WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

ТРОЯНОВСКИЙ Владимир Михайлович

АНАЛИЗ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ

СТОХАСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Специальность: 05.13.01 – Системный анализ, управление

  и обработка информации

(вычислительная техника и информатика)

Автореферат диссертации,

представленной на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва, 2008

Работа выполнена в Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) на кафедре «Информатика и программное обеспечение вычислительных систем».

Научный консультант  доктор технических наук,

профессор Бондаревский А.С.

(г.н.с. ОАО «Ангстрем-М»),

г. Москва, Зеленоград

Официальные оппоненты:

Першин И.М.,

доктор технических наук,

профессор (Пятигорский государственный технологический университет)

Петров Ю.П.,

доктор технических наук,

профессор (Санкт-Петербургский государственный университет)

Кравченко П.П.,

доктор технических наук,

профессор (зав. кафедрой МОП ЭВМ Технологического Института ЮФУ в г. Таганроге)

Ведущая организация:

Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова

РАН, г. Москва

Защита диссертации состоится «11» декабря 2008г. на заседании диссертационного совета Д212.208.22  в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге.

Адрес: 347928, Ростовская обл., г. Таганрог, ГСП-17А, пер. Некрасовский, 44, ауд. Д-406.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮФУ.

Автореферат разослан «__» _________200__г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

д.т.н.. проф.        А.Н. Целых

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Наступивший XXI век – век информатизации. Расширение возможностей ЭВМ и их проникновение во все сферы человеческой деятельности потребовали создания:

- сложных методов, алгоритмов и программ из области  «системного анализа, управления и обработки информации»;

- реализующих эти методы, алгоритмы и программы информационно-управляющих систем (ИУС).

Высокоуровневое (Hi-tech) управление требует решения таких сложных проблем при создании ИУС, как:

  1) работа в реальном времени,                                

  2) учет динамических свойств объектов,

  3) стохастичность воздействий и малая изученность объектов,

  4) наличие дискретно-непрерывных преобразований,

  5) ограниченность интервалов наблюдения,

      6) создание проблемно-ориентированных системных

и прикладных компьютерных программ.

В современных областях кибернетического знания – теории автоматического регулирования (ТАР), теории автоматического управления (ТАУ) и технической кибернетике (ТК), проблемы (1) решаются по отдельности.

Актуальность темы диссертации заключается в совместном решении поименованных проблем Hi-tech управления (1) и создании на этой основе соответствующих систем методов, алгоритмов, программ и реализующих их ИУС, ориентированных на потребности практики. Прм этом работа соискателя основывается на анализируемых ниже трудах специалистов ТАР, ТАУ и ТК.

1) Работа в реальном времени. Принцип необратимости времени, сформулированный Н.Винером, – один из часто нарушаемых краеугольных камней при проектировании ИУС. Действительно, объект управления всегда работает в реальном времени, и система управления (СУ) обязана работать в том же времени. Какой бы быстродействующий компьютер ни применялся в СУ, нельзя использовать будущие отсчеты сигналов для расчета управляющего воздействия, требуемого в текущий момент времени. Реакция физически реализумых объектов и операторов не может наступить в реальном времени раньше, чем было приложено входное воздействие. К сожалению, как отмечают Д. Миддлтон, Я.З. Цыпкин и др., многие изящные математические построения при расчете систем обработки информации и управления приводят к физически нереализуемым операторам и необходимости поиска последующих приближенных решений.

       Проблема реального времени системно связана и с другими проблемами в (1):

  • и состояние объекта, и вся предистория динамического развития этого текущего состояния, и реакция объекта на управляющее воздействие – все это складывается в реальном времени;
  • при  использовании  цифровых  регуляторов  для  объектов, рабо-

тающих в непрерывном времени (а также при управлении дискретно-непрерывными производствами) необходим учет единого реального времени для непрерывных и дискретно-непрерывных частей системы;

  • при создании системных и прикладных компьютерных программ для ИУС приходится разрабатывать операционные системы реального времени.

  В диссертации проблема реального времени рассматривается как объективная данность, которая должна учитываться и при анализе объектов и СУ, и при синтезе физически реализуемых алгоритмов управления.

2) Учет динамических свойств объектов. Системный подход к совместной работе  динамических объектов и системы управления  развит в классических методах ТАР и ТАУ, начиная с работ  И.А. Вышнеградского и Д.К. Максвелла. В работах Дж. Рауса, Н.Е. Жуковского, А.М Ляпунова, Б. Ван-дер-Поля, И.Н. Вознесенского, А.А. Андронова, М.А. Айзермана, А.А. Красовского и др., разрешены ключевые проблемы устойчивости линейных и нелинейных систем автоматического управления и оценки качества переходных процессов в ответ на стандартные возмущения. С рождением ТК (Н. Винер и К. Шеннон) расширился круг анализируемых проблем в технических, в биологических, экономических и иных приложениях, а также произошел переход к решению задач оптимального управления и адаптации в сложных динамических системах. Этому способствовали работы А.А. Фельдбаума, Л.С. Понтрягина, Р.Е. Беллмана, Ш.С.Л. Чанга, Я.З. Цыпкина  и др. В ведущих технических вузах страны возникли целые научные школы по ТАР и ТАУ (В.В. Солодовников, Г.К. Круг, А.В. Нетушил, А.А. Воронов). Написаны сотни учебников и учебных пособий.

Вместе с применением ЭВМ в ИУС стал возможным переход от прямого использования сигналов с датчиков и классических законов регулирования к управлению  объектами  с  помощью  сложных алгоритмов и

предварительной обработки информации.

       Проблема учета динамических свойств объектов системно связа-

на и с другими проблемами в (1):

- при учете стохастичности воздействий и малой изученности объектов динамика последних существенно сказывается на методике и качестве оценивания достигаемых результатов;

- в силу ограниченности интервалов наблюдения возникает проблема учета «запасенной энергии» при анализе динамических объектов.

  В диссертации1 проблема учета динамических свойств объектов рассматривается как объективная реальность анализа и синтеза ИУС.

3) Стохастичность воздействий и малая изученность объектов.

       При анализе работы систем в условиях случайных воздействий  и помех нарушаются исходные предпосылки классического математического аппарата ТАУ, прежде всего в силу отсутствия аналитического описания для случайной функции времени. Здесь потребовалось привлечение и развитие теории вероятностей и математической статистики.

       Статистика, как наука, насчитывает три века (Я. Бернулли, А. Муавр, П.С. Лаплас, А.А. Марков, П.Л. Чебышев, А.А. Ляпунов, А.Я. Хинчин, А.Н. Колмогоров и др.). Среди первых фундаментальных работ по исследованию  случайных процессов  в задачах автоматического управления, следует указать работы  В.С. Пугачева; среди зарубежных системных работ – монографию  Дж.Х. Лэнинга и Р.Г. Беттина.

В 60-х годах появились фундаментальные работы по теории шумов и статистической радиотехнике (Дж. Бендат, Д. Миддлтон, Б.Р. Левин, А.А. Свешников, В.И. Тихонов), анализу случайных процессов в нелинейных (Е.П. Попов и И.П. Пальтов, Дж. Бокс и Г. Дженкинс, А.А. Первозванский, К.А. Пупков) и экстремальных системах (Ю.Г. Хлебцевич, В.М. Кунцевич, М.Г. Эскин, Л.Н. Фицнер, Н.М. Александровский, А.С. Бондаревский, Р.Е. Кузин, Г.А. Медведев, В.П. Тарасенко).  Малую изученность объектов компесируют методами дуального управления (А.А. Фельдбаум), случайного поиска (Л.А. Растригин), адаптации и обучения (Я.З. Цыпкин), экспериментами методами (Е.Г. Дудников и др.).

       Проблема стохастичности воздействий и малой изученности объектов системно связана и с другими проблемами в (1):

- если ТАР и ТАУ рассматривают развитие процессов в реальном

времени и в динамике, то статистика изначально тяготеет к случайным

событиям, вероятностям, теории множеств;

- при анализе единственной реализации привлекается эргодическая гипотеза, и авторы таким образом явно или неявно отказываются от исследования процессов при ограниченном интервале наблюдения.

  В диссертации проблема стохастичности воздействий и малой изученности объектов рассматривается как центральная методическая проблема на пути к количественному анализу ИУС.

4) Наличие дискретно-непрерывных преобразований. Еще до массового применения компьютеров дискретно-непрерывная проблематика разрабатывалась в ИПУ, ЦННИКА, МЭИ,  МИТХТ, МИХМ в связи с автоматизацией металлургических, энергетических и химических производств (Н.С. Райбман, В.М. Чадеев, Э.Л. Ицкович, Е.Г. Дудников, Г.К. Круг, А.В. Нетушил, В.А. Бородюк,  В.В. Кафаров, В.С Балакирев, Ю.М. Быков и др.). С внедрением цифровой техники, цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразований появились фундаментальные работы по теории линейных импульсных систем с использованием - преобразований (Я.З. Цыпкин, Л.Т. Кузин, Е.Н. Джури). Во многих исследованиях используется теорема В.А. Котельникова (переоткрытая позже Х. Найквистом), о применимости которой велась широкая дискуссия.

         В диссертации проблема дискретно-непрерывных преобразований решена во временной области (без перехода к операторным изображениям): для анализа детерминированных процессов в линейных динамических системах с цифровым регулятором, и для стохастических процессов в системах с дискретно-непрерывными преобразованиями.

5) Ограниченность интервалов наблюдения (при изучении объектов и управления ими). Эта проблема приводит к статистическим погрешностям результатов в любых задачах оценивания (Е.С. Вентцель, Л.А. Овчаров, Ю.А. Розанов, В.П. Чистяков и др.), в том числе, и при использовании данных нормального функционирования объектов (А.А. Красовский). В отличие от класической статистики, исследователь обычно имеет дело (С.А.  Айвазян) с единственной реализацией и коррелированными данными,  что может приводить к существенным различиям при усреднении по множеству и по времени  (на  это неоднократно  указывал В.С. Пугачев).

  В диссертации учет проблемы ограниченности интервалов наблюдения позволяет получить количественные оценки точности достигаемых решений  при  изучении  объектов  по данным их нормального функционирования, а также провести параметрический синтез ИУС.

6) Создание проблемно-ориентированных системных и прикладных компьютерных программ. На важность и сложность программных проблем указывали многие ученые (В.В. Липаев, Ф.П. Брукс,  К.У. Боэм и др). Особенно остро системная значимость проблемы проявилась в связи с массовым внедрением микропроцессоров и микроЭВМ в системы управления. Внимание исследователей и ученых переключилось на широкий круг вопросов – от архитектуры микроэлектронных устройств и систем управления (научные школы И.В. Прангишвили, Б.Н. Наумова, Н.Л. Прохорова, Л.Н. Преснухина, А.В. Каляева и др.), датчиков и исполнительных механизмов (Д.И. Агейкин, Э.И. Гитис, В.В. Островерхов), интерфейсов и программирования (В.В. Липаев, В.Ф. Шаньгин, и др.). Появились публикации по системам управления с ЭВМ и микроЭВМ (Т. Харрисон, Н.Л. Прохоров, А.Н. Шкамарда, А.А. Васенков, В.М. Пролейко, К. Острем и Б. Виттенмарк, В.А. Бесекерский, В.И. Гостев) 2.  Все больше внимания уделяется проектированию систем реального времени (М. Блэкман, М. Джамшиди и Ч.Дж. Хергет, Я.А. Хетагуров и др.), адаптации операционных систем реального времени (Г.А. Егоров, И.Л. Талов и др.), созданию системных и прикладных компьютерных программ3, построению Computer-Aided … систем (т.е. создаваемых или работающих «с помощью» ЭВМ), защите информации.

В то же время наработанные ранее алгоритмические решения для традиционных статистических методов перешли в пакеты готовых прикладных компьютерных программ и широко распространились вместе с ЭВМ (С.А. Айвазян, Л.Д. Мешалкин, В.П. Боровиков, Л. Льюинг и др.). Специалисты указывают, что их применение при обработке данных от реальных процессов может принести неквалифицированным пользователям неодназначности, погрешности и даже вред – ведь величина погрешностей и даже сам факт их появления зависят от коррелированности данных, а именно она-то и не учитывается традиционными статистическими методами (эти задачи решаются соискателем) 4.

Объект и предмет исследований

Выделим из всей иерархии информационно-управляющих систем (см. ниже табл. 1.1) класс сложных ИУС – от уровня  прямого  цифрового  регулирования  до адаптивных систем управления нелинейными динамическими объектами и самонастраивающихся АСОДУ. Тогда:

Объектом исследований (тем, НА ЧТО направлены усилия соискателя)  является именно этот класс сложных  стохастических систем управления  с  признаками-свойствами, назваными выше (работа в реальном времени, учет динамических свойств объектов, стохастичность воздействий и малая изученность объектов, наличие дискретно-непрерывных преобразований, ограниченность интервалов наблюдения, создание проблемно-ориентированных системных и прикладных компьютерных программ).

Предметом исследований (тем, ЧТО направлено на объект исследований) является анализ и параметрический синтез таких систем на основе совместно решённых проблем управления (1), создания методов, алгоритмов и программ, позволяющих реализовать соответствующие ИУС, ориентированные на потребности практики.

Проблемная ситуация, сложившаяся в области объекта исследований, определяется совместной (системной) нерешенностью выделенных проблем (1).  Эти проблемы освещаются в научной литературе лишь с какой-то одной определенной стороны, иногда – только обозначаются или содержат ссылочную библиографию.

Кроме того, как показано в главе 2, есть свои проблемы в инструментарии исследований, то есть, в области предмета исследований. Разрешение выявленной таким образом проблемной ситуации становится возможным лишь на основе комплексного анализа упоминаемых проблем (1) с единых позиций, и это позволяет получить новые научные результаты, направленные именно на преодоление проблемной ситуации.

Цель и задачи исследований

Целью исследований является преодоление отмеченной выше проблемной ситуации. Здесь - это совместное решение проблем управления (1), создание методов, алгоритмов и программ, позволяющих реализовать соответствующие ИУС, ориентированные на потребности практики, а также получение оценок точности достигаемых решений.

Для достижения поставленной цели решаются следующие научные задачи и подзадачи, отраженные в названиях глав диссертации:

  1. Анализ информационно-управляющих систем как объекта исследований. Выявление проблемной ситуации.
  2. Выбор математического аппарата как инструментария исследования процессов реального времени.
  3. Применение выбранного математического аппарата для анализа динамических процессов в системах с дискретно-непрерывными преобразованиями сигналов – на примере анализа линейных систем с цифровым регулятором в цепи обратной связи.
  4. Методические вопросы анализа случайных процессов в информационно-управляющих системах:

       -  учет эргодичности процессов после линейных  и  нелинейных, а

  также при дискретно-непрерывных преобразованиях сигналов;

       - анализ линейных динамических объектов в условиях случайных

        воздействий и помех;

       - регулирование  по  случайным  возмущениям на входе и  его ха-

  рактеристики;

  1. Ограниченное время наблюдения (на примере идентификации характеристик динамических объектов).
  2. Синтез информационно-управляющих систем (на примере управления нелинейными объектами, оптимизации и адаптации).
  3. Разработка проблемно-ориентированного информационного, программного и технического обеспечения, реализованного в ИУС реального времени и в учебном процессе.

Научная новизна исследований

Научная новизна диссертации состоит в теоретическом обобщении и развитии подходов, обеспечивающих совместное решение обозначенных проблем управления (работа в реальном времени, учет динамических свойств объектов, стохастичность воздействий и малая изученность объектов, наличие дискретно-непрерывных преобразований, ограниченность интервалов наблюдения, создание системных и прикладных компьютерных программ) и, соот-ветственно, - создание на этой основе методов, алгоритмов, программ и реализующих их ИУС, ориентированных на потребности практики.

Научная новизна  исследований проявляется в следующих новых научных результатах.

I. Показано, что:

  1. Адекватный  математический  аппарат  для  анализа  сложных

ИУС, позволяющий одновременно учитывать реальное время, динамику процессов, дискретно-непрерывные преобразования, случайные воздействия и ограниченный интервал наблюдения, должен базироваться на использовании уравнения свертки и теории случайных процессов.

  1. Описание линейной системы  с  дискретно-непрерывным кана-

лом и системы управления с цифровым регулятором может быть приведено к форме уравнения свертки; при этом эквивалентная весовая функция определяется из решения интегрального уравнения Вольтерра 2-го рода; присутствие в этом уравнении в явном виде периода отсчетов Ts предопределяет его влияние на результирующую весовую функцию.

  1. Линейное преобразование эргодического входного процесса дает эргодический выходной процесс, как для непрерывных сигналов, так и для сигналов, дискретизированных во времени; существует класс нелинейных преобразований нормального случайного процесса, не нарушающих его эргодичности.
  2. Решение статистических задач с усреднением по множеству и по времени может приводить к разным результатам. На примере решения задачи идентификации показано, что при усреднении по множеству искомая оценка оказывается абсолютно точной независимо от уровня помехи; при усреднении по времени дисперсия оценки зависит от относительного уровня помехи и числа используемых отсчетов.
  3. Механизм возникновения погрешностей весовой функции при идентификации динамических объектов по реализациям ограниченной длины (получивший название «эффекта запасенной энергии») кроется  в

некорректном использовании доступных данных.

II. Получены:

  1. Условие  сходимости  ряда, используемого  при  выводе соотно-

шения для дисперсии оценки коэффициента усиления безинерционного

звена в задаче идентификации.

  1. Выражение для  ковариационной матрицы погрешности оценки идентификации динамического  объекта  при  наличии  аддитивной  помехи на выходе и коррелированном входном сигнале.
  2. Соотношения для количественного анализа дуального управле-

ния нелинейным динамическим объектом в условиях случайных возмущений, помех и ограниченных интервалов наблюдения.

  1. Соотношения для количественного анализа алгоритмов управления нелинейным динамическим объектом при наличии дрейфа, рассматриваемого как стационарный случайный процесс с заданной ковариационной функцией.
  2. Соотношения для оптимального уровня параметров, доступных для регулирования в адаптивной системе управления и количественные  характеристики  эффективности  адаптивного управления, а также соотношения, определяющие границы целесообразности адаптивного управления в зависимости от крутизны характеристики объекта, сочетания временных свойств дрейфа и периода отсчетов, соотношения дисперсий помехи и дрейфа.

III. Истолкованы, промоделированы и количественно оценены:

  1. Работоспособность соотношения для определения доверительных границ оценки коэффициента усиления безинерционного звена.
  2. Существование инвариантных сочетаний параметров полезного сигнала, помехи, дрейфа, статических и динамических характеристик объекта и системы управления, которые определяют эффективность адаптивного управления.

IV. Разработаны:

  1. Методика и алгоритмы для идентификации весовой функции и коэффициента передачи объекта по реализациям ограниченной длины, а также методика для расчета ковариационной матрицы погрешности  оценки и улучшения статистических свойств оценки весовой функции.
  2. Методика  и алгоритмы  для  практического  осуществления  дуального управления.
  3. Методика, алгоритмы и рабочие программы операционных систем реального времени для отечественных мини- и микроЭВМ.
  4. Методика, алгоритмы и рабочие программы ИУС реального времени, внедренных в народное хозяйство.

V. Выдвинута:

  1. Концепция предоставления пользователю-непрограммисту воз-

можности определенной адаптации программного комплекса к изменяющимся требованиям без привлечения разработчиков.

Достоверность новых научных результатов подтверждена математическим обоснованием полученных результатов, их аналитическим и  имитационным  моделированием,  натурным  тестированием,  а также

внедрением в практику – многолетним использованием:

- в промышленности (см. раздел «Реализация новых научных результатов работы»);

- в учебном процессе МИЭТ (на кафедре «Информатика и программное обеспечение вычислительных систем»).

Научные положения, выносимые на защиту:

1) Анализ и синтез информационно-управляющих систем требуют совместного учета таких особенностей объектов управления, как:

  • работа в реальном времени,
  • учет динамических свойств объектов,
  • стохастичность воздействий и малая изученность объектов,
  • наличие дискретно-непрерывных преобразований,
  • ограниченность интервалов наблюдения,
  • создание системных и прикладных компьютерных программ.

       2) Для получения адекватных результатов при анализе линейных динамических объектов, в том числе, с дискретно-непрерывными преобразованиями, явным учетом периода дискретизации и возможностью учета стохастических воздействий, необходимо проведение анализа  во  временной  области  и  использование  уравнения  свертки.

3) Применение статистических методов и эргодической гипотезы в рассматриваемых условиях  становится  методически  обоснованным  и  конструктивным  за счет следующих доказательств:

- линейные и дискретно-непрерывные преобразования исходных эргодических процессов не нарушают их эргодичности;

- существует класс сигналов и нелинейных преобразований, взаимодействие которых не нарушает эргодичности процесса, в том числе, при дискретно-непрерывных преобразованиях сигнала;

- при обработке реализаций ограниченной длины имеется принципиальная разница в результатах, достигаемых при усреднении по мно-

жеству и по времени.

4) Идентификация весовой функции динамического объекта требует различного использования отсчетов сигналов на входе и выходе объ-

екта,  а  также специального  алгоритма  их обработки. Разработан рабо-

чий алгоритм идентификации и получены оценки точности его работы.

Предложен метод дальнейшего улучшения оценки на основе вида ковариационной матрицы погрешности идентификации.

5) При дуальном управлении нелинейным динамическим объектом

есть оптимальный уровень допустимых флуктуаций входного сигнала.  Существует набор инвариантных сочетаний параметров объекта, сигналов и дрейфа, определяющих эффективность адаптивного управления и «потолок возможностей» системы управления. Синтезирован рабочий алгоритм оптимального управления нелинейным динамическим объектом в условиях дрейфа, случайных воздействий, помех и ограниченных интервалов наблюдения.

6) Создание рассматриваемого класса ИУС требует разработки операционных систем реального времени и специального программного обеспечения. Разработаны соответствующие методики, алгоритмы и рабочие программы операционных систем реального времени для первых отечественных мини- и микроЭВМ, а также алгоритмы и рабочие программы ИУС реального времени, внедренных в народное хозяйство.

       Теоретической и методической основой исследований являются: теория автоматического управления, теория случайных процессов, векторный анализ, теория вариационного исчисления, теория стохастических систем, проверка результатов с помощью компьютерного моделирования, широкое апробирование операционных систем реального времени на первых отечественных мини- и микро-ЭВМ.

       Практическая ценность и значимость диссертации прослеживаются в трех направлениях.

       1. Разработанный теоретический аппарат и методики позволяют объяснить и устранить неоднозначности и ошибки, возникающие при попытках применить классический подход к построению ИУС, работающих в условиях случайных возмущений, помех и ограниченных интервалов наблюдения. Полученные количественные характеристики точности, учитывающие эти условия, создают надежную методическую базу для непосредственного построения рабочих алгоритмов ИУС разных иерархических уровней, использующих данные нормального функционирования объектов для их изучения и управления ими.

       2. Программы операционных систем реального времени, разработанных автором лично и созданных под его руководством, позволили оснастить ими серийные мини- и микроЭВМ. Экономический эффект проведенных  под  руководством  автора  НИОКР по созданию програм-

много обеспечения имеет порядок нескольких миллионов рублей.

       3. Полученные теоретические результаты, методики и модели внедрены в учебный процесс МИЭТ – Московского государственного института электронной техники (технического университета) – в виде поставленного автором учебного курса «Программное обеспечение управляющих систем».

Реализация новых научных результатов работы

Реализация в промышленности. При работе автора в качестве научного руководителя, главного конструктора, а также непосредственного исполнителя НИОКР в НИИ «Научный Центр» и НПО «Научный Центр» (работы входили в план важнейших работ Министерства электронной промышленности) получены следующие результаты:

  1. Создан стандарт предприятия «Операционная система для ЭВМ «Электроника-100», [43], 1974 г.
  2. Проведен комплекс работ по алгоритмизации и автоматизации технологических процессов на Южной промышленной зоне Зеленограда и построению на их базе распределенных систем управления ([44], [46]), 1975-82 г.г.
  3. Проведен комплекс работ по координации и методическому ру-ководству работами по АСУТП в подотрасли, [45], 1978-80 г.г.
  4. Созданы операционные системы для первых отечественных микроЭВМ, послужившие основой для разработки  программного обеспечения ИУС и САПР ([47], [48]), 1982-83 г.г.
  5. Создана система автоматизации программирования для заказчиков от ракетно-космической фирмы ([50], [51]), 1983-86 г.г.
  6. Организованы совместно с МИЭТ первые в стране курсы по программированию на ДВК. Проведено обучение на них свыше 2000 слушателей, 1983-88 г.

Кроме того, научные результаты диссертации использованы при проведении НИОКР в следующих организациях:

  1. В ОНИЛ МИЭТ  - при построении системы выделения сигнала на фоне помех, 2004 г.
  2. В Таганрогском НИИ «Бриз» – при проведении НИОКР и решения задач распознавания гидролокационных целей, 2005 г.
  3. ОАО «ТЕЛЕКОМ», г. Москва – при выполнении ОКР по заказу РАСУ, 2005.
  4. В  ООО «Систематика», г. Москва – при выполнении работ по автоматизации технологических установок первичной переработки нефти, 2006 г.
  5. В  Зеленоградском ОУО Департамента образования г. Москвы –

для обучения школьников в системе дополнительного образования, при разработке ими под руководством автора коллективных и индивидуальных проектов по информатике с доведением проектов до уровня Московских, Всероссийских и Международных конференций, а также безвозмездной  передачей  разработанных  программ  в  школы,  историко-

краеведческий музей и медицинские учреждения. 1995-2006 г.г.

  1. В ОАО «ОТИК», г. Москва – при исследовании, разработке и апробации методик создания информационных программ для массовой аудитории СМИ как субъектов инновационной сферы, [52], 2004 г.

  Реализация в учебном процессе. Опыт разработок и освоения микроЭВМ, программирования для них, создания ИУС на их основе освещен в 5 монографиях (в том числе, 3 учебных пособиях), изданных центральными издательствами страны.

       Теоретические и методические разработки соискателя использованы им при постановке и преподавании в МИЭТ учебной дисциплины «Программное обеспечение управляющих систем», введенной в учебный план обучения студентов по специальности 220400 (ныне 230105  65) «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем» по решению Ученого совета вуза.  За  15  лет  этот курс освоили около 800 выпускников МИЭТ.

       Соискатель являлся экспертом от УМО при открытии специальности 220400 в 3 вузах России.

       Под руководством соискателя подготовлена и успешно защищена кандидатская диссертация (Е.Л. Румянцева, МИЭТ, 2005 г.) по созданию методов и алгоритмов функционирования ИУС контроля и сопровождения работ со структурно-параметрической самонастройкой.

Апробация новых научных результатов

Основные результаты исследований были представлены на 20 международных, всесоюзных и всероссийских, академических, отраслевых и минвузовских форумах:

  1. Всесоюзная конференция «Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ». – СО АН СССР, Новосибирск, 1974.
  2. V Всесоюзная школа «Автоматизация научных исследований». – Рига, 1975.
  3. VII Всесоюзное совещание по проблемам управления. – Минск, 1977.
  4. Первый Всесоюзный симпозиум по модульным информационно-вычислительным системам. – ИЯИ АН СССР, Москва, 1978.
  5. Всесоюзное совещание СОВЕТА  ГЛАВНЫХ  КОНСТРУКТОРОВ АСУП  машиностроительных  отраслей  «Применение  микропроцес-

соров и микро-ЭВМ в АСУ». – Москва, 23-24 августа 1978 г.

  1. Научно-коммерческий курс обучения и передачи технологических

  знаний по локальным сетям МАР/ТОР.–г.Иваново,16-19 янв. 1990 г.

  1. Всероссийская научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов «Электроника и информатика–95».М.: МИЭТ, 1995
  2. Вторая Всероссийская научно-техническая конференция «Электрони-

ка и информатика – 97». Москва, МИЭТ, 1997 г.

  1. Третья Международная научно-техническая конференция «Электроника и информатика – XXI  век». – М.: МИЭТ, 2000 г.
  2. IV Международная научно-техническая конференция «Электроника и информатика». – М.: МИЭТ, 2002 г.
  3. Заседание (Всероссийской) Учебно-методической комиссии по спе-

циальности 220400 «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем» – г. Санкт-Петербург,  «ЛЭТИ», 8-9 октября 2003 г.

  1. Расширенное заседание Учебно-методического объединения по специальности 351400 «Прикладная информатика в экономике» - г. Москва, Московский Государственный Университет Экономики, Статистики и Информатики, 09 декабря 2004 г.
  2. IV Международная конференция «Идентификация систем и задачи управления». – М.: Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, 25-28 января 2005 г.
  3. V Международная научно-техническая конференция «Электроника и информатика». – М.: МИЭТ, 2005 г.
  4. III Международная научно-практическая конференция «Исследова-

       ние, разработка и применение высоких технологий в промышлен-

       ности» – С.-Пб, 2006 г.

  1. XIV Всероссийская школа-коллоквиум по стохастическим методам и VIII симпозиум по прикладной и промышленной математике (Сочи - Адлер, 29 сентября - 7 октября 2007 г.)
  2. Четвертая Международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». - С.-Пб, 2007 г.
  3. Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы информатизации. Развитие информацион-ной инфрастуктуры, технологий и систем».- М.: МИЭТ, 2007 г.
  4. Общеинститутский семинар «Процессы управления» (рук. семинара – д.т.н., проф. А.Л.Фрадков) – С.-Пб: ИПМаш РАН, декабрь, 2007 г.
  5. VII Международная конференция «Идентификация систем и задачи управления». – М.: Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, 28-31 января 2008 г.

Публикации

       Основные результаты диссертации представлены в 42 печатных работах соискателя (17 работ – без соавторов), в том числе:

  • в 5 монографиях (из них – 3 учебных пособия);
  • 22 статьях в центральных изданиях, входящих в перечень ВАК;
  • 5 трудах международных, всесоюзных и всероссийских конферен-

ций;

  • 6 академических изданиях России, Украины и Латвии;
  • 2 авторских свидетельствах;
  • 10 отчетах по НИОКР.

Две работы поставлены на учет в ГосФАП и отраслевом фонде алгоритмов и программ.

Общий объем публикаций:

  • печатных публикаций –  89,4 печатных листов;
  • в отчетах по НИОКР – 95 печатных листов;
  • свыше 1,3 Мбайт программного кода.

Личный вклад автора.

       Новые научные результаты диссертации получены соискателем са-мостоятельно. Из них главными являются:

       1. Теория и методы анализа во временной области систем с дискретно-непрерывными преобразованиями, учетом периода дискретизации и возможностью анализа системы при случайных воздействиях.

       2. Решение задачи идентификации линейных динамических объектов в условиях стохастических воздействий, ограниченных интервалов наблюдения и коррелированных входных сигналов – с получением количественных статистических оценок точности решения.

       3. Вскрытие механизмов, приводящих к отличиям результатов решения задач управления при усреднении по множеству и по времени.

       4. Доказательство сохранения эргодичности процессов в линейных и некоторых нелинейных системах управления, как непрерывных, так и

дискретно-непрерывных.

       5. Параметрический синтез стохастических оптимальных систем дуального управления, в том числе, работающих при наличии дрейфа.

       6. Операционные системы для первых отечественных мини- и микроЭВМ, закрепленные в стандартах предприятия, отраслевом Фонде алгоритмов и программ и ГосФАП  и  послужившие основой  для программ ИУС и САПР.

       

В подготовке публикаций по новым научным результатам принимали участие и другие авторы. В монографии [1], написанной в соавторстве с И.Я.  Акушским, соискателем написаны главы 1-3,5, 7-10, а также приложения. В монографии [3] , написанной в соавторстве с В.Ф. Шаньгиным, соискателем написаны главы 2, 4-12. При подготовке монографии [4] соискателем выполнен перевод главы 14  и части IV, а также проведено общее научное редактирование. В статьях [9, 29], написанных в соавторстве с Ю.М. Быковым, последним проведена постановка задач по управлению химическими производственными процессами; соискателем проведены математические выводы, расчеты на ЭВМ и апробация методик в электрохимическом производстве. В работах [11-16, 20-22, 24-28, 31-37, 40, 43-51] автор являлся научным руководителем разработок.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из Введения, 7 глав основного текста, Заключения, Списка  литературы и 2 Приложений, вынесенных в отдельный том;  оформлена по ГОСТ 2.105-95 (Список  литературы - по ГОСТ 7.1-84);  содержит 209 страниц текста, 46 рисунков, 2 таблицы и 158 номинаций цитированной литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены объект и предмет исследования, проблемная ситуация, научная проблема, решаемая в диссертации, цели и задачи исследования, научная новизна и достоверность новых научных результатов; сформулированы научные положения, выносимые на защиту; указаны теоретическая и методическая основы исследования, определена практическая ценность и значимость работы; приведены сведения о реализации новых научных результатов работы, их апробации и публикациях.

Глава 1 посвящена анализу ИУС как объекта исследования. Проведена классификация систем и моделей объектов (табл. 1.1) .

Объектом исследования является класс сложных систем (см. пунктир-

ную рамку) –  с признаками-свойствами (1), назваными выше: «работа в реальном времени, учет динамических свойств объектов, стохастичность воздействий и малая изученность объектов, наличие дискретно-непрерывных преобразований, ограниченность интервалов наблюдения, создание системных и прикладных компьютерных программ».

  Показано, что проблемно значимые вопросы освещаются в научной литературе лишь с какой-то одной стороны, иногда – только обозна-чаются или содержат ссылочную библиографию. Совместная, системно-

связанная,  нерешенность  выделенных  проблем  и порождает проблем ную ситуацию в области объекта исследования. Определены ключевые моменты и постановка задачи дальнейшей разработки.

Таблица 1.1 - Иерархия систем и алгоритмов управления

В главе 2 поставлена и решена задача выбора адекватного математического аппарата как инструментария исследования процессов, протекающих в реальном времени. Проведена классификация моделей динамических объектов. Выделены достоинства весовой функции и уравнения свертки – они пригодны для использования независимо от выбора начального момента времени и вида сигнала, в том числе и для случайных сигналов.

Показано, что переход в комплексную и частотную области в рассматриваемых условиях оказывается неадекватным из-за отсутствия  точного аналитического описания сигналов и используемых пределов интегрирования. Отмечено, что при анализе дискретно-непрерывного канала с помощью z-преобразования в рассмотрение не попадает весь континуум сигнала, восстановленного после цифрового регулятора.

Традиционные статистические методы основное внимание уделяют некоррелированным данным, что может приводить к значительным ошибкам. Отмечаются достоинства теории случайных процессов и перспективность ее применения.

Сравнительные результаты анализа представлены в табл. 2.1.

В главе 3 проводится анализ динамических процессов с цифро-ана-логовыми и аналого-цифровыми преобразованиями сигналов. Для линейных систем с цифровым регулятором получено соотношение для определения эквивалентной весовой  функции  объекта  в  виде интегрального уравнения  Вольтерра 2-го рода относительно :

         (2)

В отличие от z-преобразования, полученное уравнение позволяет отслеживать влияние периода отсчетов . Более того, если статический коэффициент усиления эквивалентного объекта на основании z-преобразования определяют как , то на основании уравнения (2) этот коэффициент определяется в виде:

                                       (3)

где - ненормированная весовая функция эквивалентного объекта. 

       Таким образом, оценена неадекватность результатов, получаемых с помощью z-преобразования, определяемая не только различием интегральной суммы и интеграла, но и деформацией самой функции Hэ(t) с изменением периода отсчетов.

       Проанализировано преобразование сигнала, поданного в промежуточную точку, и оценено отличие выходного сигнала замкнутой дискретно-непрерывной системы от сигнала чисто аналоговой системы.

Таблица 2.1 - Возможности различных методов для анализа и синтеза ИУС в рассматриваемых условиях

ТАУ

(дифференци-альные уравнения)

ТАУ

(интегра-льные

уравнения)

ТАУ

(преобра-зование Лапласа)

ТАУ

(преобра-зование Фурье)

Аппарат

z-преобра-зования

Классиче-ская теория вероят-ностей

Теория случайных процессов

Задание начальных условий вдоль шкалы реального

времени

Жесткое

относительно t=0

Не требуется

Состояние покоя до t=0

Гармониче-ские сигна-лы на оси времени от  -∞ до +∞

Состояние покоя до t=0

Не рассмат-ривается

Стационар-ность

Учет динамики процесса

Предусмотрен

Предусмот-рен

Предусмот-рен

Предусмот-рен

Предусмотрен

Отсутст-вует

Предусмотрен

Дискретно-непрерывные преобразования

Не предусмотрено

Возможно

Не предус-мотрено

Возможно

Только для дискретных моментов

Не предус-мотрено

Как специфи-ческий процесс?

Обработка

случайных

сигналов

Ограничения на ковариационную

функцию

сигналов

Возможна

Невозможна из-за отсутствия аналитического описания

Только «белый шум»

Обработка стационарных эргодических процессов

Изучение

характеристик случайных

сигналов и объектов

Нет

Возможно

Нет

На основании спектральной плотности и ковариацирон-ных функций

Нет

Нет

Возможно

Ограниченный

интервал

наблюдения

Введение краевых

условий

Учет  преде-лами интегрирования

Непосредственно не предусмотрено –

в силу используемых

пределов интегрирования

Использование

статистических методов

оценивания

Интегрально:

В основном, нет,

Частично - да

В основном – да

В основном, нет

В основном, нет,

Частично - да

В основном, нет

В основном, нет,

Частично - да

В основном

- да

       В главе 4 рассматриваются методические вопросы анализа случайных процессов в ИУС. Теоретически доказана и подтверждена по критерию А.Н. Колмогорова близость границ центральной предельной теоремы к реальным условиям ее применения в ИУС. Методом моделирования показано, что значимость быстро убывающих различий плотностей вероятности, определяемых по множеству, значительно уступает статистическим флуктуациям их оценок, которые могут быть получены по реализациям в сотни и даже тысячи отсчетов. С учетом требования к эргодичности процессов, сформулированных А.Я. Хинчиным, показано, как линейное преобразование эргодического входного процесса дает эргодический выходной процесс.

       Для сигналов с нормальным распределением и нелинейных преобразований с параболической аппроксимацией автоковариационная

функция выходного сигнала определяется как

,                 (4)

что позволяет доказать эргодичность выходного сигнала в этом случае:

                                                                 (5)

  Проаналиирована стационарность и эргодичность сигналов при дискретно-непрерывных преобразованиях. Доказано сохранение эргодичности сигналов при их преобразованиях в линейных и некоторых нелинейных динамических системах, как непрерывных, так и дискретных.

Анализ важнейших преобразований характеристик сигналов при их прохождении через линейные динамические объекты и определения доверительных границ «коридора» пребывания сигнала проведен на основе выражений для ковариационной функции и дисперсии сигнала на выходе динамического объекта.

Показано, что для апериодических объектов  и/или  входных  сигна-

лов без колебательных составляющих дисперсия сигнала на выходе объекта меньше или равна дисперсии сигнала на его входе. Однако в режимах, близких к резонансным, возможно обратное соотношение.

Приведенные соотношения позволяют определить ковариации и дисперсии сигналов на выходе любого звена при их последовательном соединении. Отмечается, что классическая теория вероятностей, оперирующая выборками независимых величин (эквивалентных «белому шуму»), не предоставляет инструментария для соответствующего анализа, а попытка ее применения для анализа коррелированных данных  может приводить к ошибкам в сотни процентов.

В качестве примера приводится теоретическое решение и результаты моделирования для задачи вычисления оценки среднего для коррелированного сигнала по реализации ограниченной длины (рис. 1).

Рис. 1

Рассмотрена задача определения динамической ошибки в системе управления с регулированием по возмущению. Показано, что игно-рирование  динамики  приводит  к  погрешности,  дисперсия  которой может в несколько раз превышать дисперсию реального сигнала на выходе динамического объекта.

Глава 5 посвящена анализу систем, работающих со случайными процессами в условиях ограниченного времени наблюдения. Рассматривается идентификации характеристик динамических объектов – одна из центральных проблем построения ИУС, использующих данные нормального функционирования. Именно здесь проявляются тонкие моменты, связанные с различием усреднения по множеству и по времени (вдоль реализации),  совместного  влияния  динамики объекта,  коррели-

рованности  данных и ограниченных интервалов наблюдения.

На примере идентификации коэффициента усиления безинерционного объекта с зашумленным выходным сигналом показано: решение задачи с прямым усреднением по множеству приводит к тому, что оценка коэффициента  усиления  объекта  всегда точно равна истинному коэффициенту усиления независимо от уровня помехи.

Вычисление по реализациям конечной длины выявляет наличие флуктуирующей компоненты в оценке:

.        (6)

Показано, что такая оценка является несмещенной и состоятельной, и ее дисперсия в случае -коррелированной помехи, гауссова входного сигнала и использования независимых отсчетов определяется как:

                               (7)

Проведены анализ сходимости ряда, использованного при выводе соотношения (7), и моделирование, подтвердившее точность, достаточную для инженерных приложений.

Показано, что при наличии динамики в объекте попытка прямого применения описываемого выше подхода приводит к смещенности оценки, которая может достигать сотен и даже тысяч процентов.

При решении задачи идентификации линейного динамического  объекта  проанализированы причины, не позволявшие получить приемлемый результат при использовании «уравнения типа Винера-Хопфа». Получено исходное соотношение для нахождения коэффициентов искомой весовой функции в виде:

  , l=0,1,2,…L  ,                (8)

где  L – длина весовой функции, а авто- и взаимная корреляционные функции определяются на основании доступных сигналов как

(9)

Переход к векторной записи дает для оценки весовой функции :

. (10)

Здесь вектор k – статический коэффициент передачи объекта в рабочей точке, и - векторы истинной весовой функции объекта и помехи, – матрица, обратная частной корреляционной матрице входного сигнала, Х – матрица наблюдений входного сигнала.

Оценка является несмещенной, если помеха не зависит от сигнала и ее математическое ожидание равно нулю. Доказано, что для линейного приближения и δ-коррелированной помехи ковариационная матрица погрешности ординат оценки определяется как

  ,                 (11)

где - дисперсия помехи, - ковариационная матрица входного

сигнала,  m – объем выборки. В частности, для сигналов с экспоненциальной ковариационной функцией соотношение приобретает вид: 

.(12)

Дисперсия статического коэффициента передачи объекта в рабочей точке при таком коррелированном входном воздействии определяется как

.                        (13)

С сохранением центральной идеи известного метода регуляризации о «гладкости» решения, предложен алгоритм улучшения оценки скользящим средним. Обоснован выбор рациональной ширины «окна» сглаживающей функции. Результаты моделирования, демонстрирующие соответствие теории и практики, приведены на рис. 2.

Приведено расширение для объекта, имеющего q отдельных каналов.

Рис. 2

В заключение главы показана родственность задач идентификации  и  фильтрации  сигнала  с помощью  согласованного  фильтра.  Для реально решенной задачи выделения сигнала применение согласованного фильтра позволило повысить помехоустойчивость канала на порядок.

В выводах к этой главе указано:

1. Впервые (на примере процедур идентификации)  показано различие результатов, получаемых усреднением по множеству и по времени.

2. Впервые предложен рабочий алгоритм и получены оценки точности идентификации статических и динамических характеристик динамического  объекта  по  коррелированным  данным,  подтвержденные

результатами моделирования.

3. Впервые по виду рассчитанной ковариационной функции погрешности оценки идентификации предложен и реализован алгоритм улучшения оценки, превосходящий метод регуляризации.

Глава 6 посвящена синтезу информационно-управляющих систем (на примере управления нелинейными динамическими объектами).

На основании теоремы Вейерштрасса показана целесообразность поиска рационального режима для управляемого объекта.

Рассмотрена и решена задача оптимизации режима безинерционно-

го объекта с одним входом и оценена эффективность дуального управления им. При ряде предположений величина критерия эффективности

определяется как

,                                (14)

где b – параметр параболической аппроксимации нелинейности объекта, – дисперсия входного сигнала, m – число используемых отсчетов.

Поиск оптимального уровня флуктуаций входного сигнала дает:

,                        .  (15)                                

Разработана методика синтеза рабочих алгоритмов дуального управления, определения оценки дисперсии и расширения подхода для объекта управления с  независимыми входами.

Рассмотрена и решена задача управления нелинейным динамическим объектом в условиях дрейфа (рис. 3).

       Рис. 3

 

       Эффективность адаптивного управления оценивается путем сравнения режима жесткой стабилизации и режима адаптации. Введен коэффициент потерь в виде:      

                               ,                        (16)

где , – функции потерь для рассматриваемых режимов.

       Анализ, проведенный в соответствии со схемой рис. 3, дает:

.                (17)

 

Среди девяти параметров, определяющих , выделены инварианты

адаптивного управления (рис. 4).

Рис. 4

Оптимальные значения доступных для настройки параметров и   на основании выражения (17) определяются в виде:

.                        (18)

Минимально достижимые потери при этом составляют:

,                        (19)

что позволяет количественно определить область целесообразности адаптивного управления или «потолок возможностей» системы в виде соотношения для границ области целесообразного управления как

                       (20)

       В завершение раздела об адаптации предложена концепция введения элементов самонастройки в автоматизированные информационные системы, что позволит проводить их последующую модификацию без участия разработчика. Введена математическая модель оценки затрат, и выбор соответствующих структурных решений и инструментов при модификации системы приводится к минимизации функционала:

.                (21)

В конце главы приведены методические положения анализа и синтеза ИУС, разработанные автором на основе проведенных  исследований.

В выводах к этой главе указано:

       1. Впервые проведен количественный анализ эффективности дуального управления и определен оптимум в уровне допустимых флуктуаций входного сигнала.

2. Впервые проведен количественный анализ и синтез  алгоритмов

управления нелинейным динамическим объектом при наличии дрейфа, рассматриваемого как стационарный случайный процесс. Выделены инвариантные сочетания параметров полезного сигнала, помехи, дрейфа, статических и динамических характеристик объекта и системы управления, определяющие эффективность адаптивного управления.

3. Впервые получены соотношения для оптимального уровня параметров регулирования при решении задач дуального и адаптивного управления при случайных воздействиях и дрейфе. Показано, как область целесообразности управления («потолок возможностей» системы) зависит от крутизны характеристики объекта, сочетания свойств дрейфа и периода отсчетов, соотношения дисперсий помехи и дрейфа.

       В главе 7 описаны разработки информационного, программного и

технического обеспечения, проводившиеся на протяжении нескольких десятков лет и внедренные в промышленности и в учебном процессе. Для мини-ЭВМ «Электроника-100» разработана ОС реального времени, опередившая американские разработки.  Широкому использованию этой ОС способствовало опубликование [1] полных текстов программ издательством «Советское радио». Там же освещена часть методик по обработке случайных процессов и борьбе со снижением точности представления данных в малоразрядной ЭВМ (проблема, исследованная  акад. В.М. Глушковым, и актуальная при переходе на микроЭВМ).

  Первые «пилотные» информационно-управляющие системы на базе отечественных микроЭВМ ряда «Электроника НЦ» созданы под руководством соискателя и отмечены медалями ВДНХ СССР. АСОДУ «Электроника НЦ-26» внедрена на заводе «Ангстрем», АСНИ «Атомная адсорбция» позволила повысить эффективность использования дорогостоящего импортного прибора в 20 раз. О применении микро-процессоров и микро-ЭВМ  написано учебное пособие [2],  выпущенное

издательством «Высшая школа» в серии книг «Микропроцессоры».

       Научные результаты соискателя по обработке случайных процессов и борьбе с дрейфом характеристик динамических объектов были использованы при работах по автоматизации Южной промышленной зоны в Зеленограде [44, 46].

       Автор являлся Главным конструктором по оснащению всего семейства ДВК базовым программным обеспечением [47] и их применению в САПР изделий электронной техники системы «Кулон-III» [48], а также в системе автоматизации программирования (САП), разработанной [50, 51] для заказчика от ракетно-космической фирмы. Экономический эффект этих работ составил несколько млн. руб.

       Одновременно соискателем были написаны книги, выпущенные издательствами  «Высшая школа» [3] и «Мир» [4],  а  также  статьи по теоретическим и методическим вопросам программирования.

  В части аппаратных средств ИУС  научно-технические результаты

автора отражены в исследованиях по УСО и КАМАК [7, 8, 30], а также в создании нового универсального УСО для мини- и микроЭВМ [36].

       Научные и производственные результаты использованы автором при постановке и преподавании в МИЭТ дисциплины «Программное обеспечение управляющих систем» (ПОУС), введенной по решению Ученого совета вуза в качестве региональной составляющей учебного плана по специальности 220400 (ныне - специальность 230105  65). Учебное пособие по этой дисциплине [5] выпущено в свет издательством Ассоциации Российских Вузов. Доклад автора «О практике и методике преподавания в МИЭТ дисциплины ПОУС» на заседании УМК по специальности 220400 (С.-Петербург, 2003 г.) получил высокую оценку.

В заключении отражены основные выводы и результаты диссертации, подчеркнута ее практическая значимость.

Основные результаты диссертации заключаются в следующем. Проведено совместное решение проблем управления (1) и создание методов, алгоритмов и программ, позволяющих реализовать соответствующие ИУС, ориентированные на потребности практики; получены оценки точности достигаемых решений.

Для достижения этой цели решены следующие задачи:

  1. Проведен анализ информационно-управляющих систем как объекта исследования. Выявлена проблемная ситуация как совместная (системно-связанная) нерешенность выделенных проблем (1).
  2. Обоснован выбор математического аппарата, обеспечивающего адекватный анализ динамических объектов, работающих в реальном времени с динамическими объектами в условиях случайных воздействий и помех и ограниченных интервалов наблюдения.
  3. Разработана и апробирована методика анализа во временной облас-

ти линейных систем с цифровым регулятором в цепи обратной связи. Впервые получено аналитическое интегральное уравнение для эквивалентной весовой функции замкнутой системы, где период дискретизации сигналов выступает в виде явного параметра.

  1. Разработаны методические вопросы анализа случайных процессов в информационно-управляющих системах:

       - доказано сохранение эргодичности процессов после линейных и нелинейных, а также при дискретно-непрерывных преобразованиях;

       - на уровне сигналов и их характеристик проведен анализ случайных воздействий и помех на линейные динамические объекты;

       - проведен анализ регулирования линейных динамических объектов по случайным возмущениям на входе.

  1. Решена задача идентификации характеристик динамического объекта по данным нормального функционирования с оценкой точности, достигаемой при использовании реализаций ограниченной длины и коррелированных отсчетах. Вскрыты тонкие методические различия усреднения по множеству и по времени, а также тонкости работы при ограниченном времени наблюдения.
  2. Проведен параметрический синтез информационно-управляющих систем, использующих данные нормального функционирования объектов. Синтезирован алгоритм оптимального дуального управления. Разработана методика количественного анализа  и параметрического синтеза системы управления нелинейным динамическим объектом при ограниченных интервалах наблюдения, случайных воздействиях, помехах и дрейфе, рассматриваемом как стационарный случайный процесс.
  3. Предложена концепция введения элементов самонастройки в информационные системы с целью их последующей модификации без участия разработчика и разработана математическая модель оценки затрат при модификации системы.
  4. Проведена разработка информационного, программного и технического обеспечения, реализованного автором в ИУС реального времени и в учебном процессе. Разработаны операционные системы реального времени для первых отечественных мини- и микроЭВМ. Программное обеспечение передано в Фонд алгоритмов и программ, два технических решения защищены авторскими свидетельствами. Экономический эффект от ряда названных работ составил несколько миллионов рублей. Полученные теоретические и практические результаты использованы  автором  при  постановке  и  преподавании  в МИЭТ учебного курса  «Программное обеспечение управляющих систем».

       Таким образом, можно констатировать, что все поставленные задачи решены, цель исследования достигнута.

  Основные публикации по теме диссертации

МОНОГРАФИИ

  1. Акушский И.Я., Трояновский В.М. Программирование на «Электронике-100» для задач АСУТП. – М.: «Сов. радио», 1978. – 296 с.
  2. Трояновский В.М. Применение микропроцессоров и микро-ЭВМ. / Книга 5 в серии книг «Микропроцессоры» под ред. В.А. Шахнова. – М.: «Высшая школа», 1988. – 159 с.
  3. Трояновский В.М., Шаньгин В.Ф. Бейсик для начинающих и будущих профессионалов. – М.: «Высшая школа», 1992. – 240 с.        
  4. Браун К. Введение в Visual Basic для программистов: Пер. с англ. / Под ред. В.М. Трояновского. – М.: «Мир», 1993. – 416 с.        
  5. Трояновский В.М. Информационно-управляющие системы и прикладная теория случайных процессов: Уч. Пособ. – М.: Гелиос АРВ, 2004.–304 с.

СТАТЬИ в лицензированных ВАК и реферируемых ЖУРНАЛАХ

  1. Трояновский В.М. Программа-диспетчер для работы мини-ЭВМ в реальном времени. «Электронная техника», сер. 9 (АСУ), вып. 2 (14), 1975. – С. 48-53.
  2. Трояновский В.М. Система КАМАК и задачи ее применения в АСУТП. – «Приборы и системы управления», № 3, 1976. – С. 11-14.
  3. Трояновский В.М. О принципах построения унифицированного комплекса периферийного оборудования. – «Приборы и системы управления»,  № 9, 1977. – С. 21-24.
  4. Быков Ю.М., Трояновский В.М. О количественной оценке эффективности адаптивного управления технологическими процессами. – «Приборы и системы управления», № 3, 1977. – С. 11-13.
  5. Трояновский В.М. Три класса задач для управляющих микро-ЭВМ.

«Электронная техника», сер. 9, вып. 3 (28), 1978. – С. 101-111.

  1. Похлебкин В.Е., Трояновский В.М. Обработка экспериментальных данных в реальном времени на базе микро-ЭВМ. «Электронная техника», сер. 3, вып. 1 (94), 1981. – С. 35-36.
  2. Трояновский В.М., Шевченко А.Я. Микро-ЭВМ в АСУТП и АСНИ:

проблемы и суждения. «Электронная техника», сер. 3, вып. 1 (94), 1981. – С. 32-35.

  1. Петюшин А.А., Трояновский В.М., Шевченко А.Я. Обеспечение надежности двухмашинной системы средствами встроенной диагностики. «Электронная техника» сер. 9, вып. 1 (46), 1983. – С. 21-22.
  2. Петюшин А.А., Похлебкин В.Е., Трояновский В.М., Шевченко А.Я. Система оперативно-диспетчерского управления «Электроника НЦ-26». –

«Электронная промышленность», вып. 9 (126), 1983. – С. 71-72.

  1. Трояновский В.М., Ященко А.Н. Реализация автоматизированной обучающей системы на ДВК. «Электронная техника», сер. 9, вып. 3, 1986. – С. 34-36.
  2. Трояновский В.М. Реализация диалогового определения функций в БЕЙСИКе. «Программирование», № 1, 1987. – С. 90-91.        
  3. Трояновский В.М. Об адекватном математическом аппарате при моделировании действующих объектов. «Известия вузов. Электроника», № 6, 1997. – С. 83-93.
  4. Трояновский В.М. Концепция разработки виртуальной лаборатории для внутривузовского и дистанционного обучения. «Известия вузов. Электроника», №1-2, 1999 - С.127-132.
  5. Трояновский В.М. Автоматизированный контроль знаний о системе связанных понятий. – «Информатика и образование», № 3, 2002. – С. 54-56.
  6. Гагарина Л.Г., Игошин А.В., Трояновский В.М. Автоматизированная информационная система для патентно-правового бюро «Эксперт» // Межотраслевой научно-технический журнал «Оборонный комплекс  – научно-техническому прогрессу России», №1, 2003. – С. 52-55.
  7. Румянцева Е.Л. ,  Трояновский В.М. Вероятностная оценка резервов времени при контроле прохождения работ. Известия ТулГУ. Серия «Вычислительная техника. Информационные технологии. Системы управления. Т. 1, вып. 2. Информационные технологии. – Тула, 2004. С. 176-184.
  8. Румянцева Е.Л., Трояновский В.М. Структурно-параметрическая адаптация в информационных системах // Электронная техника. Сер. 3 «Микро- и наноэлектроника». – 2004. – Вып. 1 (156). – С. 43-47.
  9. Трояновский В.М. Особенности применения теории случайных процессов в информац.-управляющих системах / Информатика и управление: Межвузский сборник / Под ред. В.А. Бархоткина. - М.: МИЭТ, 2005.– С. 146-157.
  10. Румянцева Е.Л., Трояновский В.М. Статистическое оценивание резервов времени при управлении работами / Информатика и управление: Межвузовский сборник / Под ред. В.А. Бархоткина. - М.: МИЭТ, 2005.– С. 124-133.
  11. Нестеров А.Э., Румянцева Е.Л., Трояновский В.М. Принцип самона-

стройки в проблемно-ориентированных информационных системах // Инновации. 2005. № 1. – С. 109-111.

  1. Трояновский В.М. Особенности усреднения по множеству и по времени в задачах анализа и синтеза информационно-управляющих систем // Обозрение прикладной и промышленной математики. 2007. Том 14, вып. 3. – С. 567-568.
  2. Сердюк О.А., Трояновский В.М. Статистическо-алгоритмический метод определения параметров весовой функции при идентификации // Обозрение прикладной и промышленной математики. 2008. Том 15, вып. 2. – С. 357-358.

СТАТЬИ В АКАДЕМИЧЕСКИХ ИЗДАНИЯХ РОССИИ, УКРАИНЫ  И ЛАТВИИ

  1. Трояновский В.М., Черкасов Ю.Н. Малые машины и системы коллективного пользования в экспериментальных научных исследованиях. // Автоматизация научных исследований в химии. Материалы V Всесоюзной школы. – Рига: Зинатне, 1975. – С. 244-252.  (Сборник издательства АН Латвийской ССР).
  2. Быков Ю.М., Трояновский В.М. Об автоматизации исследований в некоторых задачах описания кинетики. // Автоматизация научных исследований (Материалы V Всесоюзной школы). – Рига: Зинатне, 1975. – С. 185-189. (Сборник издательства АН Латвийской ССР).
  3. Трояновский В.М. О принципах построения универсального программного обеспечения для системы КАМАК. – В сб. «Первый Всесоюзный симпозиум по модульным информационно-вычислительным системам». – М.: ИЯИ АН СССР, 1978. - С. 19-21.
  4. Виноградов А.А., Дябин М.И., Трояновский В.М. Программный контроллер со встроенной системой автоматизированного проектирования. «Управляющие системы и машины», № 1, 1982. – С. 51-53. (Журнал АН УССР).
  5. Похлебкин В.Е., Трояновский В.М. Диалоговый редактор-транслятор – средство реализации АЛЬФА-подхода на микро-ЭВМ // Управляющие системы и машины, №1, 1983. – С. 69-72. (Журнал АН УССР).
  6. Агафонов В.А., Моршнев В.В., Трояновский В.М., Шевченко А.Я. Методика трансляции новых команд с языка МАКРО-11. // Управляющие

системы и машины. №6, 1985. – С. 89-91.  (Журнал АН УССР).

ПРОГРАММЫ, ЗАРЕГИСТРИРОВАННЫЕ В ФОНДАХ АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММ

  1. Трояновский В.М., Шевченко А.Я., Лозовой И.О. Операционная система для диалоговых вычислит. комплексов. – 1982. – 39 с. Информ. бюл. ВНТИЦ «Алгоритмы и программы», вып. 3(66). – 1985. Рег. ном. Гос. ФАП

– П008141.

  1. Многопользовательская исполнительная система реального времени (МИС РВ) на ЭВМ «Электроника-60». Акт № 26 сдачи-приема в отраслевой ФАП программ МИС РВ от 26 марта 1986 г.

АВТОРСКИЕ СВИДЕТЕЛЬСТВА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

  1. Алаев Г.М., Докучаев Н.И., Трояновский В.М. Авт. свид. «Устройство связи ЭВМ с объектом» № 551634, 1977.
  2. Иванов Ю.В., Потапов А.М., Трояновский В.М., Шевченко А.Я. Авт. свид. «Устройство для измерения частоты сигналов» № 875293, 1981.

СТАТЬИ  В ТРУДАХ МЕЖДУНАРОДНЫХ И ВСЕРОССИЙ-СКИХ КОНФЕРЕНЦИЙ

  1. Трояновский В.М. Количественные оценки точности и эффективности алгоритмов идентификации с регуляризующими процедурами // Труды IV международной конференции «Идентификация систем и задачи управления» (SICPRO `05). ISBN 5-201-14975-8, 2005. М.:ИПУ РАН, CD-ROM (1757-1783).
  2. Трояновский В.М. Эффективность дуального управления технологическими объектами на основе информационных технологий // Сборник трудов Третьей Международной научно-практ. конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» под редакцией А.П. Кудинова, Г.Г. Матвиенко, Том 9,  С.-Пб, 2006. - С. 88-89.
  3. Сердюк О.А., Трояновский В.М.  Анализ  случайных  процессов  в  динамических системах: проблемы и решения // Сборник трудов Четвертой Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности » / Под ред. А.П. Кудинова, Г.Г. Матвиенко, Том 11, С.-Пб, 2007. - С. 363-364.
  4. Трояновский В.М. Анализ систем  управления при ограниченных информационных ресурсах / Материалы Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем». -М.:МИЭТ, 2007. – С. 44-47.
  5. Трояновский В.М. Оптимизация режимов дуального управления в системе с идентификатором. // Труды VII международной конференции «Идентификация систем и задачи управления» (SICPRO `08). М.:ИПУ РАН, ISBN 978-5-91450-002-0, 2008. CD-ROM (886-896).

       Перечень НИР и ОКР, выполненных под руководством и при участии соискателя

  1. Операционная система для ЭВМ «Электроника-100». Стандарт предприятия п/я Р-6052. СТП У.10.097.003-74 – 123 с.
  2. Исследование распределенных иерархических систем управления технологическими процессами на базе микроЭВМ. / Отчет организации п/я Г-4515, рег. № У53465/8002386, 1978 – 180 с.
  3. Анализ состояния разработки и внедрения АСУТП, распространение и внедрение типовых проектных решений, координация и методическое руководство работами по АСУТП в подотрасли. Отчет организации п/я Г-4515, рег. №  Ф11605/9002702, 1980 – 64 с.
  4. Исследование и обоснование архитектуры распределенных АСУТП

на базе микроЭВМ. Отчет организ. п/я Г-4515, рег.№ 1000951, 1981 – 271 с.

  1. Разработка  программного  обеспечения  для  диалогового  вычисли-

тельного комплекса. Отчет п/я Г-4515, рег. № У86217/1004489,1982 – 42 с.

  1. Разработка для ДВК минимальной версии операционной системы, совместимой с МДОС РВ. Отчет организации п/я Г-4515, рег. № 3004001, инв.№ ТЕ29593, 1983 – 29 с.
  2. Разработка информационно-управляющих систем. Отчет организации п/я Г-4515, рег. № Ф17941-2002927, 1983 – 174 с.
  3. Система автоматизации программирования. Отчет организации п/я Р-6052 рег. № У12018/4002680, 1986 – 37 с.
  4. Система автоматизации программирования (САП) изделия 17М126. Отчет и программная документация предприятия п/я Г-4515, рег. № У1.00008-01, 1986 – 17 книг (всего 752 с.) + 500 Кб программ.
  5. Исследование, разработка и апробация методик для массовой аудитории СМИ как субъектов инновационной сферы: Отчет о НИР (заключит.)  /  ОАО  «ОТИК» / Н.С. Самсонов; В.М. Трояновский (отв. исполнитель) и др. – Шифр  «Инновации-34»; ГР № Ф40384; Инв.№ 46773.–М., 2004.–186 с.
  6. Румянцева Е.Л. Методы и алгоритмы информационных систем контроля и сопровождения работ со структурно-параметрической самонастройкой: Автореф. дисс. канд. техн. наук (науч. рук.  В.М. Трояновский). – М.: МИЭТ, 2005. –24 с.

1 Прикладные аспекты этой проблемы автор разрабатывает в монографии: Акушский И.Я., Трояновский В.М. Программирование на «Электронике-100» для задач АСУТП – М.: «Сов. радио», 1978.

2 См. также монографии автора по созданию проблемно-ориентированных программ и применению микро-ЭВМ, в том числе для управления динамическими объектами, работающих со стохастическими воздействиями:

  • Трояновский В.М., Шаньгин В.Ф. Бейсик для начинающих и будущих профессионалов. - М.: «Высшая школа», 1992.
  • Трояновский В.М. Применение микропроцессоров и микро-ЭВМ. / Книга 5 в серии книг «Микропроцессоры» под ред. В.А. Шахнова. – М.: «Высшая школа», 1988.

3 Алгоритмы и полные тексты ОС реального времени для одной из первых отечественных миниЭВМ приведены в монографии: Акушский И.Я., Трояновский В.М. Программирование на «Электронике-100» для задач АСУТП – М.: «Сов. радио», 1978. В 80-90х г.г. автор являлся Главным конструктором по оснащению всего семейства самых массовых отечественных персональных компьютеров базовым программным обеспечением, как в части прикладных компьютерных программ, так и в части операционных систем реального времени.

4 Свое видение по решению этих проблем автор изложил в монографии:

Трояновский В.М. Информационно-управляющие системы и прикладная теория случайных процессов. – М.: Гелиос АРВ, 2004.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.