Введение к работе
Актуальность работы. Анализ тенденций развития информационных систем промышленных предприятий, использующих развитые информационные системы автоматизации, показал, что на нижнем уровне широкое применение получили протоколы на основе стандартов промышленного Ethernet (Profinet, EtherCAT, EthernetPowerlink, EtherNet/IP и др.). Используемый при этом метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD) при передаче информации не предоставляет гарантий доставки. Однако, необходимо отметить, что одним из основных требований к системам управления является детерминированность по времени. Поэтому для разработки и исследования таких систем необходимо создание новых математических моделей и алгоритмов на их основе, учитывающих специфику данного метода доступа и прогнозирующих области устойчивого функционирования.
Исследованию систем со стохастической передачей информации посвящены работы Артемьева В. М., Шубладзе А. М. и Иванова В. А. Используемые ими подходы позволяют анализировать системы со случайной структурой, но не учитывают особенности функционирования канала конкурирующего доступа. В разработанных Тумановым М. П., Georges J,-P., Vatanski N. и др. моделях учитывались некоторые особенности стандарта Ethernet, однако исследователи ограничились рассмотрением лишь предельных режимов работы. Поэтому разработка и исследование моделей для системы с регулярным квантованием в условиях случайного времени доставки в канале множественного доступа является актуальным.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ по теме «Математическое и компьютерное моделирование в задачах проектирования и оптимизации функционирования информационных технологических систем» (ГК № 01.2006.06298), а также в рамках грантов ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» по теме «Разработка открытых информационных систем перерабатывающих производств» (ГК № П947) и ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 гг.» по теме «Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований в области создания систем мониторинга и управления энергопотребления в зданиях и сооружениях» (ГК № 02.552.11.7053).
Цель работы - разработка и исследование математической модели цифрового управления с регулярным тактом квантования в условиях случайной передачи данных по сетевому каналу множественного доступа.
Задачи исследования:
синтез структурной модели сетевой системы управления и создание математической модели ее функционирования при передаче данных по каналу множественного доступа;
анализ и выбор оптимальной численной схемы расчета выходных параметров модели в области устойчивости решений математической модели;
исследование влияния параметров математической модели на изменение области устойчивых решений модели;
разработка комплекса предметно-ориентированных программ для проведения численных и физических экспериментов, хранения, обработки экспериментальных данных и проверки адекватности математической модели.
Методы исследования. Использованы теория случайных марковских процессов и систем со случайной структурой, а также системный подход, методы вычислительной математики, дифференциальных уравнений, теории автоматического управления.
Научная новизна.
-
Разработана методика моделирования цифрового управления в канале множественного доступа в условиях регулярного квантования моментов выдачи регулирующего воздействия и моментов трансляции данных выхода объекта в канал множественного доступа. Данная схема квантования позволяет повысить эффективность функционирования систем управления с учетом случайных задержек и высокой вероятности потерь данных при передаче через канал доступа.
-
Разработан приближенный метод численного анализа модели, отличающийся трансформацией исходных уравнений в алгебраические рекуррентные зависимости для математического ожидания и дисперсии фазовых координат системы.
-
Предложен численный метод идентификации областей устойчивости математической модели в координатах k^Ji^xIT^) по математическому ожиданию и дисперсии, позволяющий анализировать изменение параметров системы управления на устойчивость решения и алгоритм определения качественных показателей процесса управления на основе канала множественного доступа.
Практическая значимость состоит в повышении эффективности функционирования цифровых систем управления, использующих канал множественного доступа для передачи информации (стандарт Ethernet), за счет внесения изменений в процесс квантования. Разработанный программный комплекс позволяет производить синтез и анализ цифровых сис-
тем управления с целью расчета их параметров и определения областей устойчивости.
Результаты работы в виде комплекса программ для моделирования и исследования процессов в системах управления на основе канала конкурирующего доступа апробированы на предприятии "Воронежский Технопарк".
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на III международной конференции "Computer, Information, Systems Sciences and Engineering (CISSE'09)" (г. Бриждпорт, США, 2009), на IX, X и XII международной научной конференции "Кибернетика и высокие технологии XXI века" (г. Воронеж, 2009, 2008, 2010 г.), на XXI и ХХШ, международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (г. Саратов, 2008, 2010 г.), на Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Воронеж, 2009 г.), во Всероссийской школе-семинаре "Инновационный менеджмент в сфере высоких технологий" (г. Тамбов, 2007 г.), на отчетных научных конференциях ВГТА (г. Воронеж, 2007, 2008,2009 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из которых 3 - в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ и 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
Личный вклад автора. Личный вклад автора заключается в постановке задач и их решении. Автором разработаны математические модели, приведены методы расчета областей устойчивости решений, синтезированы алгоритмы и предметно-ориентированные программы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Материал изложен на 156 страницах, содержит 58 рисунков и 7 таблиц. Библиография включает 106 наименований.
