Введение к работе
Актуальность:
Характерной чертой технического прогресса является широкое использование электронно-вычислительной аппаратуры (ЭВА) и систем управления, которые стали неотъемлемой частью человеко-машинных управляющих систем. Однако с расширением сфер приложения данные системы подвергаются всё более жестким разнообразным дестабилизирующим воздействиям (акустические, электромагнитные, вибрационные поля и т.п.) обусловленным, как средой функционирования, так и внешними источниками. В комплексе мероприятий по обеспечению требуемых высоких надёжностных и эргономических показателей человеко-машинных управляющих систем большое значение имеет разработка средств и методов их защиты от данных воздействий, что является одной из основных проблем, решаемых разработчиками средств вычислительной техники и систем управления.
Среди всего многообразия дестабилизирующих факторов, воздействующих на человеко-машинные управляющие системы, одним из самых распространенных и значимых являются акустические шумы, защита от которых стала одной из актуальнейших проблем для всех стран мира. Пагубное физиологическое и психологическое воздействие шума хорошо известно, кроме этого, в связи с неуклонным повышением мощностей двигателей, скоростей полетов и т.п. уровни акустических шумов значительно возросли и достигли разрушающих значений и для самих технических систем. Огромное внимание вопросам борьбы с шумом уделяется международными организациями. Так международной организацией по стандартам ISO (технический комитет №43 "Акустика"), разработано более 50 стандартов, регламентирующих способы оценки источников шумов и контроля за акустическим климатом. Воздействие акустического поля также вредно и для самой электронной аппаратуры (ЭА), в результате которого в элементах конструкций возбуждаются нежелательные колебания, приводящие к снижению её надежности. При этом акустические воздействия оказывают влияние на конструктивные элементы как через амортизаторы аппаратуры, так и через кожух, поэтому аппаратура, защищенная от вибраций, может оказаться незащищенной от шума.
Большинство используемых сегодня методов защиты от акустических воздействий реализованы традиционными пассивными средствами с помощью различных звукопоглощающих материалов, демпферов, перегородок, специальных звукоизолирующих покрытий, конструкций и т.п. При гашении низкочастотных составляющих такие средства малоэффективны, а их объемы и масса недопустимо возрастают. Это заставляет разрабатывать и использовать новые средства защиты технических систем и обслуживающего персонала, способные адаптироваться к изменяющимся условиям среды в автоматическом режиме и реальном масштабе времени. В связи с этим наряду с пассивными средствами защиты от шума находят применение активные средства зашиты, использующие дополнительные источники энергии.
Идея активного гашения шума возникла более полувека назад. Однако для её эффективной практической реализации потребовались десятилетия. Распространению активных методов и средств защиты от шума способствовали: во первых, необходимость снижения шума в диапазоне низких частот, где классические пассивные средства малоэффективны или вообще неприемлемы, во-вторых, успехи в области теории управления, вычислительной техники, цифровой обработки сигналов и микроэлектроники, что позволило удовлетворить высоким требованиям, предъявляемым к эффективности гашения, быстродействию, устойчивости, массогабаритным и другим технико-экономическим показателям систем активного гашения (САГ) акустических шумов. В результате активные методы дополнили традиционные пассивные в диапазоне нижних частот, где в настоящее время не имеют альтернативы.
САГ, в общем случае, относятся к числу многомерных, многосвязанных систем автоматического управления акустические полем. При этом под объектом управления следует понимать совокупность компенсирующих излучателей, приёмников и расположенных между ними участков среды или конструкции. САГ формируют с помощью
компенсирующих излучателей дополнительное инверсное гасящее поле с требуемыми пространственными и частотными характеристиками. Суперпозиция исходного и гасящего поля приводит к снижению результирующего поля в области контроля. Укажем некоторые практически важные области применения САГ: защита элементов технических систем от внешних низкочастотных акустических полей, снижение акустических шумов электронной аппаратуры, снижение шума в салонах самолётов, автомобилей, железнодорожных составах, метро и других транспортных средств, в трубах, например, в выхлопных или воздуховодах систем кондиционирования, уменьшение шума, излучаемого судами, акустических шумов индустриальных источников (трансформаторов, турбогенераторов, и т.п.), для улучшения звукоизоляции оконных проёмов, акустических характеристик командных пунктов с голосовой связью и т.п.
Теория активной защиты тесно связана с широким кругом смежных областей, например таких, как адаптивные антенные решетки, адаптивные компенсаторы помех и т.п. Анализ результатов большого числа работ в смежных областях и работ по активным средствам защиты позволяет выделить ряд актуальных задач стоящих перед разработчиками САГ связанных с: построением широкополосных, многомерных и многосвязанных САГ высокой пространственной размерности, необходимостью решения вопросов по устранению волновой обратной связи (ВОС) между приёмными и компенсирующими излучателями и учета изменения акустического поля на участке от компенсаторов до контрольных измерителей. Всё вышеизложенное обуславливает необходимость осуществления векторно-матричных операций высокой размерности в реальном масштабе времени, что накладывает высокие требования к быстродействию блоков управления (БУ) САГ, что в свою очередь обуславливает необходимость перехода к использованию новых структурно-алгоритмических методов реализации САГ, ориентированных на высокое распараллеливание обработки.
Также одним из сдерживающих факторов при создании САГ является практически полное отсутствие систем автоматизации их проектирования, что приводит к значительным затратам при разработке, проведении экспериментальных исследований и натурных испытаний. При этом ранее практически не рассматривался вопрос создания обобщенной методики проектирования средств защиты в зависимости от характеристик акустических воздействий. Современные тенденции таковы, что разработка технических электронных систем, становится всё более сложной, при этом ужесточаются требования к срокам их проектирования, показателям, надежности и эргономическим характеристикам, что делает актуальной задачу создания, на основе обобщенного подхода, аппаратно - программного комплекса (АПК) автоматизированного проектирования САГ с использованием баз данных/знаний и средств цифровой обработки сигналов.
Целью настоящей работы является создание и формализация обобщенной методики проектирования средств активной защиты человеко-машинных управляющих систем от акустических воздействий, разработка структурно-алгоритмического базиса построения пространственных многомерных САГ, создание аппаратно-программного комплекса автоматизации их проектирования, разработка и экспериментальные исследования микропроцессорных адаптивных и нейроадаптивных средств активной защиты от воздействий акустических шумов при эксплуатации функциональной аппаратуры.
Для достижения поставленной цели в работе предпринята попытка решения комплекса задач, в частности: научно-технических (анализ и систематизация методов и средств зашиты от шума, классификация и синтез САГ, разработка обобщенной методики и алгоритма проектирования шумозащигных средств с позиции его автоматизации, исследование и разработка математических моделей и алгоритмов управления САГ, разработка структурно-алгоритмического базиса построения многомерных САГ на основе нейросегевых технологий), прикладных (создание аппаратно-программного комплекса (АПК) автоматизированного проектирования САГ с возможностью цифровой обработки сигналов, разработка с помощью АПК аппаратно-программных микропроцессорных САГ акустическою шума в воздуховоде системы кондиционирования. САГ акустических шумов при эксплуатации высокопроизводительных вычислительных комплексов (ВК) и систем
обеспечения бесперебойного электропитания) и экспериментальных задач (создание экспериментальной установки на базе АПК, детальные экспериментальные исследования возможности и эффективности снижения шума с помощью адаптивных систем активного гашения высокого порядка на натурных объектах, исследование зависимости эффективности компенсации от порядка САГ, её структуры, используемых алгоритмов и характеристик объекта управления, экспериментальное подтверждение эффективности разработанных микропроцессорных адаптивных САГ (АСАГ)).
Методы исследования. При решении поставленных задач в работе использованы элементы теории конструирования и надежности ЭА, нейроматематики, положения теории автоматизации проектирования, элементы теории экспертных систем и обработки знаний, математический аппарат теории автоматического управления, теории вероятностей, линейной алгебры, спектрального анализа.
Научная новизна работы состоит в следующем:
На основе проведенной классификации активных средств защиты от акустических воздействий, разработана обобщенная методика и алгоритм проектирования средств защиты от акустического шума с использованием процедур генерационного структурного и параметрического синтезов.
Для представления знаний по структурам реализации систем гашения предложена фреймовая семантическая сеть, позволяющая формализовать процесс генерационного структурного синтеза пассивных, активных и комплексных средств защиты от акустических воздействий, определены структуры фреймов экспертной системы, выделены и представлены в формальном виде процедурные и декларативные знания базы знаний.
Разработана методика синтеза пространственного размещения элементов сенсорного блока на основе алгоритма сеточной аппроксимации среды.
Предложены математические модели, структурные схемы и алгоритмы управления адаптивными микропроцессорными системами применительно к задачам активного гашения акустического шума с обработкой сигналов во временной и частотной областях, обоснованы и развиты методы теории нейронных сетей применительно к реализации многомерных, многосвязанных пространственных САГ акустических шумов.
Разработан системный подход к реализации информационного, аппаратного и программного обеспечения АПК автоматизированного проектирования САГ, позволяющий принимать решения в реальном времени на основе экспертной оценки текущих данных по состоянию объекта управления, а также осуществлять проектирование и экспериментальные исследования САГ с использованием баз знаний/данных и средств цифровой обработки сигналов.
Предложена методика использования АПК в качестве учебно-исследовательского комплекса, для чего в его состав введены дополнительные функциональные модули, позволяющие автоматически формировать структуру учебного материала в процессе активного обучения и обеспечивать проведение экспериментальных лабораторных исследований на физических и математических моделях.
Достоверность полученных научных результатов, выводов и рекомендаций диссертационной работы подтверждена результатами численного моделирования на математических моделях и экспериментальными исследованиями САГ в реальном масштабе времени на натурных объектах, а также внедрением результатов в разработку САГ шума при эксплуатации функциональной аппаратуры. Полученные в работе результаты подтверждают работоспособность АСАГ, а также наглядно демонстрируют эффективность использования разработанной методики автоматизированного проектирования систем активной защиты от шума с использованием АПК.
Так, например, результаты оценки эффективности АСАГ шума функциональной аппаратуры в реальном времени на натурном объекте в месте установки контрольных
измерителей показали, что начиная с частоты 40 Гц вплоть до частоты 500 Гц максимальная реальная эффективность снижения шума составляет 12-14 дБ, определенную же теоретически эффективность гашения шума для рассматриваемого объекта в 20-22 дБ в данном частотном диапазоне следует считать предельной и ограниченной акустическими свойствами конкретного объекта управления и техническими ограничениями реализации АСАГ. Основной причиной отличия практически достигнутой эффективности от теоретически ожидаемой является влияние волновой обратной связи, эффективность снижения которой в данном случае путем включения дополнительного узла настройки составило в рассматриваемом частотном диапазоне 18-20 дБ.
Реализация АСАГ на основе нейросетевых технологий позволила увеличить величину максимальнодостижимой реальной эффективности снижения шума для рассматриваемого объекта до 17-19 дБ, при этом уровень снижения волновой обратной связи составил 21-23 дБ, что подтверждает эффективность применения для реализации многомерных, широкополосных АСАГ высокого порядка структурно-алгоритмических решений на основе нейросетевых технологий.
Положения, выносимые на защиту:
Методика формализации процедур генерационного структурного синтеза САГ, на основе фреймовой семантической сети с выделением и представлением в формальном виде процедурных и декларативных знаний базы знаний по вариантам реализации САГ, реализация процедур синтеза пространственного размещения элементов сенсорного блока САГ на основе алгоритма сеточной аппроксимации среды и параметрического синтеза БУ САГ в реальном масштабе времени с использованием цифровой обработки сигналов.
Математические модели, структурные схемы и алгоритмы построения адаптивных САГ высокого порядка с автоматическим учетом нестационарности акустических характеристик канала ВОС и объекта управления и обработкой сигналов во временной или частотной областях. Результаты теоретических и экспериментальных исследований работоспособности таких АСАГ.
Развитие, обоснование и применение методов теории нейронных сетей для реализации структурно-алгоритмического базиса построения широкополосных, многомерных САГ акустических шумов высокого порядка, конкретные схемные реализации таких САГ.
Методика построения, состав, структура и принципы функционирования аппаратного, программного, информационного и методического обеспечения АПК автоматизированного проектирования САГ с использованием баз знаний/данных и средств цифровой обработки сигналов, обеспечивающие возможность принятия решений в реальном времени на основе экспертной оценки текущих данных по состоянию объекта управления.
Структурные схемы построения виртуальных аппаратных измерительных средств цифровой обработки сигналов АПК с высокой конвейеризацией и распараллеливанием вычислений, конкретные схемные реализации таких средств.
Аппаратно-программная реализация микропроцессорных САГ акустических воздействий на основе разработанного структурно-алгоритмического базиса построения многоканальных, широкополосных САГ высокого порядка с автоматическим учетом влияния волновой обратной связи и нестационарности акустических характеристик объекта управления.
Практическая ценность работы состоит в том, что обобщенная методика проектирования САГ, модели, структурно - алгоритмические решения построения широкополосных, многомерных САГ на основе нейросетевых технологий позволяют реализовать эффективные САГ высокого порядка с приемлемыми массогабаритными и стоимостными характеристиками.
Созданный АПК автоматизированного проектирования и экспериментальных исследований САГ позволяет: синтезировать структуру системы гашения с параметрами,
обеспечивающими наилучшие показатели по критерию качество/стоимость в зависимости от характеристик объекта управления, оценивать эффективность работы САГ шума при использовании различных адаптивных и нейроадаптивных алгоритмов в реальном масштабе времени, оценивать предельно достижимую величину снижения шума при наименьшей пространственной размерности системы гашения, сократить сроки и повысить качество разработок САГ.
Проведенные экспериментальные исследования и разработка микропроцессорных средств активной защиты человеко-машинных управляющих систем от акустических воздействий показали, что созданный АПК можно применять для широкого круга задач по исследованию и проектированию средств защиты от шума различных источников.
Результаты, полученные в работе, являются теоретической и методической основой для проектирования и проведения экспериментальных исследований широкополосных, многомерных САГ шума в условиях априорной неопределенности, обладающих высокоэффективными контурами параметрической самонастройки. Они также могут быть использованы при проектировании адаптивных и нейросетевых САГ вибрационных, электромагнитных и других волновых полей в различных физических средах.
Реализация результатов
Полученные в работе результаты: математические модели, алгоритмы и программы управления САГ, обобщенная методика автоматизированного проектирования САГ, методика анализа и синтеза САГ с использованием разработанного АПК, методика размещение элементов сенсорного блока в зависимости от характеристик объекта носителя, структурно-алгоритмический базис и конкретные системотехнические решения построения многомерных, широкополосных САГ высокого порядка, использованы при проектировании САГ акустических шумов различных источников в ГНЦ "Акустический Институт им. академика Н.Н. Андреева" РАН (г. Москва), в работах ГНПО "АГАТ"(г. Москва), связанных с построением современных и перспективных корабельных автоматизированных систем упраачения (АСУ), для целого класса которых проблема шумности функциональной аппаратуры является актуальной задачей, внедрены в разработку САГ акустических шумов высокопроизводительных вычислительных комплексов, осуществляемых ЦНИИ "Комета" (г.Москва). Копии актов и справок о внедрении результатов в выше перечисленные разработки указанных предприятий прилагаются.
Внедрение результатов работы продолжается, они также могут быть использованы в научно-производственных объединениях, специализирующихся в области борьбы с воздействиями волновых полей различной природы, в том числе и при эксплуатации электронной техники, например в, Институте Машиноведения им. А.А. Благонравова РАН (г. Москва), НИИ "Дельта" (г. Москва), ГНЦ "ЦНИИ им. академика А.Н. Крылова" (г. С.-Петербург), НИИ Счетного машиностроения (г. Москва), ИПФ РАН (г. Нижний Новгород) и ряде других.
Научные положения, выводы, рекомендации полученные в диссертации, созданный АПК автоматизированного проектирования САГ, использованы при подготовке и чтении лекций и проведении лабораторных учебно-исследовательских работ по курсам "Конструирование ЭВС" и "Теоретические основы конструирования и надёжности ЭВС" в МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также при подготовке по специальности "Акустические приборы и системы" в МГИРЭА (г.Москва).
Апробация работы:
Результаты работы были представлены на: 15-ом международном акустическом конгрессе в Трондхейме (Норвегия) (15th International Congress on Acoustics, Trondheim, Norway, 26-30 June 1995), международном научном конгрессе студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодёжь и наука - третье тысячелетие", (Россия, Москва, 27 января - 1 февраля, 1996), научно-практической конференции "Новое в безопасности жизнедеятельности и экологии" (Россия, С-Пб, 14-16 октября 1996), Российской научно-практической конференции ТехноПроф"97 (Россия, Москва, 9-14 января 1997), 3-ей Всероссийской конференции "Нейрокомпьютеры и их применение" (Россия, Москва, 12-14
февраля 1997), 20-ой научно-технической конференции ЦНИИ "Комета" "Новые технологии создания и испытаний глобальных информационно-управляющих систем (ГИУС). Диверсификация систем оборонного назначения"(Россия, Москва, 15-16 апреля 1997), шестой сессии РАО "Акустика на пороге 21 века" (Россия, Москва, 14-16 октября 1997), 5-ом Всероссийском семинаре "Нейроинформатика и её приложения" (Россия, Красноярск, 3-5 октября 1997).
Публикации
Основные результаты работы опубликованы в 11 печатных работах, докладывались на вышеприведенных конгрессах, конференциях, семинарах и представлены во всемирной сети Интернет на сервере МГТУ им. Н.Э. Баумана ( - web -раздел кафедры "Конструирование и технология производства ЭА").
Структура н объем работы:
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 211 страниц, 60 рисунков, список использованных источников из 357 наименований.
