Введение к работе
Актуальность проблемы.
Развитие испытательной базы средств и систем автоматического управления современными газотурбинными двигателями ( САУ ГТД ) направлено на вытеснение натурных комплексов, как дорогостоящих и неэкономичных, и ориентировано на создание высокоэффективных имитационных стендовых комплексов. Развитие средств и систем управления ГТД, повышение требований к их эффективности, ужесточение эксплуатационных требований определяют тенденцию к усложнению процессов стендовых испытаний. Отсюда одним из важных ка-чествообразующих факторов технологической цепи по проектированию и созданию современных САУ ГТД является проведение стендовых испытаний на передовой испытательной базе, основу которой составляют системы автоматизации испытаний (САИ).
К настоящему времени усилия исследователей по совершенствованию САИ сосредоточились в области построения управляющих и моделирующих алгоритмов на основе концепции моделирующих динамических стендов. Это направление развития САИ нашло отражение в работах В.Г.Августиновича, В.М.Боднера, В.М.Винокура, Г.И.Гордеева, Ф.А.Шаймарданова, Ф.Н.Олиферова и др. В то же время развитие информационно-управляющих систем автоматизации испытаний (ИУСАИ), определяющих возможности, показатели функционирования и характеристики САИ отстает от современных требований технологии процессов испытаний. Исследования, касающиеся развития ИУСАИ, были направлены, в основном, на создание методов комплексного контроля информационных каналов, алгоритмов, оценки параметров объекта, совершенствования лингвистического обеспечения и т.д. Это направление развития ИУСАИ отражено в работах Р.И.Адгамова, Ю.В.Кожевникова, А.Х.Хайруллина, Ф.А.Шаймарданова и др. Решению комплексных проблем развития ИУСАИ, как основы испытательной базы САУ ГТД, уделялось значительное внимание центральными научными и проектными организациями (ЦИАМ, НИИД, АО ЭГА, АО СТАР и др.). Существенный вклад в развитие методов и средств испытаний САУ ГТД внесли научные коллективы ведущих вузов.
Вместе с тем, сложившаяся к настоящему времени практика проектирования и создания ИУСАИ как проблемно-ориентированных комплексов ( под конкретную САУ ГТД) основана на использовании жестких, детерминированных архитектур. Анализ видов и особенностей стендовых испытаний САУ ГТД (работы Ю.В.Кожевникова, А.А.Шевякова, А.Н.Левина и др.) показывает высокую сложность и недетерминированность их алгоритмической структуры, недостаточ-
ность априорной информации об объекте испытаний, наличие жестких ограничений на время реакции и точность, существование больших информационных потоков от разнородных источников. В процессе испытаний в зависимости от меняющихся режимов и условий непрерывно пересматривается последовательность отдельных подлежащих выполнению задач, существенно меняются характеристики входных информационных потоков (интенсивность, приоритеты, содержание сообщений и т.д.). В этих условиях технические параметры ИУСАИ с жесткой архитектурой ( быстродействие, точность, объем памяти и пр.) должны быть выбраны исходя из принципа предельного случая. Отсюда многие из известных ИУСАИ САУ ГТД неоправданно дороги. Кроме того они требуют значительных затрат при переходе от одного объекта испытаний к другому, что, в конечном итоге, приводит к возрастанию стоимости и увеличению времени проведения испытаний. Поэтому требуется реализация новых подходов в проектировании современных ИУСАИ, функционирующих с учетом меняющихся характеристик входных потоков, условий и задач экспериментов.
Требования гибкости по отношению к изменяющим программам испытаний и характеристикам информационных потоков делают необходимым придания ИУСАИ свойств настраиваемости. Перспективным направлением развития адаптивных ИУСАИ является их построение на основе динамических архитектур, позволяющих перераспределять ресурсы системы в режиме реального времени с учетом характеристик входных информационных потоков, обеспечивая тем самым повышение эффективности функционирования (увеличение пропускной способности, снижение затрат, сокращение задержек и т.д., при выполнении ограничений по точности и стоимости). Возможности перераспределения ресурсов системы с учетом меняющихся условий и программ экспериментов обеспечивают сокращение времени на подготовку и проведение испытаний.
Однако, проектирование адаптивных ИУСАИ с динамической архитектурой является сложной научно-технической задачей. Теоретические и методологические принципы проектирования таких систем не нашли достаточного освещения в известной литературе. Исследования в этой области ограничиваются частными подходами, касающимися разработок настраиваемого программного обеспечения ИУСАИ (Ю.В.Кожевников, А.Х.Хайруллин и др.), а также исследованиями применительно к вычислительным системам (И.В. Прангишвили, М.П. Цапенко, Э.В. Евреинов и др.).
Отсутствие на настоящее время известных разработок в области построения структурных решений адаптивных информационно-управляющих систем с динамической архитектурой требует создания основ структурной теории указанных систем.
Особенности адаптивных ИУСАИ с динамической архитектурой (прежде всего иерархичность и динамическое распределение ресурсов) не позволяют применить известные методы анализа и синтеза, изложенные в работах СИ. Переверткина, Г.А. Шастовой, и др. Возникает необходимость создания методов анализа и синтеза адаптивных ИУСАИ с перестраиваемой архитектурой, основанных на моделирующих алгоритмах и математических моделях.
Для управления динамическим распределением ресурсов необходимо разработать оптимизирующий алгоритм на основе результирующей среднеквадратической приведенной погрешности преобразования входных данных. Указанный критерий, как отмечают значительное число исследователей (например, А.В. Фремке, B.C. Моисеев и др.) является предпочтительным для решения задач оптимизации параметров структур систем преобразования информации.
Реализация системного подхода к проектированию ИУСАИ с динамической архитектурой требует разработки общей методологии проектирования элементов нижнего (технологического) уровня структуры, адаптивных к характеристикам входных информационных потоков.
Целью диссертационной работы является решение важной научно-технической проблемы - создание высокоэффективных адаптивных информационно-управляющих систем автоматизации испытаний САУ ГТД на базе разработанных методологических и теоретических основ проектирования, реализуемых средствами современной вычислительной техники.
Задачи исследований. Сформулированная цель определяет следующие задачи исследований:
развить на основе системного подхода классификацию адаптивных информационно-управляющих систем автоматизации испытаний средств САУ ГТД в классе распределенных иерархических систем с динамической архитектурой;
осуществить разработку основ структурной теории рассматриваемого класса ИУСАИ, которая включает : развитие принципов канальной декомпозиции общей модели структуры системы; создание концепции виртуальных каналов; разработку принципов построения и методов синтеза аппаратно-программных модулей, адаптивных к параметрам входных информационных потоков; обоснование функционально полной структуры ИУСАИ.
разработать моделирующие алгоритмы и математические модели ИУСАИ;
- сформировать и обосновать критерии оценки качества процес
сов измерения и управления ИУСАИ;
- б -
- разработать методику оптимизации параметров структуры ка
налов системы;
- провести экспериментальные исследования и практическое
апробирование ИУСАИ, реализованных на основе предложенных
подходов.
Методы исследований основаны на использовании результатов теории автоматического управления, теории измерений, теории автоматов, теории массового обслуживания, методов математической статистики, математического моделирования.
Научная новизна. В диссертационной работе впервые сформулированы методологические и теоретические основы исследования и синтеза информационно-управляющих систем автоматизации испытаний средств управления ГТД, адаптивных к параметрам входных информационных потоков.
Разработаны основы структурной теории указанных систем, включающие:
- развитие многослойной иерархической модели структуры си
стемы в направлении распространения принципов динамического рас
пределения ресурсов на измерительные каналы и каналы локального
управления;
развитие принципов канальной декомпозиции модели структуры системы в части создания концепции виртуальных каналов измерения и управления как основы построения базовой структурированной модели системы;
разработку на основе единого методологического подхода обобщенных структурных решений и методов синтеза аппаратно-программных модулей, адаптивных к параметрам входных информационных потоков;
создание общих и локальных механизмов адаптации для типовых элементов локального уровня структуры системы;
обоснование структурно - логической организации функционально полной ИУСАИ ГТД.
На основе концепции виртуальных измерительных и управляющих каналов разработан комплекс моделирующих алгоритмов, имитационных и аналитических моделей адаптивных ИУСАИ, обеспечивающий проведение исследований с целью определения вероятностно-временных характеристик (задержки, вероятность блокировки и т.д.) и показателей качества функционирования (среднеквадратическая приведенная погрешность преобразования, динамическая погрешность регулирования и т.д.).
Разработаны алгоритм и процедура оптимизации параметров ресурсов структуры системы, обеспечивающих выполнение критериальных ограничений. Получена методика автоматизированного проектирования структуры системы, реализуемая на основе оценивания предельных и получения оптимальных параметров ресурсов (быстродействие, разрядность и пр.) Разработана процедура динамической оптимизации значений параметров предоставляемых ресурсов.
Основные защищаемые положения диссертационной работы включают:
методологические основы классификации адаптивных ИУСАИ САУ ГТД как распределенных многоуровневых систем с динамической архитектурой;
основы структурной теории и принципы формирования функционально полных структур адаптивных ИУСАИ;
комплекс моделирующих алгоритмов, имитационных и аналитических моделей ИУСАИ, реализуемый на основе концепции виртуальных измерительных и управляющих каналов;
методику оптимизации параметров структуры системы, включающую обоснование критерия оптимизации и процедуру определения предельного и оптимального объемов ресурсов уровней системы.
принципы построения механизмов адаптации и методы синтеза модулей ИУСАИ, адаптивных к изменению параметров входных потоков;
комплекс прикладных результатов синтеза структур и схемных решений аппаратно-программных модулей ИУСАИ, программных средств, обеспечивающих решение задач исследования рассматриваемого класса ИУСАИ с использованием ЭВМ.
Достоверность приводимых в работе результатов и выводов обеспечивается корректным применением математического аппарата теории управления, теории массового обслуживания, теории автоматов. Основные соотношения полученные в работе подтверждены результатами имитационного моделирования на ЭВМ и экспериментальными данными.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Совокупность предложенных в работе идей, теоретических и прикладных результатов составляют новое направление в области создания современных адаптивных ИУСАИ, обладающих повышенными производительностью, динамической точностью и эффективностью функционирования при ограничениях на стоимостные показатели.
Практическая ценность работы заключается в разработке методов исследования и синтеза динамических структур ИУСАИ, реализованных как пакет программ автоматизированного проектирования адаптивных ИУСАИ. Разработаны структурные и схемные решения аппаратно-программных модулей, адаптивных к параметрам входных потоков. Разработано прикладное программное обеспечение ИУСАИ, модулей, адаптивных к входному потоку систем.
Разработанные в диссертации теоретические положения, методы проектирования и расчета характеристик системы использовались при создании аппаратно-программных комплексов ИУСАИ ТРА ГТД в Агрегатном конструкторском бюро (АО "СТАР") (г. Пермь), НИИД (г. Москва). Новизна и значимость технических решений подтверждаются авторскими свидетельствами на изобретения.
Основываясь на результатах исследований, уже сегодня становится возможным реализовать в отрасли качественно новые ИУСАИ, обеспечивающие повышение производительности и достоверности испытаний агрегатов. Ключевые положения работы использовались в качестве руководящих материалов по проектированию ИУСАИ в НИИД (г. Москва).
Научные аспекты исследований нашли отражение в лекционных курсах, читаемых автором студентам специальности "Управление и информатика в технических системах" Пермского государственного технического университета в многочисленных публикациях и выступлениях на отечественных и международных научно-технических конференциях и семинарах.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались за последние годы на Международном симпозиуме "Системы управления технологическими процессами в дискретном производстве " (Варна, 1989 г.), V Белорусской школе-семинаре по теории массового обслуживания (Минск, 1989 г.), Международной НТК "Актуальные проблемы информатики, управления, радиоэлектроники и лазерной техники (Москва, 1989 г.), ВНТК "Микропроцессорные системы автоматики" (Новосибирск, 1990 г.), ВНТК "Распределенные микропроцессорные управляющие системы и локальные вычислительные сети (Томск, 1991 г.), ВНТК "ИИС-91" (С-Петербург, 1991), МНТК "Микросистема^" (Томск-Калининград, 1992), школе-семинаре по вычислительным сетям (Алма-Ата, 1992 г.),' МНТК "Региональная информатика-94 (С-Петербург, 1994), Республ. НТК "Диагностика, информатика, метрология - 94" (С-Петербург, 1994), IV С-Пб. международной конференции "Региональная информатика-95", XVIII международной конференции и школе ВС-95 (Крым, 1995).
Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 44 научных работах, в том числе 12 авторских свидетельства на изобретения, два учебных пособия для вузов и 3 монографии.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы, включающего 264 наименования и приложения. Основная часть работы содержит 305 страниц, 24 таблицы и 65 рисунков. Приложение содержит примеры расчетов характеристик системы, описания программ математического моделирования, акты внедрения результатов работы.