Структурное проектирование измерительно-вычислительных систем на базе уравнений измерений Алексеев, Владимир Васильевич

Введение к работе

Актуальность темы.

Сложность и объем современных экспериментальных исследований, а также требования по сокращение времени их организации и проведения повлекли за собой необходимость создания средств автоматизации измерительного эксперимента на всех этапах. Большое разнообразие измерітельньа задач, измерительных и вычислительных средств с одной стороны позволяет строить измерительно-вычислительные системы (ИВС) различного назначения, автоматизировать все этапы организации измерительного эксперимента (выбор номенклатуры измерителвных средств, структуры ИВС, режимов работы отдельных модулей, алгоритмов работы системы), с другой стороны делает задачи оптимизации структуры ИВС и проведения измерительного эксперимента трудоемкими, иногда трудно обозримыми, так как увеличение числа измерительных средств приводит к катастрофическому росту числа возможных вариантов построения ИВС, поиск среди которых оптимального является сложной теоретической задачей.

Задача отыскания оптимальной структуры измерительной системы является многокритериальной задачей оптимизации в многомерном дискретном пространстве параметров. Отличительной чертой ИВС является то, что из всего разнообразия критериальных функций привуалирующими являются функции, оценивающие метрологи -ческие характеристики системы (имеют более сложную функциона-льнув зависимость суммирования по сравнению с общетехническими), то, что большинство проводимых измерений требует обяза- тельного датирования при реализации косвенных временных взаимных и совокупных измерений. Указанная специфика ИВС выделяет задачи их проектирования из общей теории проектирования слоеных систем, требует теоретической разработки методов проектирования, направленных на метрологический синтез системы в статическом и динамическом режимах.

Существующие методы проектирования либо направлены на достижение уникальных технических характеристик измерительного канала, предназначенного дгя конкретных измерений и поэтому трудно применимы для решения других задач, либо решают задачу оптимизации в многомерном пространстве методами, близкими к методу полного перебора или пошаговым методом обобщенной опти-

мизации в случае авдитивного критерия эффективности, либо направлены на оптимизацию использования средстз вычислительной техники (эффективность использования) при составлении расписания работы системы - как системы массового обслуживания. К сожалению, большинство из существующих методов трудоемки и часто трудно'реализуемы. При их разработке уделяется недостаточно внимания метрологическим характеристикам разрабатываемой системы.

Поэтому разработка методов структурного проектирования ИЕС, направленных на метрологический синтез системы в. статическом и динамическом режимах является важной, актуальной научно--технической проблемой.'

Цель работы. Теоретическое обобщение, исследование известных и разработка новых методов построения оптимальных алгоритмов метрологического синтеза измерительно-вычислительных средст обеспечивающих оптимальное построение структуры измерительно--вычислителъной цепи, многоканальных измерительно-вычислительных' систем, оптимизацию режимов работы при проведении сложного иэк-ерительного эксперимента, расписания работы с учетом необходимости датирования каждого конкретного измерения, разработка принципов организации информационной системы проектирования, обеспечивающей реализацию разрабатываемых методов метрологического синтезе в автоматическом режиме, разработка методов построения измерительных средств/обеспечивающих функциональные преобразования при реализации измерительных каналов, направленных на компенсацию погрешностей нелинейности первичных измерительных преобразователей и обеспечивающих более эффективный метрологический синтез.

Методы исследования. Результаты исследований, включенные в диссертацию, базлруются на общей теории сложных систем, теории аппроксимации, математического программирования, теории исследования олзраций, комбинаторики, теории точности, алгоритм кичеекой теории измерений, математического моделирования, теории надежности, теории принятия решений и построения экспертах систем, а также на накопленном опыте и результатах в области проектирогания иэмерительно-зшислительных систем для частотных исследований и испытаний летательных аппаратов при гыпо.' нечии исследовательских работ на базе кафедры вычислительной и .чкфорнацяонно-изаерителіиой техники СПС.ГЭГУ иы.В.И.Ульянова

- 3 ~

(Ленина), ряда прокшленшх а научно-исследсвательских предприятий: НПО "Сфера", з-д "Прибор", НПО "Красная Заря", НИИ ИІ, СИБИЗШР АНСССР и др.

Научная новизна. Основные научные результати, выдвинутые на защиту, состоят в том, что исследованы и разработали:

1. теоретические основи построения экономичных алгоритмов структурного проектирования изкерительво-вниислительних среден, особое внимание уцелзно метрологическому синтезу измерительно;!? цепи на основе обобщенного уравнения измерений.

2. методология построения оптимальних алгоритмов структурного проектирования измерительно-вычислительных средств, которая включает следуьцие основные этапы:

анализ неходких данных проектирования, определение вида критериальных функций, выделение целевой функции, определенно-ьмогомерного пространства параметров - области поиска оптималь-крго решения,

анализ пространства параметров, построение пространства потенциальных решений. '

выделение пространства допустази решений,

упорядочивание пространства допустимих р^аений по неуби-ванкэ (неувеличенив) целевой функции,

разработка и реализация жадного алгоритма,

проверка допустимости полученного шокества, доказатзль-ство оптииальяостя ревемия задачи относительно заданной целевой функция - критерия эффективности,

3. метод метрологического синтеза измерительной цепи, реализующей измерительный алгоритм, еписаштЗ обобщенный уравнением измерений,

4. метод структурного синтеза кногокакальной ИЮ с параллельной обработкой информация»,

5. метод составления расписания работы многоканальной ИВС, базирующийся на предложенной классификации измеряемых сигналов, показателе степеней свободы сигнала,

6. методика, построения изиеригеяькя-вычислительных средстз, реализующих нелинейную функции преобразования, базируицуося на аппроксимации нелинейной функции дискретними рядами, построен-' Цыми на основе чисел Стирлинга,

7. принципы организации концеюгуалького уровня базы изке« ригельних данных, обєспечиващєго реализацию всех разработанных:

методов структурного проектирования в автоматическом режиме.

Практическая ценность работы заключается в том, что резул тага теоретических исследований легли в основу конкретных аппо ратных и программных разработок;

1. разработан метод метрологического синтеза измерительнс цепи, основанный на анализе полной группы составляющих погрешности, при реализации алгоритма, описанного обобщенным уравнен? ем измерений, который позволяет синтезировать измерительные це пи с уникальными характеристиками в соответствующих ИВС,

2. разработана методология построения алгоритмов структур ного проектирования измерительных средств, которая позволила создать класс алгоритмов, требующих для своей реализации значу тельно меньших затрат по сравнению с традиционными (на порядої или несколько порядков меньше),

Методы реализованы в виде пакетов программ, обеспечивающі решение оптимизационной задачи в автоматическом режиме и были использованы:

»іри разработке измерительно-вычислительного комплекса для многоканальных частотних исследований линейных и нелинейш динамических объектов с датчиками как постоянного, так и переменного тока с техническими характеристиками на уровне мировыз стаядартов,

при создании измерительно-вычислительной системы ИВ&-8, -ИИС типа Гамма, предназначенной для метрологической аттестаці бортовых измерительных систем,

при создании аппаратно-программного комплекса для отла: ки и оценки метрологических характеристик многоканальных преоі разователей информации для АС ИИС-2000,

при создании пакета программ оптимизации бортовых инфо мационно-иэчгерительных комплексов (ИИК) по заданным критериям эффективности,

3) разработанный принцип организации концептуального уро
ня базы измерительных данных лег в основу построения пакетов
программ:

автоматизированная проверка специализированных средств измерений измерительных контролирующих систем (ИКС),

оптимизация номенклатуры измерительных средств по зада том крм?орияы 'оффективности,

4) разработанный метод воспроизведения нелинейной зависимости с помощью дискретных рядов на базе чисел Стирлинга, поэ-золил работать класс линейных измерительных устройств, воспроизводящих нелинейную функцию от времени, от частоты, от любой эа-іанной физической величины.

Предложенные принципы построения оптимальных алгоритмов іроектирования, организации базы измерительных данных, постро-зния нелинейных функциональных устройств могут быть полезны широкому кругу проектировщиков и исследователей для практического решения соответствующих задач.

Реализация результатов работы заключается в создании и внедрении под руководством и при непосредственном участии автора:

3. комплекса комбикированных вычислительных устройств для многоканальных частотных исследований (КВУЧХ) в составе гармонического анализатора парафазного аналого-цифрового генератора, построителя вектора по .мнимой и вещественной составляющей;

4. А1Щ переменного тока, вошедших в состав динамического моделирующего комплекса для предприятия НИИ КП (г.С.-Петербург) ;

5. комбинированного и гибридного измерительно-вычислителй-ных комплексов (КВК и ГВК) на базе ЭШ "Саратов-4" iL"M-222" для измерения ВХ ССП в реальном времени для НИЛ КП и использовавшихся в учебных целях кафедры ВТ СПб.ГЭТУ;

6. аппаратуры и^_программного обеспечения иерархической измерительно-вычислительной системы (ИМИВС) для статистических

и частотных исследований на базе микро-ЗШ "Электроника 60", мини-ЭВМ М-6000, ЭВМ EC-I045 предприятия НИИ КП , аппаратуры и программного комплекса ГВК для выполнения многоцелевого спектрального анализа в реальном времени для предприятия "Прн-оор" (г.С.-Петербург) и Мурманского управления траллового флота; программно-аппаратного обеспечения многотерминального комплекса для СибиЗМИР СОАНСССР (г.Иркутск);

5. комплексов программ оптимизации режимов и составления расписания работы многоканальных модулей бортовых ИИС для предприятия НПО "Сфера" (г.С.-Петербург);

6. программных комплексов метрологического обеспечения, специализированных измерительных средств для НПО "Красная Заря"

-' 6 -

(г.С.-Петербург), НПО ^гРублн" (г.Пенза), предприятия ОКБ НПО' 'Рудгеофизика" (г.С.-Петербург);

7. нелинейных измерительных преобразователей, обеспечиваю цик компенсации нелинейности измерительного канала ИВС в процессе снятия отсчетов дпя предприятия ОПТШО (г.Ош), треста 'Памирдорстрой" (г.Ош);

8. аппаратных и программных средств, разрабатываемых в процессе проведения НИР кафедр ВТ и ИИТ СПб.ГЭТУ им.В.И.Ульяне вн (Ленина) с 1971 г. по 1992.г., что нашло отражение в отчета по.НИР: ВТ-26/ИИТ-99, Р гос.регистр. 7138760; ИИТ-І02 Я8І0448Е ИИТ-І09, №01850023899; ИИТ-ІІ4, №028700036891; ИИТ-І24, ЕЮ2900О47354; г/б-1, ИИТ-І, »01880068335; г/б-2, ИИТ-3, №10920016558), выполненным по комплексным программам Минвуза FOSCP и Научных Советов по комплексной проблеме "Кибернетика" я "Системы управления и средства автоматизации".

Суммарный экономический эффект от внедрения результатов диссертации составляет более одного миллиона рублей. Разработки экспонировались на ВДНХ CCCF (автор удостоен бронзовой мєде ли), на городских и институтских выставках.

Результаты диссертационной работы широко используются в учебном процессе кафедры информационно-измерительной техники СПб. ГЭГУ, а также при создании автоматизированной обучающей, система АОС ИИТ и' ее применения для лабораторных и практичесго занятий по курсам "Измерительно-вычислительные устройства и комплексы", "Применение микропроцессоров в измерительных и ро-бототехнических системах", "Применение вычислительных средств в учебном процессе" и в соответствующих методических разработках": Учебные пособия: "Измерительно-вычислительные устройстві и комплексы", 1984 г.; "Организация измерительно-вычислительных средств в автоматизированной обучающей системе", 1986 г.; "Организация автоматизированной обучающей системы по курсам и: мерительной техники¹¹, 1987 г.; "Применение микропроцессорных средств в измерительных системах", 1989 г.; "Применение секционных микропроцессоров в информационно-измерительной технике" 1990 г.; методические указания: "К выполнению лабораторных ра бо* по цифровым измерительным устройствам", 1985 г.; "К хурсо< вой работе по курсу "Вероятностно-статистические мєїоци в ин-^рмационно-вычислительной технике", 1985 г.; "Автоматизирова!

ішЙ учебно-научный комплекс для изучения измерительной техники" ї.І, ч,2, 1986 г.; "К выполнению лабораторных работ по курсу "Применение микропроцессорных средств в измерительных и робото* їехничоских системах", 1986 г.

Апробация работы. Основные научные и практические реэульта га исследовании по теме диссертации докладывались и обсуждались на международном семинаре по информационным средствам (Дрезден, 1983 г.). Всесоюзной НТК "Вопросы теории и проектирования пре-эбрааователей информации" (Киев, 1976 г.)» Всесоюзной НТК "Информационно-измерительные системы - 1981" (Львов, І98Г і'.), Д Всесоюзном симпозиуме "Методы теории идентификации в задачах измерительной техники и метрологии" (Новосибирск, 1982 г.), всесоюзной"НТК "Информационно-измерительные системы" (Куйбышев С983 г.), П Всесоюзном симпозиуме "Статистические измерения и ірименение микромашинных средств в измерениях" (Ленинград, 984 г.), УІ Всесоюзной НТК "Информационно-измерительные систе» \ы" (Винница, 1985 г.),. ІУ Всесоюзном симпозиуме "Методы теории идентификации в задачах измерительной техники и метрологии" (Новосибирск, 1985 г.), У Всесоюзное симпозиуме по модульным.информационно-измерительным системам (Кишинев, 1985 г.), Всесоюз~ кой НШК "Статистические методы в теории передачи и преобразования информационных сигналов (Киев, 1985 г.). IX Всесоюзном симпозиуме по проблемам избыточности в информационных системах (Ленинград, 1986 г.), УІ Всесоюзной, НТК "Фотометрия и ее метро-іогическое обеспечение" (Москва, 1986 г.), У1 Всесоюзной НТК Проблемы метрологического обеспечения систем обработки измерительной информации" (Москва, 1987 г.), ІУ Всесоюзной НТК "Электрические методы и сродства измерения температуры" (Луцк, 1988гД Всесоюзной НТК "Статистические методы в теории передачи и преобразования информационных сигналов" (Киев, 1988 г.), УН Всесоюзном совещании "Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования мирового океана" (Калининград, 1989 г.), Всесоюзной НТК "Информационно-измерительные системы" (Ульяновск, 1989 г.), ХХІУ Всесоюзной шксле по автоматизации научных исследований (Апатиты, 1990 г.), Ш Всесоюзной конференции "Метрологическое обеспечение ИИС и АСУТП" (Львов, 1990 г.), Всесоюзной НТК "Метрологические проблемы микроэлектроники (Моек-ва,.І99І г.), Всесоюзной НТК "Информационно-измерительные систе-

мы "(С.-Петерберг, 1991 г.), ВНТК "Актуальные проблемы развита техники, электроники и связи (С.-Петербург, 1992 г.) и других Всесоюзных, республиканских и отраслевых конференциях, симг.ози умах, семинарах (есєго 49), а также на НТК профессорско-преподавательского состава СПб.ГЭГУ с 1976 по 1993 гг. и постоянно действующем городском семинаре на кафедре ИОТ СПб.ГЭТУ "Применение микропроцессорных средств в ПИТ".

Публикации. К основным публикациям по теме диссертации от носятся 102 работы, из которых одна книга центрального издания 7 депонированных монографий общим объемом 224 с, II учебно-ме тодических вузовских пособий, 6 авторских свидетельств, 3 стат в центральных журналах, 21 статья в межотраслевых и межвузовск изданиях, 49 в трудах, материалах к тезисах докладов всесоюзнк республиканских и краевых конференций, симпозиумов, совещаний семинаров, 3 информационных листка, один пакет программ, зарегистрированный в ГОСФАП.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введение восьми глав, заключения, списка литературы, включающего 236 нг именований и приложения. Основная часть работы изложена на 26! страницах машинописного текста. Ребота содержит 27 рисунков, 6 таблиц.