автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация регистрации параметров быстротекущих процессов при испытаниях сложных объектов с использованием алгоритмов сжатия информации

1. Введение.

2. Принципы построения систем регистрации быстротекущих 7 процессов при испытаниях авиационных изделий.

2.1. Виды и особенности испытаний авиационных изделий.

2.2. Тенденции развития систем регистрации быстротекущих процессов при испытаниях авиационных изделий.

2.3. Преобразователи сигналов.

2.4. Выводы.

3. Разработка эффективных алгоритмов сжатия сигналов на основе адаптивной временной дискретизации.

3.1. Общие вопросы адаптивной временной дискретизации.

3.2. Основные характеристики-процедуры адаптивной временной дискретизации.

3.3. Экстраполяционные алгоритмы сжатия при дискретном представлении сигналов.

3.4. Выводы.

4. Разработка и анализ параметров адаптивных коммутаторов сигналов.

4.1. Общие вопросы адаптивной коммутации.

4.1.1. Процедура адаптивной коммутации по критерию текущей погрешности аппроксимации сигналов.

4.1.2. Анализ адаптивной коммутации.

4.1.3. Предельные оценки характеристики адаптивной коммутации.

4.1.4. Приближенный (асимптотический) метод анализа адаптивной коммутации.

4:2. Принципы реализации многоканальных преобразователей с перестраиваемой архитектурой.

4.2.1. Преобразователь с перестраиваемой архитектурой как система массового обслуживания.

4.2.2. Приоритетная модель многоканального адаптивного преобразователя

4.3. Выводы.

5. Разработка аппаратурного и программного обеспечения СРБП.

5.1. Описание аппаратурного и программного обеспечения.

5.1.1. Характеристика объекта автоматизации.

5. Г.27НазначёШ^сйстемьГ. .".7. .7.".".".". .".".".л. .V.75"

5.1.3. Структура системы.

5.1.4. Функционирование системы.

5.1.5. Результаты опытной эксплуатации СРБП.

5.2. Разработка программного обеспечения алгоритмов сжатия синусоидальных сигналов.

5.2.1. Программная реализация последовательного интерполяционного и экстраполяционного алгоритма сжатия (ПИЭС).

5.2.2. Программная реализация алгоритма помехоустойчивого сжатия на основе АВД (АПС-1).

5.2.3. Программная реализация алгоритма помехоустойчивого сжатия на основе АВД (АПС-2).

5.2.4. Сопоставление разработанных алгоритмов сжатия.

5.3. Выводы.

Постоянное повышение требований к точности, быстродействию, достоверности, информативности и другим характеристикам процесса,испытаний сложных авиационных агрегатов обусловливает необходимость создания и развития современных систем регистрации параметров быстротекущих процессов (СРБП). При этом расширение номенклатуры испытываемых изделий, их усложнение, ужесточение эксплуатационных требований и повышение требований к качеству и эффективности систем испытаний определяют тенденцию к созданию СРБП на основе эффективных алгоритмов сбора и преобразования информации, реализуемых с применением средств вычислительной техники.

В настоящее время среди них широкое применение нашли цифровые многоканальные преобразователи сигналов, использующие относительно простые алгоритмы преобразования. Такие многоканальные преобразователи имеют централизованную архитектуру и жесткую структуру коммутатора. При этом, как правило, многоканальные преобразователи реализуются как неадаптивные структуры закрытого типа, для которых характерны: фиксированная разрядность преобразования и интервал квантования; постоянные (неизменные) параметры алгоритма функционирования; отсутствие учета воздействия переменных параметров окружающей среды и аппаратуры преобразования и т.п. Следует отметить, что основными недостатками подобных структур многоканальных преобразователей являются их относительно низкая производительность и ограниченная точность преобразования сигналов.

Совершенствование технологии изготовления элементов и устройств авиационных агрегатов привело к их усложнению и повышению требований к процессам их испытаний. Переход к автоматизации испытаний сложных авиационных изделий характеризуется наличием большой интенсивности и нестационарности информационных потоков, высокими требованиями к точности, быстродействию и надежности (достоверности) испытаний, усложнением собственно процессов испытаний.

При этом для создания высокоэффективных средств и систем сбора и преобразования информации первоочередной является задача синтеза специальных алгоритмов сжатия, учитывающих специфику объекта (авиационные агрегаты) и процесса испытаний. Известные методы проектирования подобного класса преобразующих устройств и систем не позволяют получать алгоритмы с указанными свойствами. Важность и актуальность проблемы синтеза алгоритмов сжатия информации определяется существенным влиянием принятых проектных решений на этапе выбора указанных алгоритмов на последующие стадии проектирования СРБП.

При этом одной из основных по важности и сложности проблем является создание методов исследования адаптивной временной дискретизации (АВД) и адаптивной коммутации (АК), основанных на функциональной связи, определяемой остаточным' числом при полиномиальном представлении сигналов.

При усложнении процессов испытаний авиационных агрегатов высокая эффективность СРБП может быть достигнута лишь при решении задач рационального определения структуры, распределения алгоритмов и задач по уровням системы. Сокращение избыточности информации может быть достигнуто также путем создания многоканальных преобразователей сигналов, с перестраиваемой структурой коммутатора и реализующих адаптивные алгоритмы сжатия. Однако в известной литературе вопросы теоретического и экспериментального исследования многоканальных преобразователей с такими структурами и алгоритмами сжатия информации не получили достаточной проработки.

Цель исследования. Разработка основ проектирования, многоканальных преобразователей быстротекущих параметров процесса испытаний с использованием алгоритмов сжатия информации и перестраиваемой структуры.

Задачи исследования. Для достижения, поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

- определены основные характеристики АВД: законы распределения длин интервалов, частоты дискретизации, коэффициента сжатия;

- определены основные характеристики АК: точные и предельные оценки качества преобразования информации, асимптотическая оценка на основе распределения Вейбулла-Гнеденко параметров адаптивного коммутатора;

- обосновано использование базового алгоритма преобразования сигналов, учитывающего специфику и особенности обработки информации в СРБП;

- созданы новые алгоритмы сжатия АВД, основанные на формировании линейных экстраполяционных полиномов по «к.» тактам равномерной временной дискретизации, отличающиеся высокими коэффициентами сжатия;

- разработаны, принципы построения многоканальных преобразователей с перестраиваемой структурой сигналов в составе СРБП;

- разработаны аналитическая и имитационная модели многоканального преобразователя сигналов с перестраиваемой структурой на основе теории СМО, которые характеризуются: переменной интенсивностью входного потока,, переменным числом обслуживающих приборов, переменной интенсивностью обслуживания заявки отдельной совокупностью приборов, наличием системы приоритетов;

- разработана аппаратурно-программная реализация предложенных алгоритмов сжатия в преобразователях сигналов в структуре СРБП.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- проведен анализ особенностей экстраполяционных алгоритмов сжатия при дискретном представлении сигналов. Получены различные по степени сжатия алгоритмы преобразования, отличающиеся способом формирования экстраполяционных полиномов и высоким коэффициентом сжатия. Предложены помехоустойчивые алгоритмы сжатия, работающих в режиме реального времени;

- разработаны методики анализа преобразования сигналов в СРБП с использованием АВД и АК, включающие методы, позволяющие производить определение основных характеристик АВД и выполнять предельное и асимптотическое оценивание параметров АК;

- разработаны на основе теории СМО модели многоканального преобразователя сигналов, учитывающие приоритеты входных сигналов. Показано, что предложенная немарковская модель СМО является адекватной математической моделью для широкого класса многоканальных преобразователей с перестраиваемой архитектурой.

Корректность полученных результатов теоретически обусловлена приведенными доказательствами и утверждениями. Адекватность полученных моделей доказана на основании использования имитационного моделирования.

Диссертация выполнена в рамках НИОКР «Разработка аппаратно-программного обеспечения системы регистрации быстротекущих процессов авиационных изделий» (договор № 55/8Д-2001) и «Разработка алгоритмов сжатия в составе аппаратно-программного обеспечения системы регистрации быстротекущих процессов авиационных изделий» (договор № 15/15Д—2003), осуществляемой ЗАО «ИВС-сети» в течение 2001-2003 гт. с ОАО ПНППК. Разработанная система регистрации быстродействующих процессов внедрена в опытную эксплуатацию на ОАО ПНППК.

Основное содержание диссертации изложено в 6 печатных работах [36, 54, 57-60] и докладывалось на ряде республиканских и международных научно-технических конференциях.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

5.3. Выводы

1. Разработана и внедрена в опытную эксплуатацию многоуровневая адаптивная система регистрации быстротекущих процессов, предназначенная для адаптивного преобразования с заданной точностью, индикации, регистрации и хранения текущих значений параметров агрегатов в процессе регулирования, доводки и проверки функциональных характеристик. Опытная эксплуатация подтвердила практическую реализуемость и эффективность применения для рассматриваемого класса систем методики анализа и синтеза алгоритмов сжатия и основных теоретических результатов, полученных в настоящей работе.

2. Предложена программно-аппаратная реализация трех разработанных алгоритмов сжатия и определены практические рекомендации по их применению.

3. Показана возможность применения помехоустойчивых алгоритмов сжатия в режиме реального времени для систем автоматизации испытаний.

4. Апробация разработанных алгоритмов в системе СРБП:

- подтвердила полученные теоретические результаты о возможности создания эффективных алгоритмов сжатия информации (полученные коэффициенты сжатия лежат в диапазоне 1,24-3,90);

- показала возможность применения созданных алгоритмов сжатия не только при адаптивной временной дискретизации, но и при адаптивной коммутации, что существенно расширяет область применения полученных результатов.

Проведенный в работе анализ позволил сформулировать специфику функционирования современных СРБП в составе систем автоматизации стендовых испытаний изделий авиационной техники. Показано,, что для реализации сформулированных требований к СРБП необходимо передавать и обрабатывать огромные объемы измерительной информации, во многом избыточной. Поэтому значительную актуальность приобретают теоретические и прикладные исследования, связанные с разработкой и анализом адаптивных алгоритмов сжатия и преобразования избыточной информации без ухудшения точностных характеристик, методологией проектирования многоканальных адаптивных преобразователей с перестраиваемой структурой.

Показано, что для решения задач автоматизации испытаний изделий авиационной техники система регистрации быстротекущих процессов должна представлять > многоуровневую адаптивную информационно-управляющую систему, в которой принято следующее распределение функций:

- высший уровень системы служит для решения следующих задач: а) создание банков данных и программ; б) анализа результатов испытаний и планирования эксперимента; в) тестирования и контроля технических средств и объекта;

- второй уровень системы выполняет задачи концентрации и диспетчеризации информационных потоков;

- третий (нижний) уровень обеспечивает сбор, преобразование и предварительную обработку сигналов датчиков и исполнительных механизмов.

Определено, что эффективность функционирования СРБП в значительной степени определяется качеством выполнения функций по сжатию предварительной информации, поступающей от первичных источников.

Предложено для осуществления сжатия информации использовать как АВД, так и АК. Реализован метод исследования адаптивной временной дискретизации и адаптивной коммутации, основанной на функциональной связи, определяемой остаточным числом при полиномиальном представлении сигналов. Определены основные характеристики АВД и АК.

На основе экстраполяционных алгоритмов сжатия при предварительном дискретном представлении разработаны эффективные алгоритмы сжатия, обеспечивающие повышенный коэффициент сжатия информации. Получены также алгоритмы сжатия, дающие увеличение помехоустойчивости каналов преобразования.

Проведен анализ и разработка трех алгоритмов сжатия для процессорных преобразующих устройств, определены практические характеристики по использованию созданных алгоритмов. Разработана программная поддержка, реализующая описанные выше алгоритмы.

Показано, что новым перспективным классом построения адаптивных многоканальных преобразователей являются преобразователи с перестраиваемыми коммутаторами. Установлено, что использование адаптивных коммутаторов обеспечивает сокращение избыточной информации.

Предложена архитектура преобразователя на основе сетевой нейронной технологии однородных сред с применением алгоритма поразрядного преобразования. Для расчета их параметров разработаны имитационная и аналитическая модели СМО с приоритетами, позволяющие учесть специфику измерительных устройств, когда множество входных сигналов подразделяется на два класса: низшего и высшего приоритета (измерительные сигналы и сигналы аварии). Для предложенной имитационной модели разработана программа расчета вероятностно-временных характеристик.

В работе рассмотрен пример реализации структуры СРБП на современной технической базе.

Учитывая вышеуказанное, в диссертационной работе получены следующие научные результаты:

1. На основе анализа особенностей экстраполяционных алгоритмов сжатия предложены алгоритмы сжатия информации, отличающиеся тем, что экстраполирующие полиномы формируются по «К» тактам равномерной временной дискретизации.

Предложены помехоустойчивые алгоритмы сжатия, работающие в режиме реального времени.

2. Определены основные характеристики АВД и АК, выполнено предельное и асимптотическое оценивание параметров АК.

3. Предложено для оценки параметров адаптивного коммутатора использовать предельные оценки, позволяющие определить потенциально возможные диапазоны изменения качества преобразования информации.

4. Разработаны имитационная и аналитическая модели СМО преобразователя с; приоритетами, адекватно описывающие функционирование преобразователей с адаптивным перестраиваемым коммутатором. Доказана их адекватность. Определены пути марковизации предложенной аналитической модели.

1. Автоматизированные испытания в авиастроении / Р. И. Адгамов, M. М. Берхеев, И. А. Замаев. М.: Машиностроение, 1989. 232 с.

2. Пашковский И. М. и др. Летные испытания самолетов и обработка результатов испытаний. М.: Машиностроение, 1985. 252 с.

3. Диагностирование и прогнозирование технического состояния авиационного оборудования / Под ред. И. М. Сендеева. М.: Транспорт, 1984. 126 с.

4. Боднер В. А., Избицкий Э. И., Брускин Н. 3. Стенд для испытания топливо-регулирующей аппаратуры ТРД: Сб. статей № 63. ЦИАМ. М., 1968. С. 63-69.

5. Винокур В. Н., Жежелев Ю. Г., Самусин С. И. Специфика полунатурного моделирования ГТД с применением микроЭВМ / Авиационная промышленность. 1985, №4. С. 73-74.

6. ОСТ 1.42.104-81. Испытания топливо-регулирующей аппаратуры ГТД. Системы измерительных стендов. Методы аттестации.

7. Леонтьев В. Н., Спронтиц С. А., Теверовский А. М. Испытания авиационных двигателей и их агрегатов. М.: Машиностроение, 1976. 356 с.

8. Жильцов В. В., Рычкова В. В., Святный В. И. Моделирующая технологическая система для автоматизированных испытаний топливных регуляторов ГТД // Авиационная промышленность. 1986, №1. С. 36-39.

9. Mihalaev James R., Roth Stephen P; A piecewise liner state. variable technique for real-time propulsion system simulation. Model and Simul., vol. 13: Proc.13* Annu. Pittsburg Conf. Apr. 22-23, 1982, Ptl.

10. Кринецкий E. И., Александровская Л. H. Летные испытания систем управления летательными аппаратами. М.: Машиностроение, 1975. 192 с.

11. Кринецкий Е. И. Основы авиационной автоматики. М.: Машиностроение, 1978.420 с.

12. Фремке А. В. Телеизмерения. М.: Высшая школа, 1975. 367 с.

13. Туник А. А., Цывинский В. Г., Мандровский-Соколов Б. Ю. Автоматизация стендовых испытаний на основе микро-ЭВМ // Управляющие машины и системы. №3, 1981. С. 82-86.

14. Отчет о НИР (гос. регистр. №80014606). Исследование и разработка математических и электронных систем обеспечения испытаний. Перм. политехи, ин-т. Пермь. 1980. 84 с.

15. Винокур В. И., Жежелев Ю. Г., Самусин С. И. Система управления стендом для полунатурных испытаний аппаратуры регулирования ГТД // Электромеханические и электромагнитные элементы систем управления. Уфим. авиац. ин-т. Уфа, 1983. С. 104-107.

16. Шевяков А. А. Автоматика авиационных и реактивных силовых установок. М.: Машиностроение, 1979. 660 с.

17. Кузнецов А. И. SCADA-системы // Современные технологии автоматизации. Ч, 1996. С. 32-35.

18. TRACE MODE. Версия 4.1х. Руководство пользователя. Изд. второе. М.: ADASTRA, 1995. 281 с.

19. Баран Е.Д. и др. Система испытаний средств измерительной техники // Современные технологии автоматизации. N 1, 1997. С. 80-84.

20. Золатарев С. В. Интегрированые пакеты АСУ ТП в ОС QNX // Современные технологии автоматизации. №1, 1996. С. 36-40.

21. Гельман М.М. Аналого-цифровые преобразователи для информационно-измерительных систем. М.: Изд-во стандартов, 1989.320 с.

22. Алиев Т.М., Тер-Хачатуров А.А. Измерительная техника. М.: Высш. шк., 1991. 384 с.

23. Куликовский К.JI., Кунер В.Я. Методы и средства измерений. М.: Энергоатомиздат, 1986. 448 с.

24. Како Н., Яманэ Я. Датчики и микроЭВМ. JL: Энергоатомиздат, Ленингр. отд., 1986. 120 с.

25. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение. М.: Мир, 1989.196 с.

26. Орнатский П.П. Автоматические измерения и контроль. К.: Высш. шк., 1986. 465 с.

27. Ольховский Ю.Б., Новоселов О.Н., Мановцев А.П. Сжатие данных при телеизмерениях. М.: Сов. Радио, 1971. 304 с.

28. Вебер Д.Р. Экономический аспект проблемы сжатия данных. В кн. Достижения в области телеметрии. Пер. с англ. / Под ред. А.П. Манов-цева и P.M. Беляева. М.: Мир, 1970.

29. Цифровые электроизмерительные приборы. Под ред. В.М. Шлян-дина. М.: Энергия, 1977. 400 с.

30. Переверткин С.М:, Гаранин Н.И., Костин Ю.Н., Миронов И.И. Микро-ЭВМ в информационно-измерительных системах. М.: Машиностроение, 1987. 248 с.

31. Авдеев Б.Я. Автореферат диссертации5 на соискание ученой степени доктора технических наук. «Адаптивная коммутация в информационно-измерительных системах». СПб; СПбГЭТУ, 2002. 32 с.

32. Авдеев Б.Я., Матушкин H.H., Южаков A.A. Анализ алгоритмов линейной экстраполяции для процессорных устройств сжатия данных // Сб. науч. трудов «Информационные управляющие системы». Пермь, ПГТУ, 1995. С. 43-52.

33. Федорищев И.Ф. Сжатие аналоговых сигналов // Межвузовский науч. сб. «ВТ и новые информационные технологии». Вып. 5. Уфа, УГАТУ, 2003. С. 23-35 .

34. Антонюк Е.М. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук «Адаптивные измерительные системы и системы автоматического контроля со сжатием данных», СПб, СПбГЭТУ, 2003. 48 с.

35. Южаков A.A. Интеллектуальные измерительные преобразователи на основе нейронных технологий. Пермь, ПермГТУ, 1997. 68 с.

36. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники М., Советское радио, 1975.

37. Крамер Г. Математические методы статистики. М., Мир, 1976.

38. Коромок B.C., Портенко H.H. и др. Справочник по теории вероятностей и математической статистике. М., Наука, 1985.

39. Авдеев Б.Я., Матушкин H.H., Южаков A.A. Оценка. точности представления сигналов при адаптивной коммутации // Информационные управляющие системы: Сб. науч. тр. / Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 1996. С.34-38.

40. Евреинов Э.В. Прангишвилли И.В. Цифровые автоматы с настраиваемой структурой (однородные среды). М., Энергия, 1974. 240 с.

41. Мельников В;А., Кальченко С.Б., Харченко B.C. Динамическая архитектура и модульные вычислительные системы на БИС // Зарубежная радиоэлектроника, 1990, № 1. С.63-84.

42. Гитис Э.И., Пискунов Е.А. Аналого-цифровые преобразователи. М., Энергоиздат, 1981, 360 с.

43. Гельман М.М. Аналого-цифровые преобразователи для информационно-измерительных систем. М., Изд-во Стандарты, 1989, 320 с.

44. Назаров A.A., Южаков A.A. Критерий эквивалентности уравнений глобального и детального балансов для цепей Маркова // Автоматика и телемеханика, 1995, № 12. С. 71-78.

45. Южаков A.A. Вопросы анализа аналого-цифровых преобразователей на основе систем массового обслуживания, функционирующих в случайной среде, Пермь, ПермГТУ, 1997. 52 с.

46. Джейсуол Н. Очереди с приоритетами. М., Мир, 1973. 279 с.

47. Зоркальцев A.B., Южаков A.A. Анализ функционирования фрагмента информационно-измерительной системы // Автометрия, 1995, № 3. С.9-13.

48. Цапенко П.П. Измерительные информационные системы. М., Энергия, 1974. 320 с.

49. Федорищев И.Ф. Анализ процесса обслуживания в многоканальных адаптивных системах преобразования синусоидальных сигналов // Информационные управляющие системы: Сб. науч. тр. / Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 2004. С.

50. Авдеев Б.Я:, Белоусов В.В., Брусаков И.Ю. и др. Цифровые адаптивные информационно-измерительные системы. С-Пб., Энергоатомиздат, С-Пб отделение, 1997,368 с.

51. Протокол Profibus DIN 19245, часть 1,2.

52. Федорищев И.Ф. Алгоритмы сжатия аналоговых сигналов // Информационные управляющие системы: Сб. науч. тр. / Перм. гос. техн. ун-т. -Пермь, 2003. С. 171-176.

53. Кон E.JI., Кокоулин А.Н., Федорищев И.Ф. Использование алгоритмов сжатия в системах информационной безопасности // Тезисы докладов 30-й юбилейной НТК ЭТФ ПГТУ, Пермь, ПГТУ, 2003 С. 9-10.