автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Методы и модели при структурном синтезе гибких информационно-измерительных систем

Куйбышевский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им.Б.В.Куйбышева

На правах рукописи

ОРЛОВ СЕРГЕЙ ПАВЛОВИЧ

МЕТОДЫ И МОДЕЛИ ПРИ СТРУКТУРНОМ СИНТЕЗЕ ГИБКИХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные системы (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Куйбышев - 1990

Работа выполнена в Куйбышевском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте имени В.В.Куйбышева

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук В.Н.Иванов Лауреат премии Совета Министров СССР,

доктор технических наук, профессор Е.П.Курочкин Заслуженный деятель науки и техники

РСФСР, доктор технических наук, профессор К.Л.Куликовский

Ведущее предприятие: Институт проблем управления АН СССР, г.М«ск>&

Защита состоится "4-£~" бп^Г&Л)*.?. 199 С? г. в & час на заседании специализированного совета Д 063.16.01 при Куйбышевском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте им.В.В.Куйбышева по адресу: 443010, г.Куйбышев, Галактионовская, 141, ауд. 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан "10" • (¿^¿¡¿Ь^^к. 199 £? г.

Ученый секретарь специализированного совета / V / В.Г.Жиров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изделия новой техники в таких отраслях фомышленности, как авиастроение и ракетно-космическая техника, ¡удоетроение, вычислительная и информационная техника, представля-)т собой сложные технические объекты, для которых характерны мно-■омерность и многообразие структур, обусловливаемые разнообразием физической природы и способов организации подсистем.

Испытания изделия в целом и отдельных его компонентов - один [э важнейших технологических процессов при создании сложных техни-[еских объекЮв. Необходимость измерения большого числа параметров >бъекта контроля, обработки и анализа информации ставит проблему |беспечения исшггшгай рациональными и эффективными техническими ¡редствами - информационно-измерительными системами, входящими в состав автоматизированных испытательных комплексов. При этом можно шделить два аспекта проблемы - организационный и системотехнически.

Первый аспект проблемы связан с тем, что при известных дости-[ениях в области испытаний авиационной и ракетно-космической техни-:и имеется ряд существенных недостатков при организации испытаний сдельных узлов и агрегатов. Один из основных недостатков - неадек-•атность условий, создаваемых при контрольно-доводочных испытаниях, 'ем условиям, в которых реально будет эксплуатироваться изделие, ¡торое - наблюдается явный разрыв в информационном обеспечении провесов испытаний на предприятиях-изготовителях комплектующих агре-■атов и предприятии, осуществляющем сборку и испытания изделия в ¡елом. Это приводит к выявлению отказов при летно-конструкторскях гспытаниях или.во время штатной работы.

Одним из путей решения указанной проблемы является широкое рименение имитационно-комбинированных испытаний (ИКИ). Имитацнон-:о-комбинированные испытания представляют собой совокупное использование физических и математических моделей для замены отсутствую-их агрегатов и имитации их воздействия и воздействия внешней среды а реально испытываемые агрегаты.

Второй аспект проблемы - системотехнический, заключается в ра-иональном и эффективном использовании технических и программных редств ИИС для испытаний. Практика автоматизации испытаний до на-тоящего времени строилась на создании специализированных ИИС для аждого типа агрегатов. Это зачастую приводило к низкой эффективно-ти использования ИИС за счет простоев оборудования, особенно на

г

ранних этапах жизненного цикла проектируемого и изготавливаемого изделия.

В настоящее время осознана необходимость системного подхода при проектировании ИИС с гибкой структурой, способной адаптироваться к изменяющимся целям и задачам испытаний. Планирование оптимальной реконфигурации системы позволяет рационально использовать аппаратные и программные ресурсы, минимизировать затраты на перестройку структуры. Вместо большого числа различных ИИС, разрабатываемых для испытаний отдельных агрегатов и узлов изделия, должны применяться гибкие системы, ориентированные на агрегатные комплексы технических средств.

В области теории и практики общих положений информационно-измерительных систем и измерений автор опирался на работы Браслав-ского Д.А., Виттиха В.А., Грановского В.А., Губарева В.В., Иванова В.Н., Исм&илова i.D., Кавалерова Г.И., Капиева Р.К., Конвхо-ва H.S., Копейкина C.B., Куликовского К.Д., Курочкина В.П., Ман-дельнтама С.М., Новицкого П.В., Новоселова О.Н., Орнатского П.П., Петухова В.И., Пухова Г.Е., Розеиберга В.Я., Туза D.M., Фомина

A.Ф., Цапенко М.П., Цветкова Э.И., Цыпкина Я.З., Чернявского Б.А., Веиброта И.М., Вонни Э., Крауса М., Пиотровского Я., Пфанцагля Н., Хофманна Д. и др.

Однахо, в известных работах недостаточно разработаны теоретические и прикладные методы и средства структурного синтеза ИИС, как сложных технических объектов. Из-за возросвей сложности ЙИС интуитивные методы синтеза, основанные на опыте й здравом смысле проектировщика, становятся неприменимы, тах как даст далеко не оптимальные ренения. В связи с этим возникает необходимость разработки теории оптимального структурного синтеза ИИС с переменной структурой. Ядро теории - совокупность формальных методов синтеза, ориентированных на использование ЭВМ и гарантирующих оптимальность результатов проектирования.

Тспенное решение задач системного синтеза и анализа структур сложных систем опирается на теоретический фундамент, который зало-ям работами Авена О.И., Бетищевв Д.И., Бусленко Н.П., Бусленко

B.Н., Горбатова В-А., Гермейера D.E., Глуикова B.N., Емельянова

C.B., Iyxa К.Д., Котова В.В., Криинцкого H.A., Кузьмина И.В., Ma-юпенева А.Г.. Моисеева Н.И., Прангнивили И.В., Сергиенко И.В., Тимченко A.A., Цяиркуна А.Д., Янбыха Г.Ф., Якубайтиса Э.А. и др., • также иностранных ученых Веста Б., Денниса Д., Зейглера Б.,

лира Г., Месаровича М., Петри К., Такахары Я., Шеннона Р. и др.

Прставленная проблема резалась в рамках Программы Минвуза ССР "Повыиение качества и надежности продукции, программного обе-печения ЭВМ и технических средств обучения" (КНП-2000), раздел 6.05 (Приказ Минвуза СССР № 485 от б ипня 1987 г.); научно-техни-еской программы Минвуза РО$СР "Надежность конструкций" (Приказы инвуза РСФСР № 659 от 13 ноября 1981 г. и № 641 от 10 октября 986 г.); научно-технической программы ГКНТ СССР 0.80.02, подпро-раммы 7 "Создать автоматизированные системы обработки данных в епроиэводственных областях народного хозяйства" (задание 71); пла-ов НИР отраслевого министерства, хозяйственных договоров 816 гос-егистрации Х-60907, 01810002073, 01830000439, 01840022922, 1850007748, 01860043829, 018700803К, 01880003092. 01900006443.

Предмет исследований. Структуры информационно-измерительных нстем и информационные процессы в системах. Методы структурного интеза и имитационного моделирования. Сетевые модели ИИС. Техни-эские средства ИИС для испытаний приборов и агрегатов.

Цель работы. Развитие системного подхода и разработка теоротя-эских принципов и практических методов оптимального проектирования ибких информационно-измерительных систем для нмитационно-комбинй-эванных испытаний, а также разработка технических средств ЩС ИКИ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие »дачи.

1. Разработать коиплекснуп методологи» системного проектиро-1ния ИИС ИКИ, ориентированную на полный жизненный цикл испытываемо изделия.

2. Разработать методы оптимальной реконфигурации структуры ИИС ДО на заданном периоде планирования при изменяоцихся целях испы-аний.

3. Разработать методы синтеза оптимальной структуры ИИС и оп-пмзацни метрологических характеристик ее измерительных каналов.

4. Разработать и исследовать методы имитационного моделирова-1Я процессов в ИИС как составной части процедуры структурного си-геза.

5. Разработать программное обеспечение структурного синтеза и нитационного моделирования.

6. Разработать специализированные технические средства и ис-. лодовать их метрологические характеристики для конкретных ИИС ИКИ

агрегатов я приборов изделий аэрокосмической техники.

Таким образом, теоретическое обобщение и разработка методологии и методов оптимального проектирования ИИС с гибкой структурой является новым крупным достижением в развитии перспективного направления - автоматизации проектирования систем в приборостроении.

Методы исследования. В качестве методологической основы работы использовались методы системного анализа, теория исследования операций и методы дискретной оптимизации, теория решеток, теория сетей Петри, теория измерений и методы имитационного моделирования на ЭВМ.

Научная новизна выполненных исследований заклинается в следу ищем.

1. Предложен обций подход к системному проектированию гибких ИИС, заключающийся в построении иерархии целей и уровней моделирования системы и формировании для каждого уровня задачи оптимального структурного синтеза.

2. Проведено теоретическое исследование и разработана методология решения задачи оптимальной реконфигурации ИИС с гибкой структурой для имитационно-комбинированных испытаний изделий, ориентированной на полный жизненный цикл испытываемого изделия. Предложены графовые и сетевые модели, описывающие динамику перестраиваемой структуры ИИС.

3. Поставлена и решена задача оптимального распределения по функциональным комплексам системы операторов и информационных элементов алгоритмов обработхи информации. Предложена методика решения квадратичной задачи целочисленного программирования с булевыми переменными.

4. Разработана методология имитационного моделирования с помощью сетевых моделей Петри применительно к информационным процессам в ИИС с гибкой структурой. Проведено теоретическое исследование свойств сетевых моделей Петри и получен ряд новых результатов, которые положены в основу эффективных алгоритмов имитационного моделирования.

5. Предложена методика параметрической оптимизации измерительных каналов ИИС, сформулирована нелинейная задача оптимизации и определены условия существования решения. Разработан метод и алгоритм последовательного анализа ограничений и области допустимых

решений.

6. При создании ИИС ИКИ радиоэлектронных приборов и электромеханических агрегатов разработан ряд оригинальных устройств, защищенных авторскими свидетельствами: электротепловые измерительные преобразователи (ЭТП), генераторы испытательных сигналов, устройства для определения области работоспособности агрегатов.

7. Исследованы источники погрешности электротепловнх измерительных преобразователей. Построена математическая модель тепловых процессов в ЭТП и предложена методика выбора конструктивных и технологических параметров преобразователей по заданным метрологическим характеристикам.

Практическая ценность работы. I. Результаты работы в целок являются теоретической основой для создания программного обеспечения автоматизированного проектирования информационно-измерительных систем.

2. Использование разработанных методов и алгоритмов позволяет за счет решения ряда оптимизационных задач обеспечить обоснованность конструктивных и технологических решений, уменьшить сроки доводки при проектировании ИИС.

3. Методика планирования структуры гибкой ИИС может быть применена как при проектировании новых систем, так и для эффективного и рационального использования имевцегося у предприятия контрольно-испытательного оборудования. При этом обеспечивается снижение затрат на эксплуатацию системы на 15-25$.

Теоретические методы структурного синтеза и имитационного моделирования реализованы в алгоритмах и программах разработанных пакетов прикладных программ.

5. Предложенная в работе методология структурного синтеза зложной системы может быть использована ив других областях:

- при проект.ирова.нии гибких автоматизированных производств;

- при проектировании информационных и вычислительных систем;

- при имитационном моделировании производственных процессов, 7роцессов технического диагностирования сложных изделий, информа-деонных процессов в автоматизированных обучающих системах и т.д.

Реализация работы. Полученные научные результаты в виде методик, программных и технических средств использованы при создании )яда информационно-измерительных систем для имитационно-комбиниро-занных испытаний радиоэлектронных приборов и электромеханических

2-4573 ь

агрегатов.

1. Измерительно-вычислительные комплексы АКИВ-1, АКЭП, микропроцессорные генераторы испытательных сигналов КАГИС-М и НАГИС-М1 внедрены в Центральном специализированном конструкторском бюро (ЦСКБ) и на заводе "Прогресс", г.Куйбышев. Генератор МАГИС-М отмечен серебрянной медалью ВДНХ на выставке "Изобретательство и раци-онализация-88".

2. ИВК для вибродиагностики агрегатов внедрен в ЦСКБ, г.Куйбышев. -

3. Методика планирования оптимальной перестройки структуры ИИС и комплекс программ для оптимального проектирования контрольно-испытательного оборудования внедрены в ОФАП Минобщемаша и использовались в ЦСКБ при проектировании и расчете автоматизированных испытательных систем.

4. Пакет прикладных программ АМСП для имитационного моделирования систем и процессов внедрен в ГосФАП СССР.

5. Методика имитационного моделирования процессов с помощью сетей Петри и пакет программ АМСП использованы в институте "Гипро-востокнефть", г.Куйбышев, при проектировании АСУ ТП нефтедобычей.

Суммарный экономический эффект от внедрения разработок составляет 490 тыс.руб.

Результаты исследований использованы также при проведении в КПтИ НИР по проблемам высшей школы в рамках программы ГКНТ СССР 0.80.02 для имитационного моделирования и анализа информационных процессов в АОС. Теоретические материалы диссертации и ППП АМСП использованы в учебном процессе Куйбышевского политехнического института в лекционных курсах и практических занятиях.

Апробация. Основные результаты диссертации докладывались на: Всесоюзной конференции по А11ВТ (Москва, 1973), Ш Всесоюзном симпозиуме ТИССУРП (Уфа, 1976), Всесоюзной конференции "Автоматизация экспериментальных исследований" (Куйбышев, 1978), II Всесоюзном семинаре "Оптимизация технических систем" (Винница, 1979), I и II Всесоюзных конференциях "Надежность и долговечность машин и приборов" (Куйбышев, 1981, 1984), I! Всесоюзной конференции "Методы й средства обработки сложной графической информации" (Горький, 1985), Республиканском научно-методическом семинаре "Математические методы и вычислительная техника в управлении учебным процессом высшей школы" (Рига, 1986), УШ, IX Всесоюзных симпозиумах "Логическое уп-

равление в промышленности" (Куйбывев, 1985, Ташкент, 1986), X, XI Всесоюзных симпозиумах "Логическое управление с использованием ЭВМ" (Ижевск, 1987, Орджоникидзе, 1988), У1 Всесоюзном совещании "Техническая диагностика" (Ростов-на-Дону, 1987), Всесоюзной конференции "КНП-2000" (Куйбышев, 1989), XI Всесоюзном совещании по проблемам управления (Ташкент, 1989), П Всесоюзном семинаре "Проблемы комплексного анализа и оценивания качества" (Москва, 1989), Всесоюзной конференции "Методы и микроэлектронике средства цифрового преобразования и обработки сигналов" (Рига, 1989).

Материалы диссертации рассматривались на: семинаре 7.1. "Автоматизированные системы управления и обработки данных" ИК АН УССР (Киев, 1988), семинарах секции проблем энергетики АН СССР (Куйбы-аев, 1987, Минск, 1988), научно-техническом совете НТЦ "Наука" (Куйбывев, 1989, 1990), научно-техническом совете факультета автоматики и измерительной техники КПтЙ. (Куйбывев, 1988, 1989, 1990), земинарах кафедры "Вычислительная техника" КПтИ в 1986-1990 г.г., семинаре кафедры "Системы управления" Будапевтского Технического университета (Венгрия, 1982).

Публикации. По теме диссертации опубликован 61 научный труд, з том числе 2 монографии, 5 статей в зарубежных изданиях, 19 автор-;ких свидетельств.

На защиту выносятся: I. Обобщенный подход к проектированию ШС для имитационно-комбинированных испытаний, заключающийся в по-¡ледовательном решении взаимосвязанных задач:

- задачи планирования оптимальной реконфигурации системы;

- задачи синтеза структуры ИИС;

- задачи имитационного моделирования на этапе структурного ¡интеза;

- задачи параметрической оптимизации выбранного структурного ¡арианта системы.

2. Алгебраическая структурно-функциональная модель системы обработки информации с переменной структурой.

3. Методика решения задачи квадратичного программирования с улевыми переменными при структурном синтезе ИИС.

4. Способы синтеза сетевых моделей Петри для имитационного оделирования процессов в системе.

5. Методы и алгоритмы анализа свойств сетевых моделей Петри рамках оптимизационно-имитационной процедуры структурного синте-

за ИИС.

6. Структуры разработанных ИИС и специализированных устройств для определения технического состояния и областей работоспособности приборов и агрегатов изделий.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения и приложений, изложенных на 260 страницах машинописного текста, списка использованных источников из 342 наименований на 32 страницах и содержит 88 рисунков и 19 таблиц на 96 страницах. Общий объем работы 388 страниц сквозной нумерации.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении показана актуальность темы диссертации, дан краткий анализ состояния проблемы, определены цеди и задачи исследований. Охарактеризованы научная новизна и практическая ценность результатов работы, даны сведения по апробации и внедрению результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту. •

В первом разделе выполнен аналитический обзор теоретических методов структурного синтеза систем обработки информации, построены модели объекта испытаний и дана обобщенная постановка задачи структурного синтеза информационно-измерительной системы для имитационно-комбинированных испытаний (ИИС ИКИ).

1.1. При исследовании проблемы организации испытаний изделий новой техники отмечено, что методология системного проектирования изделия тесно связана с принципами проектирования информационно-измерительных систем для испытаний этих изделий.

Исходя из системного подхода к проектированию сложных изделий, сформулированы требования к организации испытаний:

- возможность проведения испытаний на самых ранних этапах проектирования изделий;

- учет особенностей условий эксплуатации изделия на всех этапах испытаний;

- коррекция математичесхих моделей изделия и его компонентов по результатам испытаний;

- обеспечение полного и оперативного обмена информацией между предприятиями-смежниками о результатах испытаний и изменении системы моделей;

- возможность оперативного управления процессом испытаний,

в том числе быстрого перехода от одного вида испытаний к другому без значительной переналадки испытательного оборудования.

Реализация указанных требований приводит к проведению имитационно-комбинированных испытаний агрегатов и узлов изделия. Рассмотрен процесс ИКИ и показано, что его характерной чертой является наличие четырех видов корректирующих процедур:

- коррекция режимов испытаний;

- коррекция физических и математических моделей;

- коррекция конструкций объекта испытаний;

- коррекция структуры информационно-измерительной системы, обеспечивающей ИКй.

В соответствии с поставленными в диссертационной работе задачами рассмотрены факторы, определяющие изменение структуры ИИС ИКИ. К первой группе факторов относятся:

- разнообразие номенклатуры испытываемых объектов, поступающих на предприятие в соответствии с графиком поставки;

- переход к новым типам испытываемых агрегатов в соответствии с сетевым графиком проектирования и изготовления изделия в целом;

- коррекция математических и физических моделей изделия и его компонентов на основе информации, получаемой в процессе ИКИ.

Зти факторы определяют программу испытаний, которая задается в виде сетевой модели. Вторая группа факторов связана с изменением содержания задач испытаний. К ним относятся:

- переход к новым режимам испытательных стендов;

- изменение множества измеряемых величин и требований к точности их измерения;

- изменение характеристик измеряемой величины: динамического диапазона, частотного спектра, вероятностных характеристик поме-ховых составляющих и т.д.;

- выбор нового метода повышения точности измерения контролируемой величины.

Анализ перечисленных факторов подтверждает основной тезис системного подхода к проектированию ИИС ИКИ: структура информационно-измерительной системы должна быть гибкой, перестраиваемой в соответствии с изменявшимися целями и задачами испытаний так, чтобы обеспечить экстремальные значения заданных критериев качества.

3-4573

1.2. Системный подход связывает в единое целое проблему системного проектирования ИИС и проблему организации испытаний изделия новой техники на всех этапах жизненного цикла. Б связи с этим математическая постановка задачи испытаний разделяется на два аспекта. Первый - построение модели процесса имитационно-комбинированных испытаний, второй - построение модели собственно объекта испытаний.

Модель ИКИ формулируется с точки зрения теории идентификации и оценки параметров динамических объектов. В работе предложено описание ИКИ в виде диаграммы отображений, связывающей множества состояний объекта, входных и выходных сигналов с множествами видов технического состояния объекта и оценками качества испытаний.

Рассмотрены условия полной наблюдаемости для трех классов объектов ИКИ: физических моделей, математических моделей и реальных образцов агрегатов.

Полученная формализованная модель процесса испытаний используется для: выявления связей и закономерностей между различными компонентами ИКИ; формулирования задачи исследования; анализа конкретных функциональных зависимостей, реализующих отображения диаграммы; разработки процедур и алгоритмов обработки информации при ИКИ сложных объектов.

Разрабатываемые в диссертации теоретические методы проектирования ИИС носят общий характер. Однако их применение иллюстрируется на примере разработки ИИС для испытаний радиоэлектронных приборов и электромеханических агрегатов аэрокосмической техники. В сеязи с этим построена модель объекта испытаний, представляющего собой герметичный блок с приборами и агрегатами и включающего систему бортового электропитания (СЗП) и' систему терморегулирования (СТР).

В перечень видов испытаний по ГОСТ 16504-01, проводимых для рассматриваемого изделия, входят две основные группы: испытания на срабатывание, коммутационную способность, безотказность и долговечность и испытания на нагревание и климатические воздействия. Поэтому были построены две разновидности модели объекта испытаний: модель тепловых режимов приборов и агрегатов в герметичном аппарате при принудительном охлаждении и модель воздействия помех по цепям электропитания и сигнальным цепям.

Модель установившегося теплообмена построена в виде теплового потокового графа, вершины которого соответствует температурам

газовой среды в зонах аппарата, а дуги - потокам тепловой энергии. >т приборов и агрегатов к корпусу и теплообменнику аппарата. Система уравнений баланса потоков модели теплообмена имеет

год:

А*(К*Т) = 0, а)

де А - матрица инцидентности теплового потокового графа, К - диагональная матрица коэффициентов тепловой проводимости, Т - вектор-столбец температур.

Параметры теплообменника описываются дополнительным уравне-

ием:

t^t^iC^/C^Uj-t^, С2)

де ~tт - темперзтура поверхности теплообменника, - тем-

вратура испарения хяадоагрегата, Сг , С* - удельные тепло-мкости газовой среды и хладоагента, О-^- - массовый расход га-звого потока, G-x - массовая производительность холодильной зтановки, , t0 ~ температуры газового потока на входе и

1ходе теплообменника.

Рассмотрены преобразования модели (I) - (2) при характерных сказах в испытываемом аппарате: отказе системы теплообменника, гказе вентиляторной установки, разгерметизации аппарата, отказе ¡пи электропитания одного или нескольких агрегатов в аппарате.

При построении модели влияния помех на выходные сигналы аг-¡гата на основе анализа условий его эксплуатации выделено три |уппы помех:

- одиночные броски и просадки напряжения СЗП;

- импульсные периодические помехи, вызываемые коммутационны-процессами в аппарате (диапазон 0 * 150 кГц),

- высокочастотные помехи, вызываемые наводками элехтромаг-гных полей ( диапазон 1 + 50 МГц) .

Погрешность на выходе прибора, обусловленная влиянием помех,

вна

со Л

ЬпШ=Жг ¡Hfr) L. (/^и) О)

- оо L—i

где Н(^СО) - амплитудно-фазовая характеристика прибора,

ГЬ^^Ш), I/— ^И - амплитудно-фазовые характеристики паразитных связей источников помех Е(}ш) с выходной цепью прибора.

Если помехи Е/ Еп являются стационарными случайны-

ми функциями с спектральными плотностями Р£(ц))} Л , то дисперсия погрешности на выходе

схз 2 п ^

-со " 1=1

В результате исследования моделей для заданной номенклатуры приборов и агрегатов определено, что для нахождения областей работоспособности испытываемых объектов целесообразно использовать веерный случайный процесс в качестве основного испытательного воздействия:

00

где - одномерная случайная величина, Х„ - случайное

начальное значение, %а("к) <- аддитивная центрированная случайная составляющая с заданным зйконом распределения.

Процесс вида (4) хорошо моделирует реальные процессы деградации, временного старения параметров, температурный дрейф и т.п.

Полученный.комплекс математических моделей исследуемого объекта - аппарата с радиоэлектронными блоками и электромеханическими агрегатами,-является основой для структурного синтеза автоматизированной испытательной системы СИРЗМА, описанной в разделе 5.

1.3. Для выбора направления исследования, определения путей решения поставленных задач был проведен сравнительный анализ методов структурного синтеза и оптимизации систем обработки информации. При этом, в первую очередь, обращалось внимание на известные методы системного проектирования, ориентированные на жизненный цикл объектов.

В работе исследованы методы синтеза топологической структуры системы, методы оптимизации состава системы и характеристик их элементов, методы оптимального распределения функций по компонентам системы. Отмечено, что общей чертой всех известных методов является генерация достаточно большого числа альтернативных струк-

■урных вариантов. Эффективность любого метода в значительной стегни определяется принципами анализа и отсева вариантов с целью юкращения вычислительных процедур.

Большое внимание было уделено методам структурного синтеза 1ИС. Проведенный анализ показал, что больиинство задач сводится к (елочисленным задачам дискретного программирования. Имеется значи-•ельное число формальных постановок задач оптимизации как при про-гктировании ИКС, так и других автоматизированных систем, в особен-юсти, вычислительных систем, систем передачи информации и др. 'днако, теоретические принципы системного проектирования систем с ¡временной структурой, охватывающего все уровни иерархии моделей, азвиты недостаточно. Известные методы структурного синтеза не мо-■ут быть перенесены на класс ИИС для испытаний без учета специфи-и самих испытаний, свойств объекта контроля и решения вопросов беспечения заданных метрологических характеристик ИИС.

1.4. Рассмотрена обобщенная итерационная схема проектирования ИС ИКИ. Общая задача синтеза представляется в виде трех взаимо-вязанных задач:

задачи оптимальной реконфигурации ИИС на заданном этапе пла-ирования Тп ;

задачи оптимального выбора топологической и алгоритмической труктуры подсистем ИИС с оценкой процессов обработки информации системе с помощью имитационного моделирования;

задачи выбора оптимальных параметров функциональных элементов истемы.

Математическая формулировка задачи структурного синтеза осно-ывается на графовой модели взаимосвязи компонентов системы.

Программа испытаний изделий описывается графом ©^(¿^М,) , де - множество задач испытаний, - множество отно-

ений, упорядочивающих задачи во времени. Пусть 1 = 0}Ьа -ектор характеристик качества перестройки структуры системы, -ножество возможных вариантов структур ИИС. Искомое отображение >1/П ставит в соответствие подграфу задач испытаний

(^¿(Т^)— некоторую последовательность структур

Задача оптимальной реконфигурации в общем виде

/2 4-4573

йЦЫЯЯФКция,)о!, и*1Апл> с»

тп. тп

где -¿-дн > дл - множества индексов аналитических и алгоритмических ограничений, Я{ , И2 ~ множества отношений.

Аналитические ограничения имеют вид равенств или неравенств. Алгоритмические ограничения отражают динамические свойства системы, которые невозможно ввести в оптимизационную задачу в виде аналитических выражений. Методологической основой решения задачи (5) является оптимизационно-имитационный подход, развиваемый А.Д.Цвир-куном. При этом используется итерационная процедура, на первом этапе которой на множестве альтернативных структур решается оптимизационная задача с аналитическими ограничениями. На втором этапе производится имитационное моделирование для полученного решения с целью проверки алгоритмических ограничений. Если имитационная модель не удовлетворяет алгоритмическим.ограничениям, то проводится коррекция оптимизационной модели и процесс повторяется.

В диссертационной работб оптимизационно-имитационный подход использован для решения всех трех задач структурного синтеза.

Во втором разделе разрабатываются теоретические основы проектирования систем с переменной структурой.

2.1. Для структурного анализа развивающейся системы использованы алгебраические теории, изучающие порядковые структуры, в частности, теория решеток. В.А.Горбатовым предложены и исследованы модели частично упорядоченных систем. В работе развивается модель решеточной системы в виде

где М& , - множества-носители моделей поведения и струк-

^ 15

тури-системы соответственно; San - операции на

Ма.'> l-dj > ^¿г. ~ бинарные операции пересечения и объединения; предикат Р0 — i , если существует взаимно однозначное соответствие между элементами М& и Mg , при котором слово модели поведения системы соответствует пути в модели структуры, Ро=0 - в противном случае.

Класс решеточных систем является подклассом частично упорядоченных систем.

Модель поведения ЙЙС ИКИ в работе представлена в виде иерархии подмоделей, в которую входят: дерево глобальных целей испытаний, циклический граф последовательности достижения частных целей, ациклически^ граф , задающий программу испытаний, сетевая

модель Nп в виде временной сети Петри.

Для описания структурных свойств системы во взаимосвязи с ее целенаправленной динамикой модель (6) конкретизирована в виде алгебраической модели

YtF = (AX*,Z\ . т

где А - множество элементов системы, К - множество связей между элементами из А , - решетка возможных структур системы, Z. -модель поведения в виде графа или сети Nр .

Исследованы свойства модели, определены отношения частичной упорядоченности и операции пересечения и объединения в решетке !ерестройка структуры системы определяется отображением Л' Z-> Н(Ф) . где Н(Ф)'.*Р-*Ф- множество всех лзотонных отображений

Ф в себя. Оператор cL существующей в данный момент структуре Ф и подмножеству изменяющихся за-*ач испытаний сопоставляет новую структуру fj>.. —

Введено понятие базовой структуры Т% задачи испытаний

JZL » которой является наименее сложная структура из всех ¡труктур, выполняющих . Проведен анализ возможных операто-

)ов перестройки структуры ИИС.

I. Оператор выбора базовых структур

У , V

т

5-4573

где ^ - подмножество задач, активизирующихся в данный момент.

2. Оператор присоединения базовых структур

■ <9)

С Z. А

3« Оператор оптимальной реконфигурации структуры

ЩеФ

где 1* - целевая функция, связывающая множество задач 2? с траекторией структур в реиетке 'f3 .

2.2. Построение алгебраической модели ^f^F связак0 с Рв~ ■ением задачи идентификации ее компонентов: перечисления множества А элементов; задания элементов множества К

построения отображений А*А-*"К и идентификации решеток структур Ф ;

задания частично упорядоченного множества Z. задач испытаний н определения оператора cL

Проведен анализ свойств решетки структур Ф . Определены условия дистрибутивности ренетки ЯР . С целью построения процедуры оптимальной'перестройки структур исследованы пути преобразования структур в дистрибутивной решетке возможных структур.

¿оказано утверждение о верхней оценке чис£а путей из наибольшего элемента в наименьший в произвольной подрешетке, вложенной в булеву ренетку. Доказано также утверждение о рангах пересечения и объединения двух несравнимых структур в дистрибутивной решетке

'2.3. Рассмотрен вопрос об идентификации реветки структур на основе наблодения за характеристиками информационно-измерительных систем. Разработан алгоритм построения диаграммы реветки структур из графа отношений частичного порядка. Определены процедуры получения дистрибутивной реветки из исходного графа .

Методика идентификации и построения реветки структур использована для классификации автоматизированных систем обработки информации на базе алгебраической структурно-функциональной модели (7).

При постановке задач структурного синтеза ИИС ИКИ важ-

эйшим вопросом является выбор критерия оптимизации. В работе про-1ализированы четыре группы критериев качества: стоимостные пока-атели, временные характеристики, показатели надежности, точности достоверности, весовые и энергетические показатели.

Сравнительный анализ показал, что для решения оптимизационных 1дач структурного синтеза экономичных гибких ИИС целесообразно ^пользовать стоимостной критерий полных затрат в виде

С= X ( Сц + W;}lj )/(1-л <2j/Qd¿ ), CI1)

ie C¿j - стоимость перестройки гибкой ИИС при переходе от ■руктуры Y¿ к » ~ удельные эксплуатационные рас-

>ды в структуре fj. за время Tj. , Q-oJ' - максимальная )фективность, достигаемая структурой Tj при решении задач из южества ,aQ.J, - реализованная.эффективность f^ ,

I - индексное множество номеров структур в решетке Ф. мтерий затрат (II) включает как меру структурной стоимости, так меру временной сложности системы.

2.5. Рассмотрены операции при перестройке структуры системы, делены четыре основные операции: добавление или исключение эле-нта и канала связи между элементами системы. Построены графы

я каждой операции, вершинами которых являются состояния, а дуга- элементарные операции. Эти графы используются в алгоритме по-роения матрицы С = \ ^LJ-} стоимостей переходов от ной структуры к другой; ¿^J, = / <р ¡

2.6. Представление модели поведения системы с помощью графа дач испытаний имеет ряд недостатков. С целью их устранения оцесс испытаний предложено моделировать временной сетью Петри

J/^(PtT,F'F ГА/0> Л, (12)

вР ,7" - множества позиций и переходов, F , F+ - функции цидентности, Л0- начальная маркировка,

эбражение, приписывающее позициям и переходам временные интерва-

Разработана методика перехода от графа задач испы-

кий к сети . Переход осуществляется через построение

агментов сети Петри для каждой задачи и последующего склеивания ' агментов в сеть по определенным правилам. Процедура перехода от

п £ 18

к Л//7 формализована и реализована в вице программы.

2.7. При постановке задачи структурного синтеза следует учитывать вероятностный характер выполнения задач испытаний. Вероятностная модель трансформации структуры строится с использованием сетевой модели Петри. Сформулирован механизм случайного выбора реализации процесса выполнения задач испытаний. Построено вероятностное пространство (¿1 , Ы> , Р ) случайного процесса в сети Л^ . Показано, что процесс является однородной цепью Маркова.

Найдены выражения для вероятности активизации задач испытаний

(I)

где

P(Zf/ä)~ ZI Реи ,

JJ шел *

ng dj p

,.,.71

/e Ii J4

%>=*Пт£ HZA

значение V- го разряда унитарного кола» в векторе индикатора входов (выходов) длиной ci* ; б* - вероятность появления данных на V-м альтернативном выходе S -й группы задачи Щ.

Вероятностная модель использована для выбора оптимальной стратегии реконфигурации системы при стохастическом процессе испытаний .

2.8. В результате описанных выпе исследований заложена основа для математической постановки и решения задачи оптимизации реконфигурации системы. Исходными данными являются: решетка структур Ср системы, $=\Ф1, матрица С стоимостей перестройки структур, вектор V'/j удельных эксплуатационных затрат, векторы Tpz. и Тр? допустимых времен реакции задач испытаний и структур системы на поступавшие сообщения о техническом состоянии объекта контроля.

Вводится булевая переменная (т)

I, если при изменении состояния задачи J,

TL"

происходит переход из структуры в , а при изменении состояния | структура

переходит в другую структуру; (.0, в противном случае. В соответствии с выбранным критерием оптимизации целевая функция имеет вид

с0пт= min ¡LT Li. Xiimn (fy + К - ) Ц;)},

а аналитические ограничения задачи задаются 10-ю равенствами и неравенствами. Ограничения связаны с упорядочиванием задач во времени, непрерывностью работы структур системы, взаимной связью структур и др.

Предложена методика значительного сокращения размерности задачи и приведения ее к одномерному виду:

К

Con7^ min {I. «э)

К

f fyy^h '> С") =i

чде К - размерность редуцированного булева вектора У= i^fi} • А - число ограничений, ßg - правые части исходных ограничений.

Задача (13) - (14) является задачей целочисленного линейно-*о программирования с булевыми переменными ( ШП БП). Анализ изустных методов решения задач ЦЛП БП показал, что для поставлен-гой задачи целесообразно использовать метод управляемого случайно-■0 поиска, использующей идеи метода вектора спада, либо Р - ме-•од направленного перебора, сочетающий идеи алгоритма Балаша и :ексикографической оптимизации. В качестве инструментального программного средства для решения задачи (13) - (14) использован ППП ЛСПРО-3, разработанный 3 Институте кибернетики АН УССР.

В диссертационной работе приведен пример применения разрабо-анной методики для оптимизации реконфигурации автоматизированной спытательиой системы СИРЭМА. В результате решения оптимизационной адачи (13) - (14) получена оптимальная последовательность струк-ур." Анализ показал, что оптимальная стратегия ск опт дает эко-омию затрат на 11% по сравнению со стратегией, задаваемой опера-ором dj (8), и на 485 по сравнения со стратегией, определяемой ператоро* ск. Jf (§). Вели же эассматвивать систему СИРЗМД g

неизменной универсальной структурой, то по сравнении с ней оптимальная перестройка дает экономив на

В третьем разделе разрабатывается методика следующего этапа структурного синтеза ИИС ИКИ - проектирования топологической структуры ИИС с оптимальным распределением алгоритмов задач испытаний по функциональным комплексам системы.

3.1. Для решения задачи оптимизации на данном уровне системного проектирования ИИС используется оптимизационно-имитационный подход и выполняется ряд процедур.

Процедура декомпозиции алгоритмов задач испытаний заключается в поиске представления функции У) в виде суперпозиции частичных функциональных операторов. Оператор

к~ 4 -й ступени описывается рекуррентным выражением

где У — а / Л • > Гл ( С яд у) ~ множество частичных операторов я -й ступени декомпозиции. Каждому частичному оператору может быть сопоставлен фукциональный комплекс ИИС и построено ориентированное дерево ТД^ . Объединение всех деревьев частичных операторов дает информационно-функциональный гр,аф (й§Г) системы.

3.2. Полученный И$Г используется при постановке' задачи оптимизации оптимального распределения операторов алгоритмов в ИИС. Согласно модели объекта испытаний и специфики имитационно-комбинированных испытаний сделан ряд допущений относительно организации структуры ИИС ИКИ.

Введены векторные булевые переменные X, У, Д, и' Е, и сформулирована задача целочисленного квадратичного программирования с булевыми переменными (ЦКП БП):

т1и{Ц1)) ГХКА ШУ)^(ХПЕ)}, (15)

h (ХЛУ) de h ; h Щ Ms _ (»)

1$Л4(Х)+ ^МУЬ^ШЕМЛ,

где R^- отношения из множества

совокупности логических произведений компонентов булевых векторов.

3.3. Решение задачи ЦКП БГТ (15) - (16) проводилось с помощью процедуры приближенной пошаговой оптимизации. Она использует переход к задаче ЦХП БЛ путем замены коэффициентов в функциях: /j ,

-р-ц , CJg , g^, ^^ j на их оценки. Для решения задачи ЦЛП БП использован ППП ДИСПРО-3.

^Результатом^)ешени£ задачи (15)- (16) являются векторы X > У . D > Е- » которые определяют структуру и распределение операторов в ШС ИКИ.

3.4. На следующем этапе формулируется и решается задача па-' раметрической оптимизации измерительных каналов ИИС ИКИ. Задача оптимизации сведена к задаче минимизации затрат с ограничениями на метрологические характеристики измерительных преобразователей СИП) в канале с параллельно-последовательной структурой:

т+£ Кц

XZ ?„l(Ani)]

n=i L=i

при ограничениях

An(/f> ..., -fm+R, An/> • •

где f/iC - функция связи стоимости и погрешности Д. ni £-го ИП в /2 -м измерительном канале, - инструментальная погрешность Û -го канала, f-ц - функция преобразования! в канале, Âçf/2 ~ допустимое значение результирующей инструментальной погрешности.

Проведено исследование известных подходов к аппроксимации функций связи "стоимость-погрешность". Показано, что линейная и гиперболическая зависимости не охватывают достаточно широкий класс ИП.

Предложено использовать функции связи трех типов:

= а/2> ; С2= Жехр(-Ш ; -г -

где а , & , (£ , 1 , ^ -определяемые экспериментально постоянные коэффициенты, - дисперсия основной погрешности ИП.

Исходя из принятых допущений о независимости погрешностей в отдельных ИП и распределении их по нормальному закону, а также о частотной независимости передаточного коэффициента \л/пС Для инструментальной погрешности Л гч ИП в измерительном канале, окончательная формулировка задачи параметрической оптимизации имеет вид:

Ы ¿л Кщ М П

Ш 1(1 Г

1п~/ 5=11=1 т=1

Км 2 2 М" 2

I Г Упо + £ МптЪп^Ь", (19>

^ Дтл. П4С -Впт ^ -Дгн'л. пт ,

гДе УгнС , Ч'пт - Функции связи вида (17), 2)дп - предельное значение дисперсии погрешности измерительного канала.

Задача (18) - (19) является задачей нелинейного выпуклого программирования. Исследовано существование минимума целевой функции. Показано, что она строго выпуклая и достигает минимума - на границе области, образованной гиперплоскостями, соответствующими ограничениям (19). Это позволяет перейти к решению задачи минимизации с ограничениями-равенствами.

Получено решение для двух случаев: ИИС содержит только независимые измерительные каналы; ИИС содержит каналы, имеющие общие ИП.

В первом случае использован метод Лагранжа.и решение проводится для N задач с одним ограничением-равенством в каждой. Во втором случае предложен метод последовательного анализа частных решений при одном или двух ограничениях. Метод основан на анализе взаимного расположения гиперплоскостей в пространстве решений и нахождении отделяющей гиперплоскости. Отделяемые гиперплоскости и / соответствувщке им ограничения исключаются из дальнейшего рассмот-

рения. Получены аналитические выражения для дисперсий погрешностей ИП при оптимизации двух взаимосвязанных измерительных каналов методом Лагранжа.

Точность решения задачи зависит от погрешности аппроксимации функции связи "стоимость-погрешность" ИП. Если точность аппроксимации недостаточна, то полученное решение для задачи (18) - (19) используется как начальное приближение для задачи дискретного программирования, в которой функция связи задается табличным способом.

Разработанная методика параметрической оптимизации положена в основу алгоритмов комплекса программ для оптимального проектирования контрольно-испытательного оборудования.

В четвертом разделе разрабатываются и исследуются методы имитационного моделирования процессов обработки измерительной информации в ЙЙС.

4.1. В работе проведен сравнительный анализ известных способов построения имитационных моделей (ИМ), выявлены их достоинства и недостатки. В результате сделан вывод о целесообразности использования в качестве ИМ сетей Петри различных модификаций. Применительно к ИИС ИКЙ рассмотрены условия перехода лт графа задач испытаний и ИФГ к сетевой модели Петри (СМП) Nр вида (12). Построен алгоритм перехода, в основе которого лежит представление каждого функционального комплекса ИИС отдельным фрагментом сети Петри. Конкретная с^руктура^фрагмента^ определяется значениями булевых векторов X , У , 23 и Е , полученных при решении задачи оптимизации (15) - (16).

В целом имитационная модель представляет собой агрегагивнуп систему с внешними источниками сообщений,-в которой агрегатами является фрагменты сетей Петри, отражающие процессы обработки информации операторами задач испытаний в различных функциональных комплексах ИИС.

4.2. Исследование свойств сетевых моделей проводилось с привлечением аппарата специальной теории сетей Петри. Основная задача имитационного моделирования - проверка алгоритмических ограничений задачи структурного синтеза. Исследованы циклические сети Петри, юказано, что преобразование их в ациклические сети-процессы по-}воляет выявлять нарушения в информационных процессах, связанные

: неограниченностью циклов в операторах задач испытаний.

Проведен детальный анализ свойств ациклических сетевых моде-1ей. Доказаны утверждения об изоморфизме графа достижимости, мно-

жества р -со - сечений в К-плотной 0-сети и множестве покрытий переходов. Полученные результаты использованы при решении задачи оптимизации расписания событий в ациклической сети.

4.3. Моделирование временных задержек в узлах и элементах системы осуществляется с помощыз временных сетей Петри, В работе использовано представление временной сети Л/^ , при котором время приписывается позициям, которые интерпретируются как процесс. Временные сети являются расширениями сетей Петри. В связи с.этим было проведено исследование и доказано утверждение, устанавливающее связь между общими свойствами сети ы* и исходной сети Петри/У.

Особое значение при проектировании измерительно-вычислительных комплексов (ИВК) и процессорных измерительных средств (ПрИС) имеет синхронизация процессов обработки информации в различных функцио-нальних узлах системы. Это связано с тем, что доступ к разделяемым ресурсам ПрИС, измерительных каналов и периферийного оборудования не должен приводить к возникновению конфликтов и тупиков типа

deadfoc&

Рассмотрена конструкция сети, характерная для взаимодействующих процессов в ИИС. Имитационная модель состоит из двух фрагментов сети Петри N( « l/j , связанных через управляющую позицию Ру . Сеть N¡ содержит К параллельных ветвей. Задача сводится к обеспечению безопасности сетевой модели. Доказано утверждение об ограниченности всех позиций сети, кроме />у . Решена задача нахождения такого числа сообщений, передаваемых от Nj к

H2 • ПРИ котором безопасность не нарушается. Получено

рекуррентное выражение для процесса в сети:

erD4(tt>^1i+mx{1¡i-,-max{Tñ(t0) + и определено условие безопасности

Тс , (21)

гДе Ту . Tf , T¡h , , TiK , Тёк - времена готов-

ности соответствующих позиций, Те - период поступления сообщений.

Из (20) и (21) следует, что допустимая длина сообщений определяется из неравенства

п<*+(1+Тн/Тс)/(Ты/ТсН),

де ~Тц) - Тн * . При близких значениях Тщ и Тс езопасность сети соблюдается при посылке серии из 5-10 сообщений. !айдено также выражение для длины очереди сообщения в поящяя Ру в зависимости от длины Ц серии.

Аналогичная задача решена для конструкции сетевой ыодехи с вумя-источниками сообщений, работающих на один циклический фраг-:ент сети.

4.4. Полученные результаты использованы при анализе алгоритмических ограничений задачи структурного синтеза ИИС. Имитацион-ое моделирование при этом проводится на трех уровнях.

1. Модель ИМ} - это сетевая модель Петри. На этом уровне мо-елирования исследуются сбойствя временной сети /V* и поротща-шей её сети Петри /V . Если какие-либо из свойств N иди N

:е удовлетворяют алгоритмическим ограничениям, то принимается рвение либо о коррекции ИМ}, либо о коррекции условий исходной лтимизационной задачи ОМ.

2. Модель представляет собой СИП N , в которую вклеены средства статистического моделирования потоков сообщений и арактеристик обслуживания операторов задач управления а функцио-альных комплексах системы. По результатам статистического модо-ирования также принимаются решения о коррекции или Ш.

3. Модель Шд предназначена для статистического моделирования етрологических характеристик средств измерений в ИИС. При это« роверяются условия и результаты решения задачи минимизации при азличных законах распределения вероятностей контролируемых пара-етров объекта, влияпцих воздействий и случайных погрешностей змерительньгх преобразователей. На основе полученных данных при-имаются решения о коррекции моделей.

На первом этапе моделирования с использованием Ш} исследу-тся следущие свойства.

1. Проверка живости переходов с помощью алгоритма полного окрывапцего дерева, которая позволяет выявить: а) правильность остроения сетевой модели; б) правильность организации информа-ионных процессов в системе.

2. Проверка на безопасность и ограниченность, которая дает озможность на ранних этапах устранить причины нарушения алгорит-

мических ограничений в системе.

3. Выявление неограниченных циклов.

4. Модификация информационных элементов при синхронизации взаимодействующих параллельных процессов обработки информации.

5. Блокировка информационных процессов. Исследование этой ситуации производится путем анализа М-плотности ациклических А-сегей. Доказано утвервдение: Конечная А-сеть М-плотна тогда и только тогда, когда для любой максимальной 0-подсети Л'о и любой максимальной $ -подсети N¿ выполняется условие:

РН (Щ)6 НС А/о) А (2> (Но) 01) Щ)) Ф Ф,

где рц - головная позиция $ -подсети N £ , Н(А/р) - множество головных позиция Мо , 1) - множество хвостовых С,ко-нечных) позиций подсети.

Этот результат позволяет построить эффективный алгоритм, в котором вместо поиска всех пересечений всех максимальных подсетей анализируются только пересечения множеств головных и хвостовых позиций.

Рассмотрен пример использования данной методики для анализа корректности процесса обработки информации в измерительном канале автоматизированного комплекса для испытаний системы бортового терморегулирования.

4.5. Теоретические результаты исследования сетевых моделей Петри использованы при построении алгоритмов разработанного пакета прикладных программ ЛИСП для -имитационного моделирования информационных процессов и систем. ППП АМСП включает 13 модулей прикладных программ, реализующих все .три уровня имитационных моделей

им1,им2 , им3.

ППП написан на языке ПЛ/1 и функционирует в среде ОС ЕС. Максимальная размерность сети Петри - 50 позиций и 50 переходов.

В пятом разделе приводятся сведения о применении разработанных теоретических методов при проектировании информационно-измерительных систем для имитационно-комбинированных испытаний приборов и электромеханических агрегатов.

5.1. Описана гибкая автоматизированная система СИРЭМА для обеспечения комплексных испытаний, включающая в себя специализированный комплекс АКИВ-1 для испытаний-СТР, автоматизированный комплекс для испытаний электроприводов специального назначения, систе-

му испытаний приборов на помехозащищенность, измерительно-вычислительный комплекс для вибродиагностики агрегатов. Показано применение методики оптимальной реконфигурации к планированию структуры системы СИРЭМА.

В следующих пунктах раздела приведены структурные схемы,технические и метрологические характеристики разработанных автором испытательных комплексов, входящих в состав системы СИРЭМА.

5.2. С целью имитации помеховых воздействий комплексного вида разработано семейство микропроцессорных генераторов помеховых испытательных сигналов МАГИС. В генераторах реализовано формирование испытательного сигнала типа "веерный случайный процесС вида (4), а также генерация тестового сигнала вида

Ußjt)- с{иоцо (1-expt (22)

где N0 , Nj , l\ff - управляющие случайные цифровые коды, Су , С2 . Cj - постоянные коэффициенты.

Тестовый сигнал вида (22) используется для имитации паразитных затухающих колебаний, возникающих в цепях бортового электропитания при скачкообразном изменении нагрузки. Генерация имитационных помеховых сигналов производится в диапазоне 0 ~ 150 кГц с программным управлением амплитудой и частотой сигнала, а также параметрами законов распределения стохастических испытательных сигналов.

5.3. В составе СИГОМА разработан ИВК для вибродиагностики электромеханических агрегатов, построенный на базе ПЭШ "Нейрон' 1 многоканального анализатора спектра СКЧ--72.

Для связи ПЭЖ с СКЧ-72 и с целью расширения частотного диа-1азона исследуемых сигналов до 2 МГц разработан специализирован-«й адаптер с буферной памятью 8 К 16-ти разрядных слов , а также специализированный быстрый анализатор спектра на дискретном преоб-эазовании $урье (ДГШ.

Разработан и исследован ряд эффективных алгоритмов ДПФ, имею-!их лучшие временные характеристики по сравнению с известными лгоритмами. Предложена методика структурного проектирования устрой-тв на ДЛФ, ориентированных на параллельные и систолические струк--уры. Исследованы составляющие погреяности цифрового устройства ля анализа спектра с использованием ДШ>.

Разработанный ИВК позволяет в реальном времени выявлять дефекты агрегате, а также проводить ускоренные испытания для определения

рзсурса агрегата.

S.A. Для проведения комплексных испытаний на тепловое воздействие разработан автоматизированный комплекс АКИВ-1, содержащий аэродинамический стенд для испытаний системы бортового терморегулирования. В состав комплекса входит ЭВМ ДВК-ЗМ, осуществляющая управление процессом измерений, обработку измерительной информации и задание режимов испытаний. В процессе структурного синтеза комплекса АКИВ-1 проведено имитационное моделирование с помощью сетевых моделей Петри процессов обработки измерительной информации. Решена задача минимизации стоимости измерительных каналов комплекса при заданных ограничениях на инструментальные погрешности измерений.

Для исследования электроприводов специального назначения, их контрольно-доводочных и ресурсных испытаний разработан автоматизированный комплекс АКЭП, содержащий микропроцессорные устройства для управления режимами испытаний и обработки информации и нагру-зочно-измерительные устройства для создания момента нагрузки и измерения параметров привода. Решена задача оптимизации структуры комплекса при заданной программе испытаний приводов. При этом достигнуто снижение затрат на I8/J по сравнению с затратами на комплекс с фиксированной универсальной структурой.

В шестом разделе приводятся сведения о разработке специализированных устройств и измерительных преобразователей, входящих в состав системы СИРЭМА.

6.1. Описаны разработанные автором измерительные и функциональные преобразователи с электротепловой связью (ЭТП). ЭТП применены для измерения теплофизических параметров газовых потоков в герметичном аппарате при испытаниях СТР. Получено уравнение измерение, проведен анализ составляющих' полной погрешности ЭТП.

Для получения максимального быстродействия и оптимизации конструктивных и метрологических характеристик исследованы переходные тепловые процессы в ЭТП. Построена трехквадрантная номограмма связи метрологических и конструктивных параметров.

6.2. Для микропроцессорных генераторов семейства МАГИС разработан и исследован ряд оригинальных генераторов случайных сигналов, реализующих веерный случайный процесс. Генераторы построены на цифровых элементах, обладают высокой точностью и стабильностью и защищены авторскими свидетельствами.

6.3. Для определения параметров передаточных функций электро-[риводов специального назначения предлохено устройство, использув-(ее адаптивные аналого-цифровые модели. Реализованный метод идвн-'ификации параметров отличается слабыми ограничениями на вид пода-даемого на объект тестового сигнала. Устройство имеет цифровой вы-:од для связи с ЭВМ верхнего уровня в системе СИРЭМА.

6.4. Разработаны устройства для определения областей работоспособности радиоэлектронных приборов. Отличительной чертой этих стройств является использование стохастических тестовых сигналов, фганизация данных в запоминающем устройстве, обеспечивающая эф-¡ективный контроль области работоспособности. Предложено устройство с выводом цветных изображений области работоспособности на ¡идеомонитор ЭВМ. Разработана методика автоматического анализа [зображения области, произвольно ориентированной на плоскости. Не-■одиха использует паранидально-рекурсивный подход к организации и |бработке данных изображений.

6.5. Приведены сведения об использовании теоретических юте-шалов, полученных в диссертации, а также разработанных пакетов фограмм в учебном процессе Куйбышевского политехнического нисти-■ута.

ЗАК1ОТЕЕИВ

В диссертационной работе представлены результаты создания 'еоретических принципов и методов, на основе которых репена круп-!ая, имеющая важное народохозяйственное значение, научная проблема [роектирования информационно-измерительны« систем с гибкой структурой для испытаний агрегатов изделий новой техники. Совокупность (азработанных теоретических положений является новым крупным достн-сением в развитии перспективного направления в приборостроении -1вт0матизации проектирования ИИС. При этом впервые репен комплекс ¡ледующих теоретических и прикладных задач.

I. Построена теория системного проектирования ИИС с перемен-га й структурой, основанная на комплексной методологии реиения со-юкупности взаимосвязанных оптимизационных задач. В рамках разра-ютанной теории предложена и исследована алгебраическая структурно-функциональная модель гибкой системы, построена сетевая модель 1етри поведения системы, сформулирована и реаена задача оптималь-юго планирования перестраиваемой структуры ИИС.

Применение разработанной методологии при проектировании ИИС для имитационно-комбинированных испытаний приборов и агрегатов позволяет снизить затраты на перестройку и эксплуатации систем на 15 - 25*.',

2. Предложен подход и разработаны методы структурного синтеза ИИС, заключающиеся в решении оптимизационной задачи дискретного программирования совместно с использованием имитационного моделирования процессов в оптимизируемой структуре.

3. Вскрыты, математически описаны и исследованы новые свойства имитационных моделей на сетях Петри: кодирование состояний параллельной сети и поиск максимальных разрезов для оптимизации расписания на сети, инвариантность некоторых свойств простых и временных сетей Петри, условия М-плотности ациклических сетей применительно к семантическому анализу процессов обработки измерительной информации, проблема синхронизации и безопасности позиций во временной сети Петри. Полученные теоретические результаты положены в основу алгоритмов программного обеспечения анализа и имитационного моделирования ИИС.

Разработана методика параметрической оптимизации измерительных каналов ИИС. Сформулирована нелинейная задача минимизации критерия затрат, исследованы ограничения и область решения задачи и разработан эффективный алгоритм решения.

5." Разработанные теоретические методы проектирования использованы при создании ряда автоматизированных испытательных систем: ИВК для вибродиагностики агрегатов, ИВК для испытания агрегатов СТР, автоматизированного комплекса испытаний электроприводов специального назначения, внедренных в ЦСКБ и на заводе "Прогресс".

В результате повышена степень автоматизации производственного процесса испытаний, увеличена надежность агрегатов, улучшено информационное обеспечение процесса проектирования и изготовления изделия новой техники, созданы экономичные и эффективные технические средства контрольно-испытательного оборудования.

6. Предложен ряд оригинальных устройств, защищенных авторскими свидетельствами, которые использованы- в разработанных автоматизированных испытательных комплексах. Исследованы их метрологические и функциональные характеристики.

7« Предложенные в работе методологические основы и теоретические положения обладают общностью и в перспективе могут быть применены при проектировании широкого класса систем обработки инфор-

мации.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Орлов С.П. Синтез структур и оптимизация параметров систем обработки информации. - Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 1989. - 150 с.

2. Оптимизация функционирования и структурного построения сложных систем/ И.Т.Бокучава , В.К.Акинфиев, С.П.Орлов и др. -Тбилиси: Мецниереба, 1989. - 72 с.

3. Орлов С.П. Метод определения' параметров линейных динамических звеньев// Изв.вузов. Электромеханика. - 1981. - № 12. -С.1348-1350.

4. Орлов С.П. Метод оптимального выбора элементов систем управления и контроля// Автоматизация'процессов обработки первичной информации: Межвуз.сб.научн.тр./ Пенз.политехи.ин-т. - Пенза, 1983. - Вып.9. - С.31-35.

5. Орлов С.П. Решеточные модели систем с переменной структурой// Логическое управление в промышленности: Тез.докл.IX ВНТС. -Ташкент, 1986. - С.10-12.

6. Орлов С.П. Алгебраическая модель автоматизированной обучающей системы с переменной структурой// Математические модели я вычислительная техника в управлении учебным процессом высшей школы: Тез.докл.респ.научн.-метод.конф. - Рига, 1986. - C.II2-II3.

7. Орлов С.П. Алгебраическая модель системы диагностирования с переменной структурой// Техническая диагностика: Тез.докл. 71 ВНТС. - М., 1987. - С.8.

8. Орлов С.П. Микропроцессорный генератор имитационных п.оме-ховых сигналов//-Радиотехника. - 1987. - £ 2. - С.75-77.

9.Орлов С.П. Семантическое преобразование сетей Петри в сети-процессы/У Логическое управление в промышленности: Тез.докл. X ВНТС. - М. - Ижевск, 1987. - C.3I-34.

10. Орлов С.П, Временные сети Петри и управление параллельными процессами// Логическое управление с использованием ЗВМ: Тез.. докл. XI ВНТС, - Орджоникидзе, 1988. - С.146-149.

11. Орлов С.П. Анализ сетевых моделей параллельных процессов

и систем// Моделирование вычислительных систем и процессов: Межвуз.

сб.научн.тр./ Перм.гос.ун-т. - Пермь, 1989. - С. 136-1^4.

12. Орлов С.П» Информационно-измерительная система для контроля радиоэлектронных приборов и электромеханических агрегатов//Тез. докл. ВШ "КНП-2000". - Куйбышев, 1989. - С.186-187.

13. Орлов С.П. Автоматизированные системы с адаптивной структурой для имитационно-комбинированных испытаний сложных изделий// Стандартизация и качество продукции в СССР: Научво-техн.сб./ ВНИИКИ. - М.; Госстандарт СССР, 1990. - * 7. - С.12-15.

14. Орлов С.П., Загудаев Е.И., Степанян A.A. Дробно-рациональные приближения в моделировании функций на электронно-тепловых преобразователях// Изв.вузов. Электромеханика. - 1975. - № 9. -

С.916-920.

15. Орлов С.П., Воронцов И.В., Богданов А.Н. Функциональные преобразователи с электротепловой связью// Теория информационных систем и систем управления с распределенными параметрами: Тез.докл. В ВНТС. - Уфа. 1976. - С.31-32.

16. Орлов С.П., Синев В.Н., Фаюстов А.П. Вычислительная система для оценивания надежности приборов, функционирующих в условиях помех// Надежность и долговечность машин и приборов: Тез.докл.

П ВНТК. - Куйбышев. 1984. - С.Г72-Щ. , ] ,,, - ч

17. Шафоростов Ю.И., Шафоростов В.И., Орлов С.П.^Эффективный ; алгоритм быстрого преобразования Фурье сигналов// Методы и средства обработки сложной графической информации: Тез.докл..ЙВНТК. -Горький, 1985. - С.80-82. .

18. Орлов С.П., Федечкин A.C., Шкрябин О.В. Применение пирамидально-рекурсивного метода для определения ориентации объектов

на изображении// Проблемы информационного обеспечения интегрированных производственных комплексов: Сб.научн.тр./ ЛИИАН. - Л. - 1987. - С.1(8-1X1.

19. Богданов.А.Н., Орлов С.П. Синтез информационно-измерительных систем для автоматизации испытаний с оптимизацией характеристик // Автоматизация экспериментальных исследований: Тез.докл.ВНТК. — Куйбышев, 1978. - С.35-36.

20. Шафоростов В.И., Орлов С.П. Реализация операций в систолических процессорах ДПФ// Математическое обеспечение интеллектуальных систем САПР-ГАП: Тез.докл.IX ВНТС. - М. - Ижевск, 1988. -C.I07-II0.

21. Орлов С.П., Воронцов И.В., Калмыков М.П. Электротепловые преобразователи>для определения теплофизических характеристик га-

зовых и жидкостных потоков// Измерительная техника. - 1988. -* 10. - С.37-39.

22. Фаюстов А.П., Орлов С.П. Микропроцессорный синтезатор сигналов// Приборы и техника эксперимента. - 1989. - № I,. -

С.233-234.

23. Семенов B.C., Орлов С.П. Оптимизация ИУС для испытания сложных объектов// Тез.докл. XI ВС по проблемам управления, - М., 1989. - С.527-528.

24. Пахет прикладных программ для анализа и моделирования информационных процессов и систем с помочью сетей Петри (АМСП): Пакет программ/ Куйбышевский полит, ин-т^ Рук. С.П.Орлов. -Инв. » 50900000588, ГосФАП СССР. - M. - 1989. - 43 с.

25. Орлов С.П., Федечкин A.C., Шкрябин О.В., Кистанов А.М. Пирамидальный подход: поиск и идентификация произвольно ориентированных фрагментов на изображении// Методы и микрозлектронные средства цифрового преобразования и обработки сигналов: Тез.докл. ВНТК. - Рига. 1989. - С.50-52.

26. A.c. № 425184 СССР МНИ2 &-О69. 7/16. Чвтырехквадрант-ное множительно-делительное устройство/ И.В.Ворвнцов, Е.И.Загуда-ев. С.П.Орлов (СССР). - » 1879882/18-24; Заявлено 19.01.73; Опубл. 25.04.74, Бюл. № 15. - C.I54-I55.

27. A.c. » 499557 СССР МКИ2 &05В 23/02. Устройство для определения параметров динамических звеньев систем автоматического регулирования/ С.П.Орлов (СССР) . - » 1986206/18-24; Заявлено 21.01.74; Опубл. 15.01.76, Бол. » 2. - С.128-129.

28. A.c. № 515944 СССР МКИ2 &-01F Г/00. Устройство для измерения массового расхода жидкостей и газов/ С.П.Орлов, А.Н.Богданов (СССР). - № 203I499/I8-IC; Заявлено 1С.06.74; Опубл. 30.С5.76, Бюл. 'h 20. - С. 1С?.

29. A.c. » 888077 СССР МКИ2 &-05В 23/02. Устройство для контроля измерительной системы/ С.П.Орлов (СССР). №^2899008/18-24; Заявлено 26.C3.eC,: Опубл. 07.12.81, Бюл. * 45. - С.223.

ЗС. A.c. ? 378316 СССР МКИ2 НОЗВ 29/00. Генератор случайных сигналов/ С.П.Орлов, А.Н.Богданов (СССР). - К 3296259/18-09; Заявлено 26.05.81; Оп}'бл. 3C.II.82, Бюл. № 44. - С.242.

31. A.c. ICC498I СССР МКИ2 g-05В 23/02. Устройство для определения параметров динамических звеньев систем автоматического регулирования/ С.П.Орлов (СССР). - » 3321327/18-24; Заявлено 24.07,81; Опубл. I5.C3.83, Ем. * 10. - С.213.

32. A.c. * II09863 СССР МКИ2 НОЗВ 29/00. Генератор случайных сигналов/ С.П.Орлов, А.Н.Богданов (СССР). - № 3557347/18-09; Заявлено 22.02.83; Опубл. 23.08.84, Бол. * 31. - С.168.

33. A.c. I II77876 СССР МКИ4 НОЗВ 29/00, Генератор случайных сигналов/ С.П.Орлов, А.Н.Богданов, А.П.Фавстов (СССР). -

* 3739031/24-09; Завлено 22.03.84; Опубл. 07.09.85, Бвл. # 33. -С.205,

34. A.c. * II77877 СССР МКИ4 НОЗВ 29/00. Генератор случайных сигналов/ С.П.Орлов (СССР). - * 3739875/24-09:, Заявлено 08.05.84; Опубл. 07.09.85, Бвл. * 33. - С.205.

35. A.c. * II88680 СССР МКИ* §-01Я 31/28. Источник помехо-вых сигналов/ С.П.Орлов, А.Н.Богданов, В.Н.Синев (СССР). -

* 3705895/24-21; Заявлено 22.02.84; Опубл. 30.10.85, Бвл. * 40. -C.I80.

■ 36. A.c. * 1228056 СССР МКИ4 &0IR 31/28. Устройство для контроля области работоспособности электронных блоков/ С.П.Орлов, А.Н.Богданов, А.П.&аюстов (СССР). - * 3772377/24-21; Заявлено 18.07.84; Опубл. 30.04.86, Бюл. * 16. - C.I90.

37. A.c. * 1273853 СССР МКИ4 &0IЯ 31/28. Устройство для определения области работоспособности электронных схем/ С.П.Орлов, А.Н.Бегдаиов (СССР). - * 3889373/24-21; Заявлено 23.04.85; Опубл. 30.XI.86, Бвл. f 44. - С.177-178.

38. A.c. * I287I74 СССР МКИ4 &06F 15/332. Устройство для дискретного преобразования Фурье/ В.И.Шафоростов, В.И.Шафоростов, С.П.Орлов (СССР). - Л 3836668/24-24; Заявлено 07.01.85; Опубл. 30.01.87, Бол. * 4. - С.238-239»

39. A.c. • 1309037 СССР МКИ4 &06F 15/332. Устройство для определения амплитуды и мощности спектральных составляющих комплексного сигнала/ А.Н.Богданов, С.П.Орлов, В.И.Шафоростов, В.И.Шафоростов (СССР). - * 3993379/24-24; Звявлено 17.12.85; Опубл. 07.05.87, Бвл. * 17. - C.I82.

40. A.c. * 1330590 СССР МКИ4 ß-OIfi 31/28. Устройство для контроля области работоспособности электронных блоков/ С.П.Орлов (СССР). - К 3997193/24-21; Заявлено 04.11.85; Опубл. 15.08.87, Бм. * 30. - С.206-209,

41. A.c. * 1385235 СССР~МКИ4 НОЗВ 29/00. Формирователь случайных сигналов/ С.П.Орлов, А.Н.Богданов, А.П.Фаюстов (СССР). -

* 4140614/24-02; Заявлено 28.10.86; Опубл. 30.03.88, Бюл. №. 12. -С.223.

42. A.c. * 1386947 СССР ИКИ* ß-OIÄ 31/28. Устройство для определения области работоспособности радиоэлектронных схем/ С.П.Орлов, И.Е.Мочалова, В.П.Ночалов (СССР). - 9 4153088/24-21; Заявлено 20.10.86; Опубл. 07.04.88, Бил. В 13. - C.I85.

43. A.c. 5 1406742 СССР Ш4 НОЗК 3/84. Генератор непитательных сигналов/ С.П.Орлов (СССР). - П 4161900/24-21; Заявлено 10.12.86; Опубл. 30.06.88. Бэл. * 24. - С.233.

44. А.о. $ I422I95 СССР НКИ4 ß-01Я 31/28. Устройство для испытаний радиоэлектронных приборов на покэхоустойчпгость/С.П.Орлов, А.П.Заветов, А.Н.Богданов (СССР). - » 4180044/24-21; Заявлено 14.01.87; Опубл. 07.09.88, Бвл. » 33. - С.193.

45. Orlov S. P. Analog-digital device for parameter estimation of the transfer function // Periodica Politechnica. Electrical Engineering. - 1983. - V. 27. - N. 1. - P. 35-42.

46. Orlov S. P.', Shaforostov Yu. I. .Shaforostov V. I.,S«my -nDV V. S. Structural presentation of discrete Fourier transformation (DFT) algorithm with any base // Advances in Modelling and Simulation, AMSE Press. - 1987. - V. 7. - N.4. - P. 34-43.

47. Orlov S. P., Shaforostov V. I., Shaforostov Yu. 1. Structural properties of multidimantional DFT ft AMSE Review. - 1988. -

V. 8. - N. 2. - P. 11-20.

48. Orlov S. P., Semyonov V. S. A modelling of variable structure systems // Advances in Modelling and Simulation, AMSE Press.-1980. - V. 11. - N. 4. - P. 13-22.

49. Orlov S. P. Some properties of acyclic nets for modelling of non-sequential processes // Advances in Modelling and Simulation, AMSE Press. - 1988. - V. 14. - N. 2. - P. 37-64.

СОИСКАТЕЛЬ