Содержание к диссертации
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 4
ВВЕДЕНИЕ 5
1. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ПЕРЕДАЧИ УПРАВЛЯЮЩИХ СИГНАЛОВ В КАНАЛАХ СВЯЗИ С ИСКАЖЕНИЯМИ И ПОМЕХАМИ 13
1.1. Проблемно-классификационный анализ функционирования многоканальной сети связи в составе системы управления 13
1.2. Сравнительный анализ методов моделирования многоканальной сети связи с позиций теории сложных систем 22
1.3. Структурно-декомпозиционное представлению моделей и показателей качества передачи сигналов объектам управления 32
1.4. Обоснование научной задачи многоуровневого синтеза сигналов и частных задач исследования 40
Выводы по разделу 1 51
2. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ФОРМЫ СИГНАЛА В КАНАЛАХ СВЯЗИ С АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫМИ И ФАЗОЧАСТОТНЫМИ ИСКАЖЕНИЯМИ 53
2.1. Обоснование комплексного показателя степени искажения сигнала в канале с неидеальными частотными характеристиками 53
2.2. Оптимальное перераспределение фиксированной энергии сигнала между составляющими многочастотного сигнала 60
2.3. Оптимальное корректирование амплитудно-частотной характеристики канала связи с учетом нелинейности фазочастотной характеристики 64
Выводы по разделу 2
3. СИНТЕЗ КОДОВОЙ СТРУКТУРЫ СИГНАЛА В КАНАЛАХ С ИСКАЖЕНИЯМИ И ПОМЕХАМИ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ 75
3.1. Обоснование выбора параметров для управления структурой сигнала 75
3.2. Критерий оптимизации структуры сигнала при согласовании его с каналом связи 88
3.3. Постановка задачи оптимизации структуры сигнала в условиях комплексного воздействия помех и канальных искажений 94
3.4. Алгоритм решения задачи оптимизации структуры сигнала с использованием системного показателя 100
3.5. Методика структурно-параметрического синтеза сигналов в условиях канальных искажений и помех 108
Выводы по разделу 3 113
4. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО РЕАЛИЗАЦИИ СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА СИГНАЛОВ УПРАВЛЕНИЯ 115
4.1. Постановка задачи системного распределения структурно-кодового ресурса в многоканальной линии связи 115
4.2. Алгоритм распределению структурно-кодового ресурса в системе управления разноприоритетными объектами 122
4.3. Оценка эффективности структурно-параметрического синтеза сигналов в каналах на основе спектральных характеристик 131
4.4. Предложения по технической реализации разработанных методов синтеза сигналов
4.4.1. Устройство для автоматической коррекции амплитудно-частотных искажений трактов систем передачи информации 137
4.4.2. Устройство передачи результатов измерения частотных характеристик по обратному каналу 145
Выводы по разделу 4 149
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 150
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1
Введение к работе
Большинство современных технических систем управления в своем составе содержат подсистему связи, предназначенную для обеспечения передачи информации удаленным объектам управления с помощью специальных электрических сигналов.
Существующие подсистемы связи зачастую не в состоянии удовлетворить современным требованиям, как по качеству связи, так и по устойчивости к различным видам внутренних и внешних помех. Различные технические усовершенствования средств и комплексов связи функционально ограничены, слабо согласованы между собой и с ожидаемыми условиями функционирования в различной помеховой обстановке, в результате чего они дорого обходятся, а их эффективность сомнительна, особенно в условиях комплексного воздействия различного рода помех и искажений сигнала.
Различные оперативные требования к системам управления и связи, а также технические возможности их выполнения отражаются в нормативной и эксплуатационной документации в виде качественных и количественных характеристик, классифицируемых с технической и оперативной стороны, как характеристики систем и характеристики реализуемых ими процессов. В настоящей диссертации с целью выделения общих закономерностей, присущих многим основным и наиболее часто используемым характеристикам, предложено взглянуть на них с позиций отражаемых функций, которые выполняют различные элементы, средства и комплексы связи в составе систем управления при комплексном воздействии факторов внешней и внутренней среды. При этом, в первую очередь, обращается внимание на то, что любая функция может быть представлена или как конечный результат, или как некоторое правило (алгоритм) ее реализации с помощью определенных средств при заданных условиях (исходных данных). Наметившиеся перспективы интеграции средств телекоммуникаций и информатизации требуют для своей реализации проведения всесторонних научных исследований на базе методов теории сложных систем, позволяющих упорядочить использование известных научных методов различных прикладных теорий и результатов их практического использования, а также указать направления разработок новых методов. При этом заслуживают внимания известные работы в области системологии [6, 7, 15, 48, 52, 53, 64, 78, 82, 87, 106, 113-115], а также результаты фундаментальных теорий связи [49, 50, 59, 79, 84] и управления [2, 6, 37, 44, 55, 68, 77, 107, 109]. Однако, несмотря на все успехи теории, остается проблематичным конструктивный учет специфических особенностей сетей связи, таких как изменяющееся многообразие целей и условий функционирования, использование сигналов в качестве переносчика информации, наличие среды распространения сигналов (каналов) со случайными параметрами, электромагнитная доступность сигналов в побочных направлениях.
Однако большинство законченных результатов связано с разработкой моделей, не в полной мере учитывающих весь комплекс определяемых характеристик и специфику процессов функционирования взаимосвязанных и взаимодействующих элементов сложной системы, какой является многоканальная сеть связи (МКСС), в различных условиях помеховой обстановки. Применение существующих методов решения задач, особенно методов, ориентированных на стационарные характеристики процессов функционирования средств без учета комплексного воздействия помех, может привести к существенным ошибкам при определении требуемых характеристик синтезируемого элемента сложной системы и дополнительным затратам на обеспечение требуемой эффективности управления различными объектами.
Актуальность темы диссертационных исследований обусловлена несовершенством методов многоуровневого моделирования систем управления, параметрического синтеза каналов связи и оптимального выбора структуры управляющих сигналов. Таким образом, актуальность темы диссертационной работы определяется необходимостью разрешения противоречий, обусловленных следующими двумя основными группами факторов.
Первая группа факторов — наличие ряда практических противоречий между постоянно возрастающими требованиями системы потребителей (над-системы) к достоверности информации, передаваемой сигналами управления по каналам связи, и ограниченными возможностями систем управления по корректированию формы сигнала при комплексном воздействии помех и канальных искажений.
Вторая группа факторов - недостаточный уровень развития методических основ постановки и решения задач многоуровневого моделирования систем управления, параметрического синтеза каналов связи и оптимального выбора структуры управляющих сигналов. Указанный недостаток проявляется, прежде всего, в конструктивной незавершенности, в ограниченном использовании и в отсутствии систематизации методов решения подобных задач, составляющих проблематику системного подхода к оптимизации формы сигналов в условиях воздействия факторов внешней и внутренней среды.
Объектом исследований являются сигналы систем управления, передаваемые по каналам связи с неравномерными амплитудно-частотными и нелинейными фазочастотными характеристиками (АЧХ и ФЧХ) при воздействии помех внешней среды.
Предметом диссертационных исследований является научно- методический аппарат (НМА) управления параметрами и структурой сигналов при согласовании их с каналами связи.
Под совершенствованием НМА понимается постановка и решение оптимизационных задач с целевыми функциями в виде внешних функциональных характеристик (показателей качества) и варьируемыми внутренними характеристиками (параметрами) в пределах современных и перспективных программно-технических возможностей создания управляемых элементов на всех уровнях иерархии подсистемы связи с учетом доступных ресурсов, а также алгоритмов сочетания методов параметрического и структурного синтезов сигнала.
Цель диссертационных исследований состоит в обеспечении гарантированной эффективности управления объектами по каналам связи при помощи сигналов, оптимизируемых для условий комплексного воздействия помех и канальных искажений.
Научная задача исследований состоит в совершенствовании научно-методического аппарата согласования сигналов управления с каналами связи в условиях комплексного воздействия помех и искажений с целью обеспечения гарантированной эффективности управления объектами по каналам связи на основе системного подхода к оптимизации формы сигналов при сочетании параметрического и структурного синтеза.
Для решения поставленной общей научной задачи была проведена ее декомпозиция на ряд следующих частных задач:
1. Системный анализ условий передачи управляющих сигналов в каналах связи с искажениями и помехами.
2. Параметрический синтез формы сигнала в каналах связи с амплитудно-частотными и фазо-частотными искажениями (АЧИ и ФЧИ).
3. Синтез кодовой структуры сигнала в каналах с искажениями и помехами внешней среды.
4. Системное распределение структурно-кодового ресурса в многоканальной линии связи для управления разноприоритетными объектами.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе научных задач использованы методы системного анализа, теории вероятностей и случайных процессов, математического программирования, исследования операций и имитационного моделирования.
Работа состоит из введения и четырех глав.
Во введении обоснована актуальность тема работы, сформулированы цель и научная задача исследований, изложены основные результаты исследований, показана их научная новизна и практическая значимость. В первой главе проведен системный анализ условий передачи управляющих сигналов в каналах связи с искажениями и помехами. Осуществлено структурно-декомпозиционнное представления моделей и показателей качества передачи сигналов объектам управления в виде единой многоуровневой модели системы передачи сигналов. Предложен алгоритм последовательного синтеза сигналов в МКСС. Приведена постановка научной задачи и ее декомпозиция на частные задачи исследования.
Во второй главе разработан метод параметрического синтеза формы сигнала в каналах связи с амплитудно-частотными и фазочастотными искажениями. В общем виде решена задача оптимального распределения энергии сигнала между составляющими с учетом степени искажений их амплитуд в канале. Представлены результаты решения задачи оптимального корректирования АЧХ при ограничении на коэффициенты передачи составляющих сигнала не больше равномерного уровня.
В третьей главе проведен анализ моделей сигналов, свидетельствующий, что при изменении фазо-кодовой структуры сигнала во временной области изменяется характер изрезанности его спектра в частотной области. Обоснован выбор метода ветвей и границ для уменьшения вычислительных затрат при оптимизации структуры сигнала. Для более точного согласования сигнала с каналом предложена коррекция амплитудных параметров в пределах межструктурных диапазонов. Приведена методика структурно- параметрического синтеза сигналов в условиях канальных искажений и помех.
В четвертой главе разработан алгоритм распределения структурно-кодового ресурса в системе управления разноприоритетными объектами, предложен подход к оценке эффективности структурно-параметрического синтеза сигналов в каналах на основе спектральных характеристик, представлены технические решения по реализации разработанных методов синтеза сигналов.
В заключении обобщены итоги и результаты исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту. Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе теоретических результатов и формулируемых на их основе выводов обеспечивается строгостью производимых математических выкладок, базирующихся на аппарате математического программирования и исследования операций. Справедливость выводов относительно эффективности предложенных методов подтверждена математическим моделированием.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые на основе системного анализа с использованием комплексных показателей степени линейных искажения сигналов в каналах с помехами предложена многоуровневая модель подсистемы связи при управлении разноприоритетными объектами.
2. При решении задачи параметрического синтеза формы сигнала в каналах с АЧИ и ФЧИ разработан метод оптимального распределения энергии сигнала между составляющими и корректирования частотных характеристик каналов связи по комплексному показателю, учитывающий не только неравномерность АЧХ, но и нелинейность ФЧХ.
3. При решении задачи синтеза кодовой структуры сигнала предложена методика структурно-параметрического синтеза сигнала, обеспечивающих сокращение вычислительных затрат при согласовании спектра сигнала с каналом связи.
4. Разработан алгоритм назначения вариантов сигнала каналам системы управления с различными требованиями к достоверности передачи информации, обеспечивающий гарантированную эффективность управления разноприоритетными объектами за счет максимизации надежности связи в худшем по качеству канале.
Практическая значимость. Разработанные подходы к моделированию и методы оптимизации формы сигналов в условиях помех использованы при согласовании сигналов с каналами, имеющими нелинейные амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики, в условиях помех внешней среды. Учет различных требований надсистемы управления к достоверности передачи информации управляемым объектам позволяет более рационально распределить структурно-кодовый ресурс между каналами связи. На основные технические решения по реализации результатов работы поданы заявки на предполагаемые изобретения. На защиту выносятся:
1. Многоуровневая модель подсистемы связи при передаче сигналов объектам управления и построенная на ее основе итерационная процедура последовательного синтеза формы сигнала, реализующая принципы агрегирования сложной системы.
2. Метод оптимального корректирования частотных характеристик каналов связи по комплексному показателю в виде коэффициента взаимной корреляции эталонного и искаженного сигналов на основе отслеживания амплитудных параметров составляющих искаженного сигнала.
3. Методика структурно-параметрического синтеза сигналов в условиях канальных искажений и помех.
4. Алгоритм назначения вариантов сигнала каналам с различными требованиями к достоверности передачи информации.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 5-й международной научно-практической конференции (НІЖ) «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (Новочеркасск: ЮРГТУ, 2004 г.), 5-й НПК «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» (Новочеркасск: ЮРГТУ, 2004 г.), 1-й международной научно-технической конференции (НТК) «Инфотеле-коммуникационные технологии в науке, производстве и образовании» (Ставрополь: СевКавГТУ, 2004 г.), 8-й региональной НТК «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь: СевКавГТУ, 2004 г.), 5-й региональной НТК «Совершенствование методов управления» (Ставрополь: СИУ, 2005 г.), а также на научных семинарах в Северо-Кавказском государственном техническом университете (2003-2005 гг.), филиале Ростовского военного института ракетных войск (2003 г.), Ставропольском институте управле 12 ния (2005 г.), филиале Поволжской государственной академии телекоммуникаций и информатики (2005 г.).
Публикации. Полученные автором результаты достаточно полно изложены в 15 научных работах, среди которых 7 статей, опубликованных в журналах «Инфокоммуникационные технологии», «Физика волновых процессов и радиотехнические системы» и «Информационные технологии в моделировании и управлении», в «Вестнике СевКавГТУ», в сборнике научных трудов филиала Поволжской ГАТИ.
Реализация результатов исследования. Основные результаты исследований внедрены (что подтверждено соответствующими актами):
в Научно-исследовательском институте специальных информационно-измерительных систем (г. Ростов-на-Дону) в виде методики структурно-параметрического синтеза сигналов в условиях канальных искажений и помех (позволяющей сократить в 3,5 раза количество вычислительных операций) - при разработке алгоритмов контроля АЧХ фильтров по теме ОКР «Адресат АТК-М»;
в учебном процессе Ставропольского института управления при подготовке учебного пособия «Задачи оптимизации в информационно-телекоммуникационных системах» и проведении учебных занятий по дисциплинам «Теория принятия решений» и «Теоретические основы автоматизированного управления».
Личный вклад автора. Лично автору принадлежит разработка итерационной процедуры последовательного синтеза формы сигнала основе многоуровневой модели подсистемы связи, метод оптимального корректирования АЧХ каналов связи по комплексному показателю, методика структурно-параметрического синтеза сигналов и алгоритм назначения вариантов сигнала каналам с различными требованиями к достоверности передачи информации.
Похожие диссертации на Структурно-параметрический синтез сигналов в системах управления с учетом комплексного воздействия помех и канальных искажений
