Введение к работе
Актуальность работы. Расширение сфер применения автоматического управления, возрастающая сложность управляемых объектов обусловили бурное развитие теории автоматического управления. Нарастающее многообразие методов решения задач теории управления, все более сложных с вычислительной точки зрения, привело к необходимости совершенствования методов и средств информационной поддержки их применения при решении конкретных задач. Для решения задач в интерактивном режиме требуется все более высокопроизводительная вычислительная техника. Однако производительность ядра процессора компьютера достигла физического предела для текущей используемой технологии производства интегральных схем. Дальнейший рост производительности отдельного компьютера достигается в основном лишь за счет использования многоядерной организации. Для использования их возможностей необходимы специальные алгоритмы и реализующие их программы, допускающие применение параллельных вычислений. Однако их разработка пока слабо поддается автоматизации, поскольку требует учета специфики методов решения функциональных задач проблемной области, является сложной творческой работой, характеризующейся высокой трудоемкостью.
Исследованиям в области формализации знаний о методах решения задач, разработки методов и средств информационной поддержки решения задач обработки информации в процессах управления, проектирования и исследования сложных объектов, к которым относятся современные системы управления, посвящены многочисленные работы зарубежных (Н. Винер, Р.Беллман, М.Калман, К.Острем, М.Флинн, Е.Дейкстра, А.Тьюринг, Е.Валях, Г.Родригуе, Б.Мейер, Л.Льюинг, Т. Кохонен, Дж. Хопфилд, Б.Топпинг, Д.Румельхарт, Ф.Г. Энслоу и др.) и отечественных авторов (Я.З. Цыпкин, С.Н. Коровин, В.В. Солодовников, В.Н. Васильев, Б.Т.Поляк, А.Г.Александров, Е.И.Артамонов, И.П. Норенков, К.А. Пупков, В.В. Семенов, Д.А.Поспелов, В.М.Глушков, В.В.Воеводин, Вл.В. Воеводин, А.Ф.Резчиков, В.В. Топорков, А.А. Большаков, В.В.Сафронов, М.Ф. Степанов и др.).
Для повышения эффективности систем информационной поддержки разработки и исследования современных систем управления, сокращения сроков разработки, повышения качества проектируемых систем, снижения вычислительных затрат необходимы исследования возможностей применения параллельных вычислений при решении задач управления, разработка соответствующих алгоритмов, специального математического и программного обеспечения.
Это обусловливает актуальность темы диссертационного исследования, которое соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники РФ («Информационно-телекоммуникационные системы») и критическим технологиям («Технологии распределенных вычислений и систем»).
Целью работы является повышение эффективности систем информационной поддержки разработки и исследования современных систем управления на основе комбинированных методов и моделей организации вычислительного процесса с применением параллельных вычислений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Системный анализ особенностей задач теории управления для определения критериев эффективности, способов модификации алгоритмов, обеспечивающих повышение эффективности средств решения задач идентификации, оптимизации, синтеза законов управления на основе применения параллельных вычислений.
-
Разработка и исследование алгоритмов, специального математического и программного обеспечения планирования действий по решению задач анализа, идентификации, оптимизации, синтеза законов управления с применением параллельных вычислений.
-
Разработка и исследование алгоритмов, специального математического и программного обеспечения параметрической идентификации с применением параллельных вычислений.
-
Разработка и исследование алгоритмов, специального математического и программного обеспечения решения задач анализа и синтеза законов управления с применением параллельных вычислений.
Методы исследования. Методы системного анализа для исследования задач теории управления, методов их решения для исследования возможности применения параллельных вычислений, методы теории алгоритмов, математического моделирования, теории оптимального управления, теории идентификации, теории оптимального наблюдения, теории искусственных нейронных сетей.
Объектом исследования являются системы информационной поддержки разработки и исследования современных систем, методы и алгоритмы решения задач анализа и синтеза законов управления.
Научная новизна:
разработаны критерии целесообразности применения параллельных вычислений, отличающиеся учетом доступной априорной и апостериорной информации, что позволило разработать алгоритм оценки необходимых вычислительных ресурсов для решения задач управления в условиях ограничений на время обработки информации;
предложен алгоритм планирования действий по решению задач анализа и синтеза законов управления, отличающийся использованием планирующей искусственной нейронной сети с применением параллельных вычислений, что позволило сократить время решения задачи планирования до приемлемых для интерактивного режима работы средств информационной поддержки разработки и исследования систем управления значений;
создан комбинированный алгоритм планирования действий группы мобильных объектов, отличающийся использованием комплекса алгоритмов трехуровневого планирования: стратегического (лучевой алгоритм), тактического (двунаправленный нейросетевой алгоритм) и оперативного планирования, что позволило разработать соответствующее специальное математическое и программное обеспечения с использованием параллельных вычислений для поддержки управленческих решений в автоматизированных системах управления мобильных объектов;
разработан модифицированный генетический алгоритм параметрической идентификации, отличающийся использованием средств параллельных вычислений, что позволило создать соответствующее специальное математическое и программное обеспечение параметрической идентификации с меньшими затратами времени и/или более высокой точностью оценки параметров;
предложены способы модификации архитектуры специального математического и программного обеспечения информационной поддержки разработки и исследования систем управления, отличающиеся использованием комбинированных методов и алгоритмов планирования и выполнения действий по решению задач параметрической идентификации, анализа и синтеза законов управления с использованием параллельных вычислений, что позволило разработать компоненты интеллектуальной распределенной Интернет-системы информационной поддержки разработки и исследования систем управления.
Основные результаты исследования, выносимые на защиту:
критерий целесообразности применения параллельных вычислений и алгоритм оценки необходимых вычислительных ресурсов для решения задач управления в условиях ограничений на время обработки информации;
алгоритм планирования действий по решению задач анализа и синтеза законов управления, отличающийся использованием планирующей искусственной нейронной сети с применением параллельных вычислений;
комбинированный алгоритм планирования действий группы мобильных объектов, отличающийся использованием комплекса алгоритмов трехуровневого планирования: стратегического (лучевой алгоритм), тактического (двунаправленный нейросетевой алгоритм) и оперативного планирования с использованием параллельных вычислений;
модифицированный генетический алгоритм параметрической идентификации, отличающийся использованием средств параллельных вычислений;
модифицированная архитектура специального математического и программного обеспечения информационной поддержки разработки и исследования систем управления, отличающиеся использованием комбинированных методов и алгоритмов планирования и выполнения действий по решению задач параметрической идентификации, анализа и синтеза законов управления с использованием параллельных вычислений.
Практическая значимость работы заключается в реализации специального математического и программного обеспечения в виде компонентов сервера планирования действий, сервера приложений распределенной системы автоматического решения задач ГАММА-3, обеспечивающих применение параллельных вычислений в процессе планирования действий и их выполнения в ходе решения задач разработки и исследования систем управления. Исследования выполнялись по гос. контракту № 02.740.11.0482 «Разработка распределенной вычислительной среды для создания систем управления жизненным циклом мобильных мехатронных комплексов». Результаты диссертации используются на проектно-производственном предприятии «ППП Дизельавтоматика» (г. Саратов), в учебном процессе СГТУ.
Достоверность и обоснованность результатов диссертационного исследования подтверждается корректным использованием математических методов, компьютерным моделированием; успешным их использованием в различных организациях; соответствием основных теоретических положений и выводов практическим результатам, полученным на основе разработанных моделей и методов.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на Международных научно-технических конференциях: Математические методы в технике и технологиях (Ярославль, 2007; Саратов, 2008, Смоленск, 2010, Саратов, 2011; Харьков, 2012); Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM) (Москва, 2012), Интеллектуальные системы (Вологда, 2012), Проблемы управления, обработки и передачи информации (Саратов, 2009, 2011), Логистика и экономика ресурсоэнергосбережения в промышленности (МНПК «ЛЭРЭП-5-2011») (Саратов, 2011), 5th Chaotic Modeling and Simulation International Conference CHAOS 2012 (Athens Greece 2012), International congress on information technologies-2012 (ICIT-2012).
Исследования поддержаны Государственным фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (2012 - 2013 гг.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 21 печатной работе, в т.ч. 6 статей – в журналах из списка, рекомендованного ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на 143 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок и 3 таблицы, список литературы включает 136 наименований.
