автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Методологические и теоретические основы проектирования адаптивных системных аналого-цифровых преобразователей потоковой динамической архитектуры на основе нейронных технологий

На правах рукописи

Южаков Александр Анатольевич

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АДАПТИВНЫХ СИСТЕМНЫХ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПОТОКОВОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ АРХИТЕКТУРЫ НА ОСНОВЕ НЕЙРОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.11.16.- Информационные измерительные системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт - Петербург -1997

Работа выполнена в Пермском государственном техническом университете.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кондрашкова Г.А.

доктор технических наук, профессор Русинов Л.А.

доктор технических наук, профессор Исмашгов Ш.Ю.

Ведущее предприятие - ОАО "СТАР", г. Пермь

Защита состоится " " о ^ 1997 года в_часов на

заседании диссертационного совета Д 063.36.02 Санкт-Петербургского электротехнического университета по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского электротехнического университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

Исаков А.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Повышение требований к точности, быстродействию, информативности и другим характеристикам процессов сбора, измерения и обработки информации обуславливает необходимость создания и развития современных систем измерения и преобразования информации. Свойства и характеристики систем измерения и преобразования во многом определяются используемыми в этих системах аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). Поэтому создание и совершенствование аналого-цифровых преобразователей (АЦП), предназначенных для измерения параметров сложных динамических объектов и быстротекущих процессов на основе применения средств вычислительной техники является актуальной задачей. Указанные задачи нашли отражение в работах ведущих отечественных ученых: Э.И. Гитиса, П.В. Новицкого, П.П. Орнатского, В.Б. Смолова, Э.И. Цветкова и др.

Несмотря на значительные успехи в области создания современных АЦП в микроэлектронном базисе, их проектирование осуществляется в основном в соответствии с методологией построения автономных средств измерений. Вместе с тем, оптимизация структуры и технических характеристик АЦП, обеспечивающая требуемые качество и метрологические характеристики, возможна только при системном подходе. Однако, общий подход к построению АЦП как системного элемента в архитектуре информационно-измерительной системы (ИИС), обеспечивающий совместимость объектов измерения с процессами в АЦП, не получил должного развития. Различные варианты частных подходов к задачам системного проектирования АЦП отражены в работах М.М. Гельмана, B.C. Моисеева, Г.А. Шастовой и др.

Сложившаяся к настоящему времени практика проектирования и создания измерительных устройств (под конкретную измерительную задачу) основана на использовании жестких, детерминированных архитектур. Требования, направленные на реализацию потенциальных возможностей точности с учетом быстродействия используемой элементной базы с целью повышения метрологических характеристик, делают необходимым придания АЦП свойств адаптации и реконфигурации архитектуры. Перспективным направлением развития адаптивных АЦП является их построение на основе потоковых динамических архитектур (ПДА), позволяющих перераспределять ресурсы преобразователя в режиме реального времени.

Задачи построения адаптивных преобразователей в настоящее время решаются на базе использования методов, алгоритмов и программ сжатия измерительной информации, широко представленной в работах Б.Я. Авдеева, Н.М. Гаранина, А.П. Мановцева, О.Н. Новоселова, О.М. Переверткйиа и др. Реализация адаптивных преобразовате-

лей с ПДА затрудняется как сложностью алгоритмического обеспечения, так и отсутствием подходящей элементной базы для построения реконфигурируемой архитектуры измерительного устройства. Для АЦП ПДА характерны переменность логической структуры, конструктивная однородность и параллельность выполнения измерений. Наличие параллельного выполнения операций измерения обеспечивает возможность существенного увеличения скорости (производительности) измерительных устройств без увеличения физического быстродействия элементов преобразователя. Исследованию цифровых устройств с настраиваемой структурой посвящен ряд монографий отечественных и зарубежных авторов: И.В. Пранппивили, Э.В. Евреинова, В.Г. Лазарева, Н.Р. Peterson, G. Estrin и др. Вместе с тем, распространение указанных выше подходов и решений на класс АЦП требует разработки новых алгоритмов, архитектур преобразователей, методов преобразования и измерения входных потоков данных.

Нейроны и нейронные сети являются элементарными структурно-функциональными модулями, из которых может быть построена произвольной степени сложности система, в том числе и АЦП, и обеспечивают требования переменности структуры и конструктивной однородности. Работы У. Мак-Каллока, В. Питтса, Я.М. Барздиня, С.О. Мкртчяна, В.А. Потапова и др. привели к созданию современной теории нейронов, однако, все эти работы ориентированы на принципиальное использование результатов в области цифровых вычислительных систем. Отсутствие в настоящее время известных разработок в области построения структурных решений адаптивных АЦП ПДА на основе нейронных технологий требует создания основ структурной теории указанных систем.

Однако, проектирование адаптивных АЦП ПДА на базе нейронных технологий является сложной научно-технической задачей. Теоретические и методологические принципы построения таких систем не нашли отражения в известной литературе. Поэтому для обоснованного выбора архитектуры АЦП, практической реализации необходимо создание методики проектирования адаптивных системных многоканальных АЦП с перестраиваемой архитектурой на основе нейронных технологий.

Особенности адаптивных АЦП ПДА не позволяют применить известные методы анализа и синтеза. Возникает необходимость создания новых методов проектирования АЦП ПДА, основанных на моделирующих алгоритмах и математических моделях. Для управления j ПДА необходимо разработать оптимизирующий алгоритм на основе выбранной целевой функции. Математические модели АЦП ПДА должны базироваться на моделях нейрона и нейронной сети, а также на моделях преобразователя в виде систем массового обслуживания (СМО). Несмотря на успехи теории СМО, предоставляющей в распо-

ряжение исследователя и проектировщика множество математических моделей, общий подход к созданию СМО с изменяющимся режимом (параметрами), который характеризуется неоднородным входным потоком, переменным числом обслуживающих приборов, мест в очереди и интенсивностью обслуживания заявки отдельной совокупностью обслуживающих приборов отсутствует, хотя были известны некоторые частные решения, касающиеся указанных моделей СМО, которые нашли отражение в работах ведущих отечественных и зарубежных специалистов. Так, например, Г.П. Башариным и Б.Е. Куренковым предложена и исследована модель неоднородного входного потока для случая однородных источников; Г.А. Медведевым и О.М. Тихоненко рассмотрены одноприборные и многоприборные СМО с неоднородными требованиями и временем обслуживания, зависимым от значений признаков входного требования; L.Goel, A.Seelan, D. Smith, A.H. Ду-дин, Я.А. Коган, A.A. Назаров, И.А. Коротаев исследовали СМО, функционирующие в случайной среде. Приведенные соображения позволяют сделать вывод о том, что расчет параметров адаптивных АЦП ПДА требует построения нового раздела теории СМО с изменяющимся режимом (параметрами).

Целью диссертационной работы является решение важной научно-технической проблемы создания высокоэффективных адаптивных системных АЦП потоковой динамической архитектуры, реконфигури-руемых в процессе решения задач измерения, и выполненных на нейронах, специализированных на реализацию конкретных измерительных процедур, а также разработка методологических и теоретических основ их проектирования.

Задачи исследований. Сформулированная цель предопределяет следующие задачи исследований:

- развить на основе системного подхода классификацию адаптивных системных АЦП на базе потоковых динамических архитектур управляемых потоками данных;

- осуществить разработку принципов построения и основ структурной теории проектирования адаптивных системных АЦП ПДА, реализуемых на нейронных технологиях и включающих: структурно-логическую организацию АЦП и принципы построения связей нейронов, методы синтеза топологии адаптивных АЦП, механизмы адаптации, развитие принципов канальной декомпозиции общей модели структуры преобразователя и создание концепции адаптивных физических и виртуальных измерительных каналов;

- сформировать и обосновать: выбор функции оптимизации, учитывающей специфику и особенности преобразования в адаптивных преобразователях; основные составляющие функции оптимизации, их

взаимосвязь и зависимость от параметров входного потока сигналов преобразователя; механизмы изменения этих параметров;

- разработать ряд основополагающих принципов теории СМО с изменяющимися параметрами, которые отличаются: неоднородным входным потоком, переменным числом обслуживающих приборов, меняющимся количеством мест в очереди и интенсивностью обслуживания заявки отдельной совокупностью обслуживающих приборов, методы определения вероятностно-временных характеристик указанных СМО;

- разработать методику проектирования и оптимизации параметров структуры АЦП ПДА;

- провести практическое апробирование архитектур АЦП ПДА с управлением данными (УД), методов и моделей проектирования указанных архитектур преобразователей.

Методы исследований основаны на использовании теории формальных нейронов, информационной теории измерений, теории вычислительных систем и систем массового обслуживания, теории множеств, методов математического и функционального анализа, методов математической статистики, математического моделирования.

Научная новизна. В диссертационной работе впервые сформулированы методологические и теоретические основы исследования и синтеза адаптивных системных многоканальных АЦП потоковой динамической архитектуры, реализованных на нейронных технологиях, сформулированы основополагающие принципы теории систем массового обслуживания с изменяющимися параметрами.

Разработаны основы структурной теории указанного класса АЦП, включающие:

- развитие теории формальных нейронов в направлении распространения принципов настраиваемое™ на измерительные каналы;

- развитие принципов канальной декомпозиции модели структуры преобразователя в части создания концепции адаптивных физических и виртуальных измерительных каналов;

- разработку на основе единого методологического подхода обобщенных структурных решений и методов синтеза архитектур преобразователей, адаптивных к параметрам входного потока измеряемых сигналов;

- обоснование полноты структурно-логической организации АЦП ПДА.

Осуществлено развитие основ теории СМО с изменяющимися параметрами, в том числе:

- создано обобщенное описание неоднородных входных потоков измеряемых сигналов;

- разработан комплекс моделей однородных марковских СМ О с отказами в обслуживании, с бесконечной и ограниченной очередью;

- разработан комплекс моделей однородных немарковских СМО с отказами в обслуживании;

- созданы аналитические методы расчета вероятностно-временных характеристик для широкого класса предлагаемых моделей СМО (марковских и немарковских, открытых и замкнутых, с различными дисциплинами обслуживания).

На основе концепции адаптивных виртуальных измерительных каналов разработана методика проектирования оптимальной структуры АЦП ПДА, включающая:

- выбор и обоснование показателя качества функционирования (средняя квадратическая приведенная погрешность преобразования);

- создание двух этапной процедуры синтеза, обеспечивающей выполнение критериальных ограничений;

- реализацию итерационных процедур и алгоритмов расчета параметров структуры АЦП.

Получена методика автоматизированного проектирования структуры АЦП ПДА.

Разработана процедура динамической оптимизации значений параметров предоставляемых ресурсов АЦП ПДА.

Основные защищаемые положения диссертационной работы включают:

- методологические основы классификации адаптивных системных многоканальных аналого-цифровых преобразователей потоковой динамической архитектуры на базе нейронных технологий;

- основы структурной теории и принципы построения функционально полных структур адаптивных системных АЦП ПДА;

- развитие основ теории СМО с изменяющимися параметрами;

- комплекс моделирующих алгоритмов, аналитических и имитационных моделей АЦП ПДА, реализуемый на основе концепции адаптивных виртуальных измерительных каналов и созданных моделях нового класса СМО;

- методы определения вероятностно-временных характеристик созданных моделей СМО (марковских и немарковских, открытых и замкнутых, с отказами в обслуживании, с бесконечной и конечной очередью);

- методику оптимизации параметров структуры АЦП ПДА, включающую обоснование выбора целевой функции и критерия оптимизации, а также процедуру определения предельного и оптимального объема оборудования адаптивного преобразователя;

- приближенные методы расчета основных характеристик предложенных моделей СМО (марковских с бесконечной очередью и немарковских с отказами в обслуживании);

- принципы построения механизмов адаптации, методы синтеза и анализа аппроксимационных алгоритмов, адаптивных к изменению параметров входного потока, ориентированных на применение в АЦП ПДА;

- комплекс прикладных результатов синтеза архитектур, схемных решений АЦП ПДА, программных средств, обеспечивающих решение задач расчета основных метрологических и технических характеристик рассматриваемого класса АЦП.

Достоверность приводимых в работе результатов и выводов обеспечивается корректным применением математического аппарата информационной теории измерений, теории вероятностей и математической статистики, теории систем массового обслуживания. Основные расчетные соотношения, полученные в работе, подтверждаются результатами имитационного моделирования на ЭВМ и экспериментальными данными.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Совокупность предложенных в работе идей, методологических, теоретических и прикладных результатов составляет новое направление в области создания современных адаптивных системных многоканальных аналого-цифровых преобразователей, обладающих принципиальной направленностью на достижение потенциальной точности с учетом быстродействия используемой элементной базы.

Реализация перечисленных выше результатов дает обоснованную методику для определения основных метрологических и технических параметров адаптивных системных АЦП ПДА на этапе их системного проектирования. Практическая ценность работы заключается в разработке методов исследования и синтеза адаптивных структур системных АЦП, реализованных как комплекс программ автоматизированного проектирования. Разработаны архитектурные и схемные решения различных топологий АЦП ПДА УД на базе нейронной технологии для алгоритма поразрядного кодирования. Реализованный на ЭВМ комплекс программ расчета вероятностно-временных характеристик СМО с изменяющимися параметрами позволяет ускорить процесс проектирования преобразователей.

Разработанные в диссертации теоретические положения, методы проектирования и расчета характеристик преобразователей использовались при создании аппаратурно-программных комплексов информационно-измерительных систем автоматизации испытаний авиационных изделий в ОАО "СТАР" (г. Пермь), НИИД (г. Москва), ОАО

"Авиадвигатель" (г.Пермь), а также при создании информационно-управляющих систем автоматизации технологических процессов: восстановления титана в АО "АВИСМА - Титано-магниевый комбинат" (г.Березники, Пермская область), очистных сооружений в АО Галургия (г.Пермь). Новизна и значимость технических решений подтверждаются авторскими свидетельствами на изобретения.

Полученные в диссертационной работе результаты были положены в основу, созданных совместно с НИИД (г.Москва) руководящих материалов по проектированию информационно-измерительных систем, обеспечивающих повышенное быстродействие и достоверность в проведении испытаний авиационных агрегатов.

Научные аспекты диссертационных исследований нашли свою реализацию в лекционных курсах, читаемых автором студентам специальности "Управление и информатика в технических системах" Пермского государственного технического университета, в многочисленных публикациях и выступлениях на международных и отечественных конференциях и семинарах.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 17 научных конференциях и совещаниях, в том числе на X Всесоюзной шко-ле-семинар по вычислительным сетям (Тбилиси, 1985), VIII Всесоюзной НТК "Планирование и автоматизация эксперимента в научных исследованиях" (Ленинград, 1986), XIII и XIY Всесоюзных школах-семинар по вычислительным сетям (Алма-Ата, 1988 и Минск, 1989), V Белорусской школе-семинар по теории массового обслуживания (Минск, 1989), Международной НТК " Системы за управлении на технологични про-цеси в дискретного производства" (Варна, 1989), XV Всесоюзной школе-семинар по вычислительным сетям (Ленинград, 1990), Всесоюзной НТК "Микропроцессорные системы автоматики" (Новосибирск, 1990), Всесоюзной НТК "ИИС-91" (Санкт-Петербург, 1991), Всесоюзной НТК "Распределенные микропроцессорные системы и локальные вычислительные сети" (Томск, 1991), XVI Всесоюзной школе-семинар по вычислительным сетям (Винница, 1991), Всесоюзной НТК "Микросистема^" (Томск-Калининград, 1992), XVII Международной школе-семинар по вычислительным сетям (Алма-Ата, 1992), республиканской НТК "Диагностика, информатика, метрология - 94" (Санкт-Петербург, 1994), республиканской НТК "Состояние и проблемы технических измерений" (Москва, 1994), IV Международной НТК "Региональная ин-форматика-95" (Санкт-Петербург, 1995), XVIII Международной школе-семинар по вычислительным сетям (Украина, Крым, 1995).

Публикации. Основные положения и результаты диссертации изложены в 38 научных работах, в том числе, учебном пособии и трех монографиях.

Структура и объем работ. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 141 наименование и приложения. Основная часть работы изложена на 217 страницах машинописного текста. Работа содержит 25 таблиц и 43 рисунка. Приложение включает ряд математических выводов, примеры расчетов характеристик АЦП, программы математического моделирования, технологические рекомендации по проектированию, акты внедрения результатов работы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность, сформулированы цель, научная новизна, основные защищаемые положения и их достоверность, практическая значимость работы.

Первая глава посвящена анализу современного состояния теории и практики проектирования адаптивных системных аналого-цифровых преобразователей.

Рассмотрение особенностей системных АЦП, обеспечивающих совместимость объектов и процессов измерения с процессами АЦП, позволило выделить и систематизировать системные функции, свойства и параметры адаптивных многоканальных АЦП, сформулировать основные пути совершенствования преобразователей, направленные на достижение максимального соответствия их схемотехнического и функционального уровней.

Проведенный анализ развития современных АЦП показал, что главными и перспективными направлениями их совершенствования являются:

- применение средств вычислительной техники для построения интеллектуальных адаптивных АЦП с перестраиваемой архитектурой;

- использование нейронной технологии для создания потоковой динамической архитектуры с управлением потоками данных.

Эти направления позволили выделить общую тенденцию совершенствования АЦП. Эта тенденция заключается в адаптации преобразователя к параллелизму измерительных процедур с перестраиванием оборудования в различные типы архитектур, что позволяет вьщелить новый класс АЦП. Принципиальными особенностями нового класса АЦП являются:

- согласование топологии с алгоритмами преобразования и параметрами входного потока измеряемых сигналов;

- адаптация аппаратурно-программного обеспечения (управление ресурсами) с целью создания оптимальной архитектуры преобразователя;

- обеспечение оптимальной потенциальной точности преобразования с учетом реального быстродействия элементной базы.

Показано, что существует три базовых способа реконфигурации архитектуры (перестраиваемых измерительных устройств) к параметрам измерительного потока (коммутация элементов и их связей, синхронизация и дробление измерительных процедур). Основу способов составляет место выполнения адаптационных алгоритмов реконфигурации в процессе жизненного цикла преобразователя - во время разработки, во время настройки или во время исполнения измерительного алгоритма. Отмечено, что в архитектурах с реконфигурацией во время исполнения измерений, топология определена не полностью. Использование такого способа управления ресурсами АЦП позволяет получить любые топологии, что обеспечивает максимальную гибкость, так как выбор архитектуры адекватен оптимальному алгоритму обработки, т.е для каждого входного сигнала создается своя (оптимальная) архитектура. Среди преобразователей, реконфигурируемых в процессе измерения, особое место занимают АЦП с архитектурами, обладающими способностью настройки на изменение параметров входного потока измеряемых сигналов. Такие архитектуры АЦП, получившие название потоковых динамических архитектур (ПДА), приспосабливаются к изменяющемуся числу заявок на измерение и требованиям к точности преобразования входного сигнала, выполняя множественные измерительные процедуры на выделенной аппаратуре.

Проведенный в работе анализ показал, что для построения многоканальных адаптивных АЦП ПДА целесообразно использовать архитектуры управляемые данными (УД), т.к. использование модели потоков данных позволяет максимально учесть специфику многоканального (поток данных - поток заявок на измерение от различных входных каналов) и адаптивного (индивидуальные требования к ресурсу измерительного устройства) преобразования, а также выявить параллелизм измерений на самом низшем уровне.

Реализация преобразователя на основе ПДА УД обеспечивает улучшение характеристик АЦП, а также возможность адаптации его структуры к решаемым задачам и состоянию собственного оборудования за счет реконфигурации. В АЦП ПДА УД достигается разделение оборудования преобразователя на переменное число измерительных устройств оптимальной разрядности, что позволяет настроить АЦП на обработку требуемого в текущий момент числа потоков данных (заявок на измерение).

Показано, что наиболее предпочтительна реализация АЦП ПДА УД на основе нейронных сетей, представляемых моделями автоматов с

настраиваемой структурой (АНС). В работе исследованы основные принципы построения АНС, из которых главными и представляющими наибольший интерес для задач построения АЦП являются: параллельность, переменность и однородность структуры. АНС, построенные на вышеперечисленных принципах, состоят из одинаковых и однотипно соединенных друг с другом универсальных элементов с программным изменением связей между ними. Принципиальным отличием АНС является то, что при увеличении их сложности с ростом объема измерений и при наращивании числа элементов АНС не имеют теоретического предела по быстродействию, поскольку обеспечивают любое распараллеливание операций преобразования. Другим важным отличием АНС является возможность выполнять преобразования не только программным способом, но и структурным (схемным) способом, при котором для выполнения каждой операции измерения отводится своя схема (аппаратура).

Рассмотрены и классифицированы логические основы построения АЦП ПДА УД на базе АНС. При этом:

- в качестве базиса реализации элементарного автомата с настраиваемой структурой выбран формальный нейрон (ФН);

- структурой, объединяющей компоненты АЦП ПДА УД, определена нейронная сеть;

- выделены и проанализированы следующие основные характеристики структур на базе нейронных сетей: а) производительность, б) надежность и живучесть, в) экономичность.

Вторая глава содержит разработку основ структурной теории адаптивных системных многоканальных аналого-цифровых преобразователей потоковой динамической архитектуры, реализуемых на основе нейронных технологий.

Установлено, что для рассматриваемого класса АЦП проблема разработки основ структурной теории АЦП ПДА УД, реализуемых на нейронных технологиях, имеет принципиальное значение, а ее решение определяет дальнейший прогресс в теоретических исследованиях и практической реализации преобразователей с перестраиваемой архитектурой.

Большое внимание уделено вопросам создания принципов реализации АЦП ПДА УД. Отмечено большое значение вопросов конструирования нейронов и нейронных сетей измерительных устройств с учетом технологии микросхемотехники, а также особенностей их применения в задачах построения АЦП. Показано, что нейронная сеть преобразователя представляет собой эквисторную структуру, где каждый нейрон соединяется с другими нейронами, расположенными в некоторой окрестности и имеющими конечную скорость передачи. Базовыми элементами структуры нейронной сети АЦП ПДА являются: настраи-

васмый нейроподобный элемент (нейрон), реализующий операцию измерения; перестраиваемая шина, обеспечивающая взаимосвязь нейронов и ориентированная на используемые классы алгоритмов преобразования аналог-код. Показано, что нейронная сеть АЦП ПДА позволяет реализовать управление многоканальным адаптивным преобразователем.

Показана целесообразность применения в качестве алгоритма функционирования преобразователя алгоритма поразрядного кодирования (взвешивания) (ПРК), обладающего положительными свойствами: высоким быстродействием и низкими аппаратурными затратами.

Для алгоритма ПРК разработана обобщенная структура АЦП ПДА УД, основу которой представляет измерительная сеть, обеспечивающая формирование уравновешивающего напряжения и состоящая из п нейронов. Исследованы базовые принципы управления функционированием нейронов в измерительной сети и структура нейрона, состоящая из трех групп коммутаторов, модульного устройства управления, сумматора взвешанных сигналов и порогового устройства.

Получена структура нейрона. Нейрон (ИЭ) состоит из блока взаимодействия входных волокон (БВВ), который содержит две группы коммутаторов (К1Д2) и модульное устройство управления (МУУ), сумматора взвешанных сигналов (СВС), порогового устройства (ПУ) и выходного коммутатора (Кз). С помощью Ю на измерительный элемент поступает опорное напряжение (и0пО. СВС и ПУ формируют компоненты эталонного уравновешивающего сигнала иУГ, который на СУ уравновешивает входной сигнал. Входы С осуществляют настройку (возбуждение) нейрона. Через входы СУ| в нейрон вводится информация о состоянии сравнивающих устройств. Коммутаторы К1-К3 осуществляют объединение ИЭ в нейронную сеть (п - число нейронов в сети). ИЭ имеет синапсы (а^ с весовыми коэффициентами (с^) и порог 0.

В разработанной архитектуре АЦП ПДА УД ПРК измерительная сеть представляет собой преобразователь "код-напряжение" (ПКН). В работе проведен анализ типовых структур ПКН и показано, что основной архитектурой построения измерительной сети, обеспечивающей максимальное быстродействие и однородность структуры преобразователя, является обращенная матрица

Впервые введено понятие формального измерительного нейрона (ФИН), для которого разработана математическая модель, ориентированная на эквисторную нейронную сеть, алгоритм ПРК и особенности технического применения для уравновешивания обращенной матрицы К-211. Получена функция преобразования ФИН, которая имеет следующий вид:

^ _ ^-Н^ПСН шах

ЭТ^к ~ /у

11 3

где а\ - аз - синапсы ФИНк (к = 1,п), 2 - порог ФИНк, аз - запрещающее волокно ФИНк, аг - разрешающее волокно ФИНк, ал-иоз - весовые коэффициенты синапсов, причем о)1=+1, Ш2=+1, а>з=-2. На основе созданной модели ФИН разработана обобщенная микроструктура базового элемента АЦП ПДА УД ПРК (рис.1).

Одноразрядный ФИН как базовый элемент нейронной сети состоит из:

- разряда обращенной матрицы Я-2Н, содержащей резисторы К и 2К, измерительный ключ Ки, резистор номиналом 2И. (211с), ключ Кс, предназначенный для симметрирования разряда матрицы. Эти элементы реализуют функции СВС и ПУ нейрона;

- блоков коммутаторов Ки, Ки, Кг, Кз, модульного устройства управления (МУУ), реализующих функцию БВВ нейрона и обеспечивающих построение эквисторной структуры нейронной сети АЦП.

Третья глава содержит исследования в области структурного синтеза АЦП ПДА УД ПРК.

Определено, что основная проблема при создании реализуемых АЦП ПДА УД ПРК состоит в разработке нейронной сети и способов коммутации нейронов в ней. В работе предложены два типа эквисторной нейронной сети. Первый тип - детерминированная регулярная однородная структура нейронной сети, содержащая измерительные однородные элементы. Второй - детерминированная регулярная неоднородная сеть (на основе применения измерительных элементов двух типов: одно и к-разрядных). Для обоих типов структуры нейронной сети разработаны основы архитектурных решений АЦП ПДА УД ПРК на базе применения обращенной матрицы 11-211 и модели ФИН следующих топологий:

- с моноканалом линейного типа,

- с кольцевым моноканалом,

- с ярусно-однородной каскадной структурой.

Для всех созданных архитектурных решений АЦП ПДА УД ПРК разработаны и проанализированы топологические решения и функциональные структуры, впервые созданы микроструктуры базовых элементов нейронной сети. Решены задачи определения рациональной топологии нейронной сети.

Рис.1. Структура ФИН на обращенной матрице 11-211 для эк-висторной нейронной сети ИС.

Разработанная архитектура АЦП ПДА УД ПРК для топологии нейронной сети - моноканал линейной структуры, представлена на рис. 2.

Рис.2. Архитектура АЦП ПДА УД ПРК на основе моноканала линейной структуры

Предложенные архитектуры нейронных сетей с моноканалом имеют следующие положительные свойства:

- эффективность применения указанных топологий АЦП определяется числом входных каналов, а выигрыш в аппаратуре начинает проявляться уже при числе каналов равному четырем;

- удвоение относительной удельной пропускной способности достигается при числе входных каналов равной 32;

- соотношение аппаратурных затрат практически не зависит от величины максимальной разрядности АЦП в запросах измеряемых сигналов;

Вместе с тем, в суммарных аппаратурных затратах на реализацию АЦП существенную роль играют затраты на дополнительную аппаратуру ФИН. Отсюда могут быть выделены следующие слабые стороны архитектур с моноканалом:

- дополнительные затраты линейно зависят от числа входных каналов преобразователя;

- структура ФИН зависит от числа входных каналов, что означает необходимость разработки конкретного ФИН под заданную реализацию.

Устранение отмеченных недостатков обеспечивается построением ярусно-однородной каскадной структуры (Я О КС) нейронной сети. Основными свойствами созданной топологии ЯОКС являются:

- обеспечение организации измерительного канала в виде последовательности ФИН;

- реализация полнодоступных, неблокируемых и самомаршрутизируемых структур нейронной сети;

- прокладка маршрута, определяющего измерительный канал, однозначно задается номером сравнивающего устройства и разрядностью запроса входного сигнала.

Особенности топологического решения поддерживаются созданной микроструктурой ФИН для ЯОКС, которая не зависит от числа входных каналов в АЦП, остается постоянной и единственно определяется топологией созданной нейронной сети.

Показано, что аппаратурные затраты ЯОКС при небольшом числе каналов (от 2. до 16) превышают затраты АЦП с моноканалом. При числе входных сигналов равном 32 выигрыш от использования ярусно-однородных структур составляет 10%, а относительная удельная пропускная способность увеличивается в среднем на 20% и с ростом числа каналов применение таких архитектур становится все более эффективным. В то же время увеличение числа нейронов в архитектуре ЯОКС осуществляется дискретно, что и предопределяет несколько большие затраты, чем в структуре с моноканалом.

Снижение аппаратурных затрат достигается построением неоднородных структур нейронной сети АЦП. В диссертационной работе

созданы и реализованы структуры неоднородной нейронной сети и варианты микроструктуры ФИН. Отмечено, что включение неоднородности в архитектуры АЦП приводит к следующему:

- увеличиваются затраты на реализацию АЦП ПДА УД ПРК в базисе СБИС (необходима разработка и реализация, как минимум, двух нейронов в различных заказных БИС);

- происходит усложнение алгоритма функционирования АЦП, как в режиме настройки, так и в режиме рабочего функционирования;

- усложняется процесс анализа и синтеза АЦП ПДА УД ПРК.

Учитывая особенности использования неоднородных структур

нейронных сетей в архитектуре АЦП, предложены инженерные рекомендации по их применению, которые состоят в следующем:

- переход к построению архитектур АЦП ПДА УД ПРК с неоднородными элементами рационален при числе входных сигналов более 16;

- целесообразно, с учетом современной технологии создания матриц Я-2Я в СБИС, ориентироваться на ФИН с разрядностью 2-4-8, как наиболее отработанные с технологической точки зрения, так и обладающие требуемыми метрологическими характеристиками.

Для всех разработанных топологий АЦП ПДА УД ПРК проведен сравнительный анализ по функциональным возможностям, аппаратурным затратам и относительной удельной пропускной способности. Созданные архитектуры АЦП ПДА УД защищены авторскими свидетельствами на изобретение.

Четвертая глава посвящена исследованию и расчету параметров целевой функции оптимизации структуры АЦП ПДА, включающему обоснование вида целевой функции и критерия оптимизации, выявление составляющих целевой функции и разработку методики оптимизации параметров структуры преобразователя.

Для рассматриваемого класса АЦП ПДА проблема оптимизации является одной из основных функциональных задач и ее решение определяет достижение высоких метрологических показателей. Рассматриваемый в работе подход основан на обеспечении потенциальной точности с учетом быстродействия элементной базы и архитектурных особенностей АЦП. Оптимизация структуры АЦП ПДА УД является сложной комплексной проблемой, которая сводится к задаче многопараметрической оптимизации, требующей применения системного подхода. В работе выделены следующие наиболее важные этапы решения этой проблемы:

- поиск глобальной целевой функции,

- выбор критериев оптимизации,

- разработка математической модели проектируемого преобразователя,

- решение задачи многопараметрической оптимизации.

Показано, что в качестве целевой функции эффективности АЦП ПДА целесообразно принять суммарную погрешность преобразования. Рекомендовано в качестве критерия оценки суммарной погрешности преобразования использовать минимаксный или интегральный критерии в зависимости от конкретных свойств исследуемого объекта и соответствующих отраслевых рекомендаций. В каждом конкретном случае целесообразно использовать тот из критериев, который удовлетворяет поставленным целям измерения и оказывается удобным для экспериментальной проверки.

Основываясь на концепции адаптивного виртуального измерительного канала (АВИК), установлено, что средняя квадратическая приведенная суммарная погрешность (8^) для АВИК АЦП ПДА содержит следующие составляющие:

8£пР.= 5^+5^+6^, ^еГЙ (1)

где: 8кв; - средняя квадратическая приведенная погрешность квантования входного сигнала по уровню;

8ап - средняя квадратическая приведенная погрешность аппроксимации входного сигнала;

5МЦ - средняя квадратическая приведенная погрешность многока-

нальносш;

N - количество входных .каналов АЦП ПДА.

Определено, что составляющие (1) средней квадратической суммарной приведенной погрешности зависят от основных характеристик АЦП ПДА и параметров входного потока сигналов. Это исследование эффективно проводить, пользуясь введенным понятием АВИК, определяющего необходимый объем аппаратурных затрат АЦП в соответствии с текущими требованиями входного сигнала. Введено также понятие адаптивного физического измерительного канала (АФИК), определяющее жесткое закрепление аппаратуры АЦП за данным входным сигналом. Для АВИК и АФИК определены параметры средней квадратической суммарной приведенной погрешности преобразования (квантования, аппроксимации и многоканальности) и зависимость составляющих этой погрешности от основных параметров адаптивного АЦП (числа разрядов преобразования и быстродействия элементной базы, алгоритма многоканального измерения, аппроксимации и передачи).

Определено, что при заданной структуре АВИК (архитектура АЦП ПДА УД ПРК) и принятого в качестве модели входных сигналов ансамбля квазисгационарных сигналов, выражение (1) приобретает

вид (2) (для случая нулевой степени аппроксимирующего полинома)

Я* 1 . 1

°2nPl "Т^ТЙ 3

г

k„M,At

12(2Ч -1)

Ч Blin / \ )

25? X (2Ч»"~Ч-) R

+

^^max ^min' 2

■ бл.

(2)

где: q - разрядносгь преобразователя в АВИК, М1 - модуль-максимум 1-й производной входного сигнала, кр - коэффициент, зависящий от вида аппроксимации и степени аппроксимирующего полинома, Хтах, Хтт - максимальное и минимальное значения входного сигнала, Д1 -интервал дискретизации входного сигнала по времени, 1 „ 1

8, =

Р. =

cjmax, qmin - максимальная и мини-

tnp — Ck "

2'~-Г * +1

мальная разрядносгь измерительного преобразователя АВИК, Рбл - вероятность отказа (блокировки) в обслуживании (измерении).

Структура АВИК АЦП ПДА УД ПРК позволяет представить интервал дискретизации в виде:

At— t«3M tnp tig; "+" tor tonT,

где: tH3M = tiq - время измерения в условиях поразрядного кодирования; ti - апертурное время преобразования одного разряда АЦП; q+k

- время передачи измеренного отсчета;

Ck - пропускная способность канала передачи АЦП; ц - разрядность канала передачи АЦП;

к - количество избыточных символов в сообщении, определяемое

типом используемого помехозащищенного кода; tta - время помехоустойчивого кодирования, для передачи по каналу связи, для примера 1ВД = Cq2; С - постоянный коэффициент, определяемый алгоритмом реализации операции кодирования, числом, разрядностью и производительностью кодера; tor - время очереди (пребывание сообщения в очереди на измерение);

tonT - время оптимизации и расчета оптимального числа разрядов АЦП ПДА УД ПРК. Показано, что минимизация суммарной погрешности преобразования достигается за счет варьирования разрядности измерительного преобразователя (q). Минимум определяется для различных состояний входных сигналов, которые характеризуются модулем-максимумом

(р+1) производной, и воздействий окружающей среды (параметры каналов связи АЦП). Предложен алгоритм определения оптимального числа разрядов АЦП ПДА, ориентированный на использование в реальном масштабе времени, который не требует решения сложного транцендентного уравнения.

Доказано, что для описания погрешностей, возникающих при адаптивной коммутации в АЦП ПДА, целесообразно использовать распределение Вейбулла-Гнеденко. При этом для оценки сверху возникающих при адаптивной коммутации погрешностей необходимо использовать указанное распределение с параметрами а = 2 и Х(Ь), определяемым конкретными входными сигналами и конкретными параметрами коммутатора.

Проведен анализ и предложены алгоритмы линейной экстраполяции для АЦП ПДА УД ПРК, определены практические рекомендации по использованию созданных алгоритмов. Практическая реализация разработанных алгоритмов в системах ИИС ТРА ГТД (ОАО "СТАР", г.Пермь), САУ "ВОСТИТ" (АО "АВИСМА", г.Березники Пермской области), АСУ ТП "ЭКОЛОГИЯ" (АО Галургия, г.Пермь), "ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ РЕГИСТРАТОР" (ОАО "СТАР", г.Пермь) подтвердила ряд основных теоретических положений и рекомендаций, в частности:

- возможность создания эффективных алгоритмов сжатия информации (полученные коэффициенты сжатия в указанных системах лежат в диапазоне 1.36 - 7.50);

- возможность применение созданных алгоритмов сжатия не только при равномерной, но и при неравномерной дискретизации входных сигналов, что существенно расширяет область применения полученных результатов.

В пятой главе разрабатываются основополагающие принципы теории систем массового обслуживания с изменяющимися параметрами, которые характеризуются неоднородным входным потоком, переменным числом обслуживающих приборов, мест в очереди и интенсивностью обслуживания заявки отдельной совокупностью обслуживающих приборов.

Одной из важных задач, решаемых в процессе определения и расчета целевой функции АЦП ПДА является задача вычисления вероятностно-временных характеристик преобразователя на основе теории систем массового обслуживания (СМО). Показано, что с позиций СМО модели АЦП ПДА относятся к классу СМО с изменяющимся режимом (параметрами). Отмечено, что основными параметрами, характеризующими изменяющийся режим, являются: неоднородный входной поток, переменные число обслуживающих приборов, мест в очереди и

интенсивность обслуживания заявки отдельной совокупностью обслуживающих приборов.

В указанном классе СМО с изменяющимся режимом проведена классификация моделей СМО АЦП ПДА по:

- параметрам входного потока (неоднородные открытые и замкнутые СМО);

- дисциплинам обслуживания (с отказами в обслуживании, с бесконечной и конечной очередью к обслуживающим приборам);

- параметрам каналов обслуживания (однородные и неоднородные обслуживающие приборы);

- параметрам очереди (однородные и неоднородные запросы на число мест в очереди).

В диссертационной работе разработан ряд новых моделей систем массового обслуживания с изменяющимися параметрами, которые характеризуются неоднородным входным потоком, переменным числом обслуживающих приборов, мест в очереди и интенсивностью обслуживания заявки отдельной совокупностью обслуживающих приборов, а также методы определения вероятноспю-временных характеристик указанных СМО.

Созданы мультивекторная и матричная модели входных потоков АЦП ПДА, представляющие обобщенное описание неоднородных потоков, инвариантные к областям применения. Достоинством матричной модели является ее простота описания и исследования, а положительное свойство мультивекторной модели - использование специфики матрицы, что существенно снижает размерность состояний, а следовательно и вычислений СМО.

Осуществлены исследования и созданы методы расчета вероятностно-временных характеристик нового класса моделей СМО с изменяющимся режимом, учитывающие особенности функционирования АЦП ПДА УД. При этом выделены:

а) однородные марковские системы массового обслуживания:

- открытая и замкнутая аналитическая и имитационная СМО с отказами в обслуживаниии;

- управляемая СМО- с отказами в обслуживаниии;

- СМО с приоритетами и отказами в обслуживании;

- открытая СМО с ограниченной очередью и неоднородными запросами на число мест в очереди;

- открытая СМО с бесконечной очередью и однородными запросами на число мест в очереди;

б) однородные немарковские открытые и замкнутые СМО с отказами в обслуживании и с произвольным распределением времени обслуживания.

Предложено доказательство (теорема 1) эквивалентности уравнений глобального и детального балансов, которое впервые математиче-

ски достоверно обеспечивает определение конструктивного критерия для разработанных замкнутых и открытых СМО с отказами в обслуживании с экспоненциальным и произвольным распределениями времен поступления и обслуживания заявок.

Теорема 1. Системы уравнений глобального и детального балансов эквивалентны, когда система (3) имеет решение, удовлетворяющее условию нормировки

00 ' 1

Хс(0= 1, С(1)РУ = С0№>, (3)

¡=0

где: Рц - переходные вероятности; в® - стационарное распределение вероятностей.

Указанный подход используется для снижения размерности вычислений и ориентирован на применение современных ЭВМ. Для разработанных замкнутых и открытых СМО с отказами в обслуживании с экспоненциальным и произвольным распределениями времен поступления и обслуживания заявок удалось показать, что их стационарные распределения вероятностей имеют мультипликативную форму. Выражения (4) и (5) описывают мультипликативное представление вероятностей отказа в обслуживании для открытых (Р(хО) и замкнутых СМО (П).

П Чтм

Чо" ' - ^ I к, т ■

■Я-

П (Р(т)р)

-9 min

m=q^ _т!

S ч» . . . х "|Т к тк» ' W

I П (Р(т)р)"

i=om=q«« т!

где: Р(т) - вероятность запроса сообщения на ш обслуживающих приборов, p-X/yL - загрузка системы, "к - интенсивность входного потока, р - интенсивность обслуживания прибора (нейрона), S - число состояний СМО, km - число заявок в системе, которые обслуживаются ш приборами;

XP(R)li(l-r(S,i))I(R,i)^Si

П = ^ s=li;'k---(5)

lP(R)ZZ(l-r(S,i))^Si

R S=li=l

где: P(R)- вероятность состояния R, R- матрица неоднородного входного потока, r(S,i) - элемент матрицы R, п - число входных источников, k = Qmax, X-si - интенсивность поступления заявок от S источника, требующего i обслуживающих приборов,

i(R,o=('' еслитда<'

10, е с ли m(R) > i

величина m(R) - число приборов свободных в состоянии R.

Это свойство обеспечивает рекурентность вычислений, ускоряет расчеты и снижает затраты машинного времени на определение вероятностно-временных характеристик.

Исследование АЦП ПДА как управляемой СМО показало, что имеется принципиальная возможность за счет процедур оптимального управления приемом заявок на обслуживание уменьшить вероятность отказа в обслуживании (на основе использования алгоритмических процедур), не увеличивая аппаратурные затраты. Это достигается за счет того, что отдельная заявка может не приниматься к обслуживанию даже при наличии в системе необходимого ей числа обслуживающих приборов с учетом последующего предоставления ресурсов другим заявкам. Показатель эффективности функционирования СМО в общем виде определяется как

N

L(S) = MF(i) = Ig(m)MFm(i,5(i,rn)), (6)

m=l

где: Fm(i,5(i,rn)) - величина издержек системы за единицу времени пребывания в i-том состояниии и принятие к обслуживанию в этом состоянии заявки, требующей m приборов, g(m) - вероятность запроса заявки на ш обслуживающих приборов, 8(i,m) - условная вероятность принять к обслуживанию поступившую заявку при условии, что она требует для своего обслуживания ш приборов, а в системе имеется i свободных, М - математическое ожидание.

Созданная модель СМО АЦП ПДА с приоритетами позволяет учесть специфику измерительных устройств, когда множество входных сигналов подразделяется на два класса: низшего и высшего приоритета - измерительные сигналы и сигналы аварий. Система уравнений такой СМО записывается в виде:

n+i-l

[h + (n+i)n] Р(п+0 = (n-И +Í)n P(n+l+i) + XiZg(n+i-j)P(j), i = О^Г. (7)

i=i

На основе вводимых производящих функции с учетом нормировочного условия, в работе определены вероятности P(i), i=0,n+l.

Все созданные модели иллюстрируются численными примерами, а их адекватность доказана по отношению к имитационным моделям на основании критерия Уилкоксона.

Сравнительный анализ марковских и немарковских СМО показывает, что предпочтение при исследовании АЦП ПДА УД надо отдать немарковским моделям по критерию точности моделирования. В разработанных немарковских моделях СМО АЦП ПДА УД получены приближенные формулы расчета вероятностно-временных характери-

стик. Вид формулы для расчета оценки вероятности отказа (л) представлен (8)

я = 1-

V ]=0т га*

]=0т т*

Также доказано, что оценка вероятности отказа зависит лишь от средних значений времен обслуживания и поступления заявок и не зависит от вида соответствующих функций распределения.

Исследование АЦП ПДА как СМО с ограниченной очередью и неоднородными запросами на число обслуживающих приборов и мест в очереди показало, что имеется возможность перейти к использованию в архитектуре преобразователя аналоговых запоминающих устройств, что позволяет существенно уменьшить вероятность отказа в обслуживании при сокращении объема используемого оборудования по сравнению с системами без очереди. Сложность расчета таких систем существенно снижена за счет использования разработанной об-общеной модели АЦП ПДА УД на основе СМО с бесконечной очередью для случая неоднородных запросов на число однородных обслуживающих приборов и однородных запросов на число мест в очереди. Предложенная СМО исследована методом асимптотического анализа в условиях большой загрузки. Получены явные выражения для расчета основных вероятностно-временных характеристик АЦП ПДА УД с очередью, имеющие следующий вид:

а) распределение а(к) числа свободных разрядов (обслуживающих приборов) АЦП ПДА

N Д

- N ы N 2Л(П1)

а(к)={ X я(х,к,т)ёх = 0С——— ^(т) = К -;

0т=к+1 ^ т=к+1 ^ N ]Гд(т)

г=0^-Гт=г+1

б) коэффициент загрузки разрядов АЦП ПДА и его предельное значение со

N

ы £пщ(т)

— УЧ(т) = -—^—гг-Д N к

5>»)

г=0 гт=г+1

в) асимптотическое распределение числа заявок в очереди (среднее значение - М заявок в буфере) составляет

V

М = ст/е ,

где:

N

т-1

8= 1-р1Ч(т)Е1/^-к),

N у\ к

с = Б/Ы + 21/(>Г-к) Х1/(Н-Г);

г) средняя величина задержки (время очереди) Ьч в буфере Ьч = М / А. = а / Хе.

Для представленных в работе моделей СМО разработан и реализован комплекс программ для расчета вероятностно-временных характеристик. Внедренный комплекс организован по принципу "меню", рассчитан на неподготовленного пользователя и позволяет выводить результаты расчета СМО в удобной форме (в виде графиков или таблиц) на печать или экран монитора.

В шестой главе рассматриваются вопросы параметрической и структурной оптимизации АЦП ПДА.

Обосновывается математическая постановка задачи структурного и параметрического синтеза АЦП ПДА с заданными характеристиками. На основании оптимизационной задачи (поиск оптимального решения при этом сводится к. минимизации средней квадратической приведенной суммарной погрешности АВИК за счет изменения числа разрядов) разработана методика определения объема оборудования АЦП ПДА, обеспечивающего достижение заданных характеристик по точности в каждом входном канале.

Учитывая сложность задачи, предложена двух этапная процедура решения, реализуемая с учетом содержания структурного синтеза рассматриваемого класса преобразователей.

На первом этапе считаем, что АЦП ПДА представлен совокупностью АФИК, (1=1- О). Это обеспечивается аппаратурным разделением каналов преобразователя. При этом в (1) 8МЦ = 0 и система

трансформируется в систему независимых функций (9)

Таким образом, (9) представляет собой систему независимых функций, а, следовательно, появляется возможность оптимизировать каждую функцию в отдельности, методом представленным в 4 главе, т.е.

5|пр, = 5кв1+5ап,> е '> N

(9)

Для каждой функции (10) многократно решается задача поиска минимума при изменении внешних переменных MP+i min H-Mp+i шах i, Po min -r Po max и определяются максимальные значения параметров оптимизации (q0nmaxi) известными методами.

Специфика решаемой задачи состоит в необходимости выполнения критериальных ограничений вида:

8г„р1 = 8кш+5^<:^прдОПИ О1)

где: 52£пр доп i - допустимое значение средней квадратической приведенной суммарной погрешности в i-том канале.

Постановка локальной задачи определения оптимальных параметров структуры может быть сформулирована следующим образом: найти совокупности параметров {q°i}, {к0,}, обеспечивающих выполнение (11) при всех наборах значений независимых переменных i = 1-N (в условиях выбранной технической базы реализации АЦП ПДА). В результате для каждого АФИШ будут определены значения параметров, минимизирующие (10) с учетом (11), при изменяющихся свойствах входных сигналов преобразователя и окружающей среды (fc - число избыточных символов используемого помехозащищенного кода, зависящих от текущей интенсивности ошибок в канале связи АЦП ПДА).

Если соотношение (11) не выполняется хотя бы для одного АФИК, то это влечет необходимость изменения параметров технической базы и процедура первого этапа повторяется.

Для оценки объема оборудования АЦП ПДА следует учесть, что значения оптимальных параметров структуры АФИШ изменяются в некоторых диапазонах: q min q^max. Суммируя максимальные значения параметров оптимизации по всем АФИШ, найдем предельный объем оборудования АЦП ПДА. Это справедливо для случая аппаратурного разделения каналов, а отсюда и слабые стороны, свойственные параллельным системам: большие аппаратурные затраты и низкая загрузка оборудования. Поэтому при осуществлении процесса структурного синтеза АЦП ПДА целесообразен переход к многоканальным структурным решениям организации ресурса на базе АВИК,.

Содержанием второго этапа является переход к системной задаче - определение оптимальных параметров структуры АЦП ПДА, представляемой как совокупность взаимозависимых АВИК.

Найденные значения 82jnp min max i удовлетворяют ограничениям вида (11). За счет введения многоканального преобразования * 0)

соответствующие значения 62£пр min max i увеличиваются, но зато существенно снижается объем используемого оборудования, однако при этом должно сохраняться ограничение вида (10). Задача состоит в отыскании минимального объема оборудования АЦП ПДА, удовлет-

ворятощего (1). Алгоритм решения указанной задачи состоит в следующем:

- задаемся исходными значениями параметров оптимизации qz из результатов расчета на первом этапе оптимизации АЦП ПДА;

- осуществляем направленный перебор qr в сторону уменьшения, причем на каждом шаге проверяем условие (1). Для этого в каждом канале определяется 82мш. Последнее, в свою очередь, является функциями 1оч и Рбл. (методика нахождения t04 и Рбл для различных моделей СМО приведена в главе 5). При выполнении условия (1) переходят к следующему шагу уменьшения q^. Если же условие (1) не выполняется, то фиксируется предыдущая итерация и начинается новый цикл поиска оптимума;

- циклы итераций заканчиваются, когда при минимальном значении qv гит любое уменьшение параметра q приводит к нарушению (1).

В результате выполнения указанной процедуры получаем оптимальное значение объема оборудования qi опт min. Сложность реализации предлагаемой процедуры расчета q2 опт min определяется выбранным методом решения задачи поиска 82£пр min max с учетом нахождения 82мн. Выигрыш в объеме оборудования от использования многоканальных систем с АВИК по сравнению с системами на основе АФИК существенным образом зависит от загрузки оборудования в системе с предельными параметрами. Чем ниже загрузка исходного объема оборудования АЦП ПДА (предельного при qE), тем больший эффект дает использование АВИК, тем возможно большее сокращение объема оборудования АЦП ПДА.

Для каждого этапа методики разработаны процедуры расчета параметров на основе итерационного подхода, обеспечивающего получение решения за конечное число шагов.

Разработанные методика оптимизации и итерационные процедуры аппробированы для ряда предложенных архитектур АЦП ПДА и иллюстрируются численными примерами. На основании разработанной методики параметрической и структурной оптимизации созданы технологические рекомендации по проектированию информационно-измерительных систем автоматизации испытаний топливо-регулирующей аппаратуры газотурбинного двигателя, которые легли в основу разрабатываемого отраслевого стандарта (НИИД, г.Москва). В частности, указанная методика была использована при проектировании информационно-измерительных систем для стендовых испытаний топливорегулирующей аппаратуры авиационных двигателей (ОАО "СТАР", г.Пермь, ОАО "Авиадвигатель", г.Пермь).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

На основе общих тенденций развития теории и практики проектирования современных АЦП, в работе решается актуальная научно-техническая проблема создания основ теории проектирования адаптивных системных многоканальных АЦП потоковой динамической архитектуры на базе нейронных технологий: разработка основ структурной теории, методов, алгоритмов и программно-технических средств их реализации, ряд основополагающих принципов теории систем массового обслуживания с изменяющимися параметрами, методов и алгоритмов расчета их вероятностно-временных характеристик.

В диссертационной работе получены следующие результаты:

1. На основе функционально-эволюционного системного подхода определен новый класс адаптивных АЦП с потоковой динамической архитектурой и управлением данными (АЦП ПДА УД), обладающих улучшенными характеристиками. Показано, что повышение эффективности АЦП достигается путем адаптации архитектуры и перераспределения измерительных ресурсов за счет динамического изменения связей между компонентами структуры при изменяющихся характеристиках входных потоков. Указанный класс АЦП является основным объектом исследований работы.

2. Разработаны основы структурной теории АЦП ПДА УД, которые включают: классификацию структур, модели и методы анализа и синтеза архитектур, структурные и схемные решения АЦП ПДА УД. Отмечено, что реализация АЦП ПДА УД целесообразна на основе нейронных сетей как автоматов с настраиваемой структурой (АНС). При этом в качестве базиса реализации АНС выбран формальный нейрон (ФН); структурой, объединяющей ФН, определена нейронная сеть. Обоснован выбор алгоритма преобразования - метод поразрядного кодирования (ПРК) и реализация его на обращенной матрице 11-211. Для алгоритма ПРК реализована обобщенная структура АЦП ПДА УД. Показано, что нейронная' сеть преобразователя представляет эк-висгорную структуру, где каждый нейрон соединяется с другими нейронами, расположенными в некоторой окрестности и имеющими конечную скорость передачи сигналов. Впервые введено понятие формального измерительного нейрона (ФИН) для которого разработана математическая модель, ориентированная на эквисторную нейронную сеть, алгоритм ПРК и особенности технического применения обращенной матрицы 11-211.

3. Показано, что основная проблема при создании структуры АЦП ПДА УД ПРК состоит в разработке нейронной сети и способов коммутации нейронов в ней. Созданы два типа эквисторной нейронной сети: первый - детерминированная регулярная однородная структура сети, второй - детерминированная регулярная неоднородная сеть. Для обеих типов структур разработаны основы архитектурных решений АЦП ПДА УД ПРК на базе применения обращенной матрицы II-211 и модели ФИН следующих топологий: с моноканалом линейного типа, с кольцевым моноканалом, с ярусно-однородной каскадной структурой. Для всех архитектурных решений АЦП ПДА УД ПРК разработаны и проанализированы топологические решения и функциональные структуры, а также впервые созданы микроструктуры ФИН. Для всех разработанных архитектур АЦП ПДА УД ПРК проведен сравнительный анализ по функциональным возможностям, аппаратурным затратам и относительной удельной пропускной способности, предложены рекомендации по их использованию.

4. Установлено, что системные модели измерительных каналов АЦП ПДА на уровне логико-параметрических и количественных отношений могут строиться на основе концепции адаптивных виртуальных измерительных каналов (АВИК), позволяющих использовать для их изучения единый теоретический подход на основе достижений теории систем массового обслуживания (СМО).

5. Обосновано, что в АЦП ПДА для оценки качества преобразования на основе концепции АВИК целесообразно использовать среднюю квадратическую приведенную погрешность преобразования. Установлено, что спецификой АВИК является распределение составляющих этой погрешности по отдельным элементам структуры. Выявлены и изучены зависимости составляющих погрешности от параметров структуры преобразователя.

Изучены и разработаны механизмы адаптации, основанные на идентификации параметров входных потоков в реальном времени. Эти величины используются для управления процессом преобразования через быстрое изменение параметров нейронной сети преобразователя, осуществляемое непосредственно в процессе выполнения основных функций измерения входных сигналов, что обеспечивает повышение эффективности использования, ресурса. Доказано, что для описания погрешностей, возникающих при адаптивной коммутации в АЦП ПДА, целесообразно использовать распределение Вейбулла-Гнеденко. Проведен анализ и разработаны алгоритмы линейной экстраполяции для АЦП ПДА, определены практические рекомендации по использованию созданных алгоритмов.

Предложен метод определения оптимального числа разрядов АЦП ПДА, ориентированный на использование в реальном масштабе времени.

6. Разработан ряд основополагающих принципов теории систем массового обслуживания с неоднородным входным потоком, переменным числом обслуживающих приборов, мест очереди и интенсивности обслуживания заявки отдельной совокупностью обслуживающих приборов.

В частности:

- предложены мультивекторная и матричная модели неоднородных входных потоков, инвариантные к областям применения.

- исследованы модели СМО и разработаны методы расчета вероятностно-временных характеристик: открытой и замкнутой однородной марковской СМО с отказами в обслуживании, управляемой однородной марковской СМО с отказами в обслуживании, приоритетной однородной марковской СМО с отказами в обслуживании, открытой однородной марковской СМО с ограниченной очередью и с неоднородными запросами на число мест в очереди, открытой однородной марковской СМО с бесконечной очередью и однородными запросами на число мест в очереди, однородной немарковской открытой и замкнутой СМО с отказами в обслуживании и с произвольным распределением времени обслуживания.

7. Доказана эквивалентность уравнений глобального и детального балансов, которая впервые математически достоверно обеспечивает определение конструктивного критерия для разработанных однородных замкнутых и открытых СМО с отказами в обслуживании с экспоненциальным и произвольным распределениями времен поступления и обслуживания заявок. Для этих же моделех! доказано, что их стационарные распределения вероятностей имеют мультипликативную форму. Это свойство обеспечивает рекурентность вычислений, ускоряет расчеты и снижает затраты машинного времени на определение вероятностно-временных характеристик.

Разработан и реализован комплекс программ расчета вероятностно-временных характеристик предложенных систем массового обслуживания с изменяющимся режимом.

8. Обосновывается математическая постановка задачи структурного и параметрического синтеза АЦП ПДА с заданными характеристиками. Задача оптимизации в общей постановке для совокупности АВИК состоит в том, чтобы при заданных значениях характеристик входного потока найти совокупность значений параметров структуры и технической базы, для которых значение целевой функции будет минимально. Показано, что с учетом практических ограничений должна

решаться задача с критериальйыми ограничениями. Установлено, что решение оптимизационной задачи позволяет получить совокупность значений варьируемых переменных, характеризующую минимально допустимый объем оборудования преобразователя в условиях выбранной технической базы.

Разработанная методика оптимизации реализуется поэтапно. На первом этапе АЦП ПДА моделируется совокупностью АФИК. При этом определяется предельный (максимальный) объем оборудования, обеспечивающий оптимальные (минимальные) значения погрешности. На втором этапе определяется скорректированный объем оборудования при описании АЦП ПДА как совокупности АВИК. Для каждого этапа методики разработаны процедуры расчета параметров на основе итерационного подхода, обеспечивающего получение решения за конечное число шагов.

9. Разработанная методика проектирования, методы и модели расчета, а также принципы построения АЦП ПДА УД ПРК применены при выполнении ряда научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, внедренных и принятых в опытную и промышленную эксплуатацию. Результаты опытной эксплуатации подтвердили основные теоретические положения и предложенные технические решения диссертационной работы. В частности, экспериментальные исследования и опытно-промышленная эксплуатация разработок автора в области АЦП ПДА УД, алгоритмов сжатия подтвердили их высокую эффективность.

Основные публикации по теме диссертации

1. А. с. 834887 МКН 3 Н ОЗК 13/02 Аналого-цифровое устройство/ М.С. Волковой, Е.Л. Кон, H.H. Матушкин, A.A. Южаков -№2695730/18-21, Заявлено 13.12.78. Опубл. 30.05.81, бюл.№20 // Открытия. Изобретения, - 1981, - №20. - с. 221.

2. Кон Е.Л., Камелин В.В., Матушкин H.H., Южаков A.A. Адаптивный многоканальный измерительный преобразователь // Межвузов, сб. научн. тр. "Гироскопические и навигационные системы". - Пермь, Перм. политехи, ин-т. - 1982. - с. 109- 113.

3. Кон Е.Л., Матушкин H.H., Южаков A.A. Адаптивный аналого-цифровой преобразователь // Известия ВУЗов.Приборостроение. -1984.-№1.-С. 52-56.

4. Кон Е.Л., Матушкин H.H., Южаков A.A. Принципы построения локальных вычислительных сетей автоматизации стендовых испы-

таний // Тезисы докладов X Всесоюзной школы-семинар по вычислительным сетям. - М.-Тбилиси. - 1985. - ч.З. - С. 384-389.

5. Лицын С.Н., Южаков A.A. Кодирование отсчетов при циклической дискретизации в информационно-измерительной системе II Известия ВУЗов. Приборостроение. - 1986. - №7. - С.10-15.

6. Кон E.JL, Матушкин H.H., Южаков A.A. Методика расчета параметров трех уровневой локальной информационно-измерительной сети II Сб. науч. трудов "Моделирование вычислительных систем и процессов". - Пермь, Перм. гос. ун-т. - 1986. - С. 16-25.

7. Кон Е.Л., Матушкин H.H., Южаков A.A. Архитектура локальной вычислительной сети автоматизации испытаний // Тезисы докладов XIII Всесоюзной школы-семинар по вычислительным сетям. - М.-Алма-Ата. - 1988. - ч.З. - С. 236-241.

8. Кон E.JI., Матушкин H.H., Южаков A.A. Автоматизация проектирования устройств и систем автоматики и телемеханики : Учебное пособие. - Пермь, Перм. политехи, ин-т. - 1988. - 48 с.

9. Матушкин H.H., Южаков A.A. Многоуровневая система сбора и обработки информации // Тезисы докладов международной конференции "Системы за управление на технологични процеси в дискретного производства". - Варна. - 1989. - С. 32.

10. Матушкин H.H., Южаков A.A. Выбор объема буферной памяти центра коммутации пакетов // Тезисы докладов XIV Всесоюзной школы-семинар по вычислительным сетям. - М.-Минск. - 1989. - ч.З. С. 69-74.

11. Матушкин H.H., Южаков A.A. Сетевая архитектура интеллектуальных информационно-управляющих систем // Тезисы докладов XV Всесоюзной школы-семинар по вычислительным сетям. - M.-JI. -1990. - ч.З. - С. 297-302.

12. Матушкин H.H., Южаков A.A. Тенденции развития измерительных преобразователей // Тезисы докладов Всесоюзной НТК "ИИС-91",- С.-Пб.- 1991,- С. 83.

13. Матушкин H.H., Южаков A.A. СИРИУС - проект локальной сети промышленных микропроцессорных контроллеров И Тезисы докладов Всесоюзной НТК "Распределенные микропроцессорные управляющие системы и локальные вычислительные сети". - Томск, Томе, гос.ун-т. -1991.-С. 170-172.

14. Матушкин H.H., Южаков A.A. СИРИУС - проект сетевой модульной измерительной системы нового поколения И Тезисы докладов Всесоюзной НТК "ИИС-91". - С.-Пб - 1991. - С. 163.

15. Матушкин H.H., Меркушев А.Г., Южаков A.A. Анализ обслуживания смешанного трафика в подсистемах коммутации каналов и пакетов // Тезисы докладов XVI Всесоюзной школы-семинар по вычислительным сетям. - М.-Винница. - 1991. - ч.З. - С. 55-59.

16. Кон Е.Л., Матушкин H.H., Южаков A.A. Микропроцессорные измерительные системы с потоковой динамической архитектурой // Тезисы докладов Всесоюзной НТК "Микросистема - 92 ". - Томск-Калининград. - 1992. - С. 102-IG4.

17. Матушкин H.H., Южаков A.A. Сетевые информационно-управляющие системы с потоковой динамической архитектурой // Тезисы докладов XVII Международной ипсолы-семинар по вычислительным сетям. - М.-Алма-Ата. - 1992. - ч.2. - С. 258-263.

18. Назаров A.A., Нулик М.М., Южаков A.A. Анализ математической модели адаптивной терминальной измерительной системы // Автоматика и телемеханика. - 1993, - № 11. - С. 108-119.

19. Матушкин H.H., Южаков A.A. Измерительный преобразователь на основе потоковой динамической архитектуры // Известия ВУЗов. Приборостроение.- 1994,-№ 1.-С. 16-21.

20. Кон Е.Л., Матушкин H.H., Южаков A.A. Тенденции развития современных измерительных устройств // Тезисы докладов республиканской НТК "Диагностика, информатика, метрология - 94", С.-Пб. -1994 . - С. 263-264.

21. Матушкин H.H., Южаков A.A. Измерительные системы на основе нейронных технологий // Межвузов, сб. научи. трудов "Кибернетика и ВУЗ". -Томск. - 1994. - выпуск № 28. - С. 92-97.

22. Матушкин H.H., Южаков A.A. Преобразователи информации потоковой динамической архитектуры - новый класс измерительных устройств // Тезисы докладов республиканской НТК " Состояние и проблемы технических измерений". - М., МГТУ. - 1994. - С. 84-85.

23. Матушкин H.H., Южаков A.A. Ключевая современная технология открытых промышленных сетей нижнего уровня // Тезисы докладов XVIII Международной школы-семинар по вычислительным сетям. - Украина, Крым. -1995. - С. 149-150.

24. Авдеев Б.Я., Матушкин H.H., Южаков A.A. Анализ алгоритмов линейной экстраполяции для процессорных устройств сжатия данных //Сб. научн. трудов "Информационные управляющие системы". -Пермь, Перм. гос. техн. ун-т. - 1995. - С.43-52.

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

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

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

28. Матушкин H.H., Назаров A.A., Южаков A.A. Мультипликативность распределения состояний замкнутой СМО при неоднородном входящем потоке // Сб. науч. трудов " Информационные управляющие системы". - Пермь, Перм. гос. техн. ун-т. - 1996. - С. 39-47.

29. Назаров A.A., Южаков A.A. Исследование и оптимизация управляемой адаптивной терминальной измерительной системы // Автоматика и телемеханика. -1996. - № 4. - С. 96-100.

30. Южаков A.A. Интеллектуальные измерительные преобразователи на основе нейронных технологий.-Пермь: Перм. гос. техн. ун-т-1997.- 68с.

31. Южаков A.A. Вопросы анализа аналого-цифровых преобразователей на основе систем массового обслуживания, функционирующих в случайной среде,- Пермь, Перм. гос. техн. ун-т. - 1997. - 52с.

32. Видоменко В.П., Матушкин H.H., Южаков A.A. АЦП ПДА на основе ярусно-однородной каскадной сети II Межвузов, сб. научн. трудов "Информационные измерительные системы". - Пермь, Перм. гос. техн.ун-т. - 1997. - С. 14 - 22.

Сдано в печать 27.09.97 г.

Формат 60 х 84/ 16. Объем 2 уч.да д. л.

Тираж 100. Заказ 1165. Ротапринт ПГГУ.