006 годы» - госконтракт № 02 442 11 7498 «Моделирование перестраиваемых структур в системах автоматического управления технологическими процессами» (научный руководитель Шидлов-ский С В )
Диссертационные исследования поддержаны грантом Министерства образования и науки РФ и Государственного Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по федеральной программе «Ползуновские гранты» 2005 г «Разработка математической модели и программного обеспечения перестраиваемых систем автоматического управления технологическими процессами»
Проведение диссертационных исследований поддержано грантом Государственного Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по федеральной программе «Старт' 06» — госконтракт №4215р/6610. Научно-исследовательская и опытно-конструкторская работа «Разработка принципов построения, создание и исследование структурно-перестраиваемых автоматизированных систем управления, обработки информации и проектирования» (научный руководитель Шидловский С В )
Диссертационные исследования проведены при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований по области знаний «Фундаментальные основы инженерных наук» — проект 06-08-06040 «Автоматическое управление. Перестраиваемые структуры» (научный руководитель Шидловский С В )
Все вопросы, относящиеся к теме диссертации, обсуждались на 25-ти конференциях различного уровня - от внутривузовской до международной
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 58 работах, среди которых две монографии, два учебных пособия, 17 работ в реферируемых изданиях, рекомендуемых ВАКом, 10 из которых — патенты РФ
Личный вклад. Большинство приведенных в диссертации результатов получены автором лично Часть результатов, касающихся исследования алгоритмов функционирования однородных сред, получены в соавторстве в ходе работы над статьями
Основные положения диссертации, представляемые к защите
Логическая модель перестраиваемых автоматов для определенных классов булевых формул
Алгоритмы и структурно-перестраиваемые модели, обеспечивающие реализацию линейных двух-, трехканальных и плоскостных однородных сред, позволяющих вычислять
— произвольные (в том числе любые скобочные) нормальные формулы из h
букв,
— булевы формулы и системы булевых формул из классов бесповторных упоря-
доченных, неупорядоченных и повторных формул как с пропусками аргументов, так и без них,
булевы формулы, представленные в виде полиномов Жегалкина,
операции преобразования структур данных
3 Алгоритмы построения перестраиваемых автоматов для синтеза однородных
вычислительных сред
Алгоритмы и модели управляющих устройств для систем автоматического управления процессами с сосредоточенными и распределенными параметрами
Специализированное программное обеспечение - Cell System, позволяющее производить синтез, анализ и мониторинг вновь создаваемых структурно-перестраиваемых алгоритмов и моделей
Структурно-перестраиваемый алгоритм управления для многосвязных систем
Распределенная модель регулятора для объекта управления, обладающего нелинейной динамикой
Автоматно-структурный метод, позволяющий синтезировать широкий спектр перестраиваемых автоматов для построения как универсальных, так и специализированных систем управления
Структура работы Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка используемых литературных источников из 520 наименования и 13 приложений Основное содержание работы изложено на 309 страницах машинописного текста Работа содержит 152 рисунка, 16 таблиц В приложениях даны сведения, более полно отражающие содержание глав, и приведены документы, подтверждающие практическую ценность диссертационной работы
