автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка подсистемы автоматизированной идентификации лесных объектов

Введение.

Глава 1. Обзор информационного обеспечения при проектировании систем управления.

1.1. Способы построения автоматизированных систем проектирования для идентификации систем управления.

1.2. Анализ принципов построения систем автоматизированного проектирования.

1.3. Анализ методов синтеза систем управления.

1.4. Выводы.

Глава 2. Этапы разработки математической модели взаимодействия параметров лесного массива.

2.1. Способы представления схем взаимодействия элементов систем.

2.2. Разработка таблицы взаимодействия параметров и организация на ее основе базы данных.

2.3. Запись функциональной схемы по таблице взаимодействия и проверка адекватности функционального графа.

2.4. Разработка алгоритмов для построения пользовательского интерфейса

2.5. Выводы.

Глава 3. Формализация математической модели лесного массива.

3.1. Построение структурной схемы.

3.2. Разработка структурного графа по структурной схеме.

3.3. Матричное представление структурного графа лесного объекта.

3.4. Алгоритмическое и программное обеспечение для формирования матричных уравнений системы.

3.5. Выводы.

Глава 4. Использование разработанного программного обеспечения для идентификации лесного объекта.

4.1. Этапы работы программы «Идентификация» при идентификации лесного объекта.

4.2. Формирование уравнений лесного объекта.

4.3. Выводы.

Современные системы управления отличает большое многообразие физических компонентов, элементов и связей, что увеличивает их стоимость и время проектирования, причем время проектирования таких систем растет настолько быстро, что является основным сдерживающим фактором их разработки и внедрения.

Автоматизация проектирования сложных систем предполагает разработку специализированных технических средств, обеспечивающих ввод и вывод информации, разработку автоматизированных рабочих мест проектировщика, содержащих комплексы оборудования, а также разработку математического обеспечения: математических методов, алгоритмов и программ.

Традиционные методы проектирования сложных систем имеют низкую степень формализации и в основном ориентированы на принятие решений проектировщиком, они включают большой объем вычислительных операций, характеризуются низкой точностью. Все это ограничивает их применение. Совершенствование традиционных методов, разработка новых методов в отрыве от специфики информационных технологий зачастую не эффективно.

В последние годы появилось много новых методов анализа и проектирования систем управления. Эти методы отличаются от классических более высокой сложностью, они формализованы, их исполнение связано с большим объемом вычислений, что делает полезным при решении практических задач наличие библиотеки стандартных подпрограмм. Однако, даже наличие таких библиотек требует от проектировщика значительных усилий в программировании для решения конкретной задачи.

Высококачественная, хорошо отлаженная программа, написанная программистом высокой квалификации специально для некоторого проекта, наиболее оптимальна. Каждую следующую задачу программист вынужден решать практически с нуля, при этом процесс проектирования становится недопустимо длительным, а затраты высокими. В связи с появлением новых методов проектирования систем управления актуальной задачей является разработка пакетов прикладных программ для решения отдельных задач или этапов исследования и синтеза систем управления, в частности идентификации объектов управления.

Теория автоматического управления не располагает универсальными методами идентификации, удовлетворяющими всем требованиям, предъявляемым к этим системам. Кроме того проектировщик, как правило, не в состоянии овладеть всеми современными методами и их модификациями, особенностями применения их расчетных процедур и методик. Разрешение этого противоречия приводит к необходимости разработки автоматизированной подсистемы идентификации объектов управления.

Формализованным методом идентификации систем управления, позволяющим автоматизировать процесс проектирования является метод структурных графов (С-граф). Этот метод использует матричную запись уравнения системы управления и информативных свойств, заложенных в структуре самой системы. Достоинством метода С-графов является стандартная форма изображения проектируемых систем, детерминизация процесса получения и преобразований математической модели сложных систем и уменьшение вероятности появления или поиска ошибки в процессе работы [5]. Этому и посвящена данная работа.

Целью диссертационной работы является создание автоматизированной подсистемы идентификации объектов управления с использованием топологического метода структурных графов.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

• разработка структуры данных и алгоритмического обеспечения для построения таблицы взаимодействия параметров исследуемого объекта;

• разработка структуры данных и алгоритмического обеспечения для построения функционального графа объекта управления;

• разработка структуры данных и алгоритмического обеспечения для построения структурной схемы объекта управления;

• разработка структуры данных и алгоритмического обеспечения для построения структурного графа объекта управления;

• программная реализация на ЭВМ разработанных алгоритмов;

• идентификация лесного объекта с помощью разработанного программного обеспечения.

Методы исследования: в диссертационной работе использовались методы теории систем, теории управления, теории графов, линейной алгебры, теории алгоритмов, модульного и объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• для автоматизации процесса идентификации объектов управления предлагается использовать топологический метод структурных графов;

• предлагается использовать разработанные структуры данных для автоматизации процесса получения моделей при идентификации объектов управления методом структурных графов;

• предлагается использовать разработанные алгоритмы для автоматизации процесса получения моделей и их графического преобразования при идентификации объекта управления методом структурных графов.

Практическая ценность. Результаты исследований позволили создать пакет прикладных программ «Идентификация» для идентификации объектов управления с применением метода структурных графов.

Исследования проводились в рамках госбюджетной тематики «Топологические методы идентификации и синтеза систем управления многосвязными объектами», выполняемой Братским государственным техническим университетом по направлению «Синтез и идентификация систем управления многосвязными объектами» (КОД ГРНТИ 28.29).

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, приложения. Она изложена на 161 странице основного текста, включая 47 рисунков и 6 таблиц. Библиография содержит 67 наименований.

4.3. Выводы

1. Для лесного объекта с помощью разработанной программы «Идентификация» осуществлен ввод данных о параметрах объекта и связях между ними.

2. Получено графическое представление функциональной схемы, структурной схемы и С-графа лесного объекта.

3. С помощью программы «Синтез» сформированы матричные уравнения системы. Понижение порядка уравнения Н -Хвх = 0 дает возможность сократить количество сигналов и сохранить при этом целостность системы.

4. Применение пакетов программ «Идентификация» и «Синтез» позволяет существенно снизить затраты времени проектировщика при идентификации объектов управления. Задача идентификации лесного объекта была решена за 30 минут. Решение этой же задачи вручную потребовало бы гораздо больше времени.

Заключение

1. Автоматизирован процесс идентификации объектов управления на основе использования топологического метода структурных графов;

2. Разработана структура данных для хранения таблицы взаимодействия параметров, для построения функциональной схемы, структурной схемы и С-графа в ЭВМ.

3. Разработаны алгоритмы для построения таблицы взаимодействия параметров, функциональной схемы, структурной схемы и С-графа.

4. Разработаны алгоритмы для построения пользовательского интерфейса: вычисление координат узлов функциональной схемы, структурной схемы и С-графа, корректировки координат узлов графа.

5. Осуществлен ввод параметров лесного объекта, получено графическое представление функциональной схемы, структурной схемы и С-графа с помощью программы «Идентификация».

6. Получена математическая модель лесного объекта в матричном виде с помощью программы «Синтез».

1. Аббас М.А. Синтез систем управления объектами типовых структур на основе задания переходных процессов: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. -Санкт-Петербургский государственный электротехнический институт, 1993. -20 с.

2. Автоматизированное проектирование иерархических распределенных систем управления. Под редакцией Солодовникова В.В., Зверева В.Ю.: Изд-во МГТУ, 1991.-292 с.

3. Автоматизированное проектирование систем автоматического управления. Под редакцией В.В. Солодовникова. М.: Машиностроение, 1990 г. - 316 с.

4. Автоматизированное проектирование систем управления. Под редакцией М.Джамшиди и др.; Пер. с англ. В.Г.Дунаева и А.Н.Косилова М.: Машиностроение, 1989. - 344 с.

5. Алпатов Ю.Н. Синтез систем управления методом структурных графов. -Иркутск, Изд-во Иркут.ун-та, 1988. 184 е.

6. Балалаев Н.В. спектральные методы синтеза параметрически-неопределнных динамических ситсем: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. Таганрогский радиотехнический институт, 1990. 18 с.

7. Барковский В.В., Захаров В.Н., Шаталов А.С. Методы синтеза систем управления: Матрично-структурные преобразования и алгоритмы управляющих ЦВМ./ В.; под ред. Шаталова А.С. 2-е изд. перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1981. 277 с.

8. Батурин В.В., Коваль В.А. построение точной частотной модели разветвленной газовой сети как объекта управления.// Аналитические методы синтеза регуляторов: Межвузовский научный сборник./ саратовский политехнический ин-т. Саратов, 1984. - с. 94-106.

9. Берж К. Теория графов и ее применение. М.: Изд-во иностр. лит., 1962. 319с.

10. Ю.Бихиле З.Н., Молдау Х.А., Росс Ю.К. Математическое моделирование транспирации и фотосинтеза растений при недостатке почвенной влаги. JL: Гидрометеоиздат, 1980. 223 с.11 .Бутковский А.Г. Структурная теория распределенных систем. М.: Наука, 1977.-320 с.

11. Бутковский А.Г. Теория оптимального управления системами с распределенными параметрами. М.: Наука, 1965. -474 с.

12. Вендров A.M. CASE технологии. Современные методы и средства проектирования информационных систем. - М.: Финансы и статистика, 1998.- 176 е.: ил.

13. Говорухин В., Цибулин В. Компьютер в математическом исследовании. Учебный курс. СПб.: питер, 2001. - 624 е.: ил.

14. Гогин Д.Ю. Синтез и оценка качества функционирования систем автоматического управления: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. Санкт-Петербургская государственная академия аэрокосмического приборостроения. 1995. -26 с.

15. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды иркутской области в 1996 году. Иркутск, 1997. - 230 с.

16. Губарев В.Ф., Самойленко Ю.И. Распределенные системы автоматического регулирования положения равновесия плазменного шнура в токомаке./ Техническая физика. 1974. - №5. - с. 5-11.

17. Гуляев Г.А. Автоматизированный синтез и анализ адаптивных систем управления роботов на базе интегральных автоматов: Атореф. дисс. . канд. техн. наук. Ленинградский институт авиационного приборостроения. 1991. -22 с.

18. Дейч В.Г. Дискретная аппроксимация стабилизирующей обратной связи в системах с распределенными параметрами./ Автоматика и телемеханика. -1987.-№6. -с. 36-47.

19. Дьяконов В.П.Справочник по MathCAD PLUS 7.0 PRO М.: СК Пресс, 1998, 352 е., ил.

20. Дьяконов В.П. Matlab 6: учебный курс СПб.: Питер, 2001. - 592 е.: ил.

21. Евсеенко Т.П. Приближенное решение задач оптимального управления методом прямых./ приближенное решение задач оптимального управления системами с распределенными параметрами: Науч. Сб./ Илим. Фрунзе, 1976.-е. 33-38.

22. Егоров А.И., Бачий Г.С. О решении задач синтеза оптимального управления процессом теплопроводности./ Прикладная математика и программирование: Науч. Сб./Шнитца. Кишинев, 1975. Вып. 13. - с. 20-25.

23. Егоров А.И. Оптимальное управление тепловыми и диффузионными процессами. -М.: Наука, 1978. 463 с.

24. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. М.: Мир, 1986.-318 с.

25. Зыков А.А. Теория конечных графов. Новосибирск: Наука, 1969. - 543 с.

26. Кениг Г., Блекуэлл В. Теория электромеханических систем. М.; Л.: Энергия, 1965. - 423 с.

27. Коваль В. А. Метод пространственно-частотной декомпозиции для управления в трехмерном евклидовом пространстве./ Аналитические методы синтеза регуляторов. Межвуз. науч. сб./Сарат. политехи, ин-т. Саратов. 1982.-е. 31-36.

28. Коваль В.А., Першин И.М. применение метода пространственно-частотной декомпозиции к анализу систем с распределенными параметрами./ Аналитические методы синтеза регуляторов: Межву. науч. сб./ Сарат. политехи, ин-т. Саратов. 1981.-е. 49-56.

29. Коваль В.А. Спектральный метод анализа и синтеза распределенных управляемых систем. Саратов: Сарат. гос. Ун-т. - 1997. - 345 с.

30. Колендо О.В. Синтез оптимального управления системами с распределенными параметрами./ Донецкий университет. Донецк, 1988. -16 с. - Деп. В Укр. НИИНТИ, № 972. - УК.88.

31. Крутилин Д.А. Разработка алгоритмического и программного обеспечения для синтеза систем управления топологическим методом.; Дисс. . канд.техн. наук Братский государственный технический университет, 1999. -141 с.

32. Кухтенко А.И., Самойленко Ю.И. Автоматическое управление плазменными объектами// Вести. АН УССР. 1972. - № 3. - с. 32-35.

33. Ладиков Ю.П., Самойленко Ю.И. Применение ортоганализированных обмоток с автоматическими регулируемыми токами для стабилизации плазмы в системах токомак//Техническая физика. 1972. - т. 42. Вып. 10. -с. 312-346.

34. Лекции по теории графов. Емеличев В.А., Мельников О.И., Сарванов В.И., Тышкевич Р.И. М.: Наука, 1990. 384 с.

35. Леонов Ю.Ю., Цукков В.И. Иерархические системы с распределенными параметрами и перекрестными связями./ Автоматика и телемеханика. 1988. - №8. -с. 75-82.

36. Льюнг Л. Идентификация систем. Теория для пользователя: Пер. с англ. /Под ред. Я.З.Цыпкина. М.: Наука. Гл. ред. Физ-мат лит., 1991. - 432 с.

37. Макаров И.М., Менский Б.М. Линейные автоматические системы (элементы теории, методы расчета и справочный материал). 2-е изд., перераб. И доп. -Энергия, 1972.-480 с.

38. Мелихов А.Н. Ориентированные графы и конечные автоматы. М.: Наука, 1971.-416с.40.0ре О. Теория графов. М.: Наука, 1968. - 242 с.

39. Першин И.М. Об одной структуре регулятора для ситем управления с распределенными параметрами./ Аналитические методы синтеза регуляторов: Межвуз. науч. сб./Сарат. политехи, ин-т. Саратов. 1982. - с. 15-30.

40. Першин И.М. О критерии Найквиста в системах с распределенными параметрами./ Аналитические методы синтеза регуляторов: Межву. науч. сб./ Сарат. политехи, ин-т. Саратов. 1981.-е. 57-67.

41. Першин И.М. Частотный метод синтеза распределенных систем, характеризуемых уравнениями параболического типа // Изв. Вузов. Приборостроение. 1991. - № 8. - с. 55-60.

42. Петров Б.Н., Александров А.Д., Андреев В.П. и др. Многорежимные и нестационарные системы автоматического управления. М.: Машиностроение, 1978. - 214 с.

43. Плотников В.И. О сходимости конечномерных приближений (в задаче об оптимальном нагреве неоднородного тела произвольной формы)./ Вычислительная математика и математическая физика. 1968.- №1. - т.8. -с. 136-157.

44. Подчукаев В. А. Быстрые алгоритмы анализа и синтеза систем автоматического регулирования на основе полиномиальных функций их параметров. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1986. - 240 с.

45. Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Том VII. JL: Гидрометеоиздат, 1985. 300 с.

46. Природа моделей и модели природы. Под ред. Гвишаани Д.М., новика И.Б., Пегас С.А. М.: Мысль, 1986. - 270 с.

47. Рапопорт Э.Я. Чебышевские приближения в задачах параметрической оптимизации управляемых процессов./ Автоматика и телемеханика. 1992. -№ 2, № 3, № 4. - с. 60-70, 59-64, 49-56.

48. Райцин Т.М. Синтез САУ методом направленных графов. Л.: Энергия, 1970.-94 с.

49. Семенов Н.А. Программы регрессионного анализа и прогнозирования временных рядов. Пакеты ПАРИС и МАВР. М.: Финансы и статистика, 1990. - 111с.: ил. - (Мат.обеспечение прикладной статистики).

50. Сиразетдинов Т.К. К аналитическому конструированию регуляторов в процессах с распределенными параметрами./ Автоматика и телемеханика. — 1965. № 9. - с.1481-1489.

51. Сиразетдинов Т.К. Коптимизация систем с распределенными параметрами. -М.: Наука, 1977.-479 с.

52. Сиразетдинов Т.К. Синтез систем с распределенными параметрами при неполном измерении./ Изв. Вузов. Авиационная техника. 1971. - № 3. - с. 37-43.

53. Современные методы идентификации систем: Пер. с англ./Под ред. П. Эйкхоффа. М.: Мир,1983. - 400 е., ил.

54. Соловьев Н.А. Тесты. Теория, построение, применение. Новосибирск: Наука, 1978.-c.5-29.

55. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.В. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. М.: Машиностроение, 1985.-536 с.

56. Сучилин A.M. Применение направленных графов к задачам электротехники. -Л.: Энергия, 1971.- 128 с.

57. Угрюмов Б.И., Рунова Е.М., Нежевец Г.П. Аспекты лесопользования в лесах, подверженных влиянию промышленных эмиссий. Братск.: БрИИ, 1996. -100 с.

58. Ультриванов И.П. Выбор весовых коэффициентов в задачах АКОР для гидродинамического процесса./ Тр. КАИ. Казань, 1975. - Вып. 188. - с. 4549.

59. Ультриванов И.П. Распределенное управление жидким проводником в магнитном поле./ изв. Вузов. Авиационная техника. 1973. - № 2, - с. 135140.

60. Федоров В.Д. Принципы организации биологического мониторинга. В кн.: Изучение загрязнения окружающей природной среды и его влияния на биосферу. Л.: Гидрометеоиздат, 1979, с. 8-14.

61. Цукков В.И., Шаповалов А.В. Двухуровневая методика в задачах управления дисперсионными системами./Изв. АН СССР. Техническая кибернетика. 1990. - №2. - с. 156-161.

62. Шаршеналиев Ж.Ш., Батырканов Ж.И. Синтез систем управления с заданными показателями качества./Отв. Ред. Т.Т.Оморов; АН Республики Киргызстан, Ин-т автоматики. Б.: Илим,1991. -121 с.

63. Шенфельд Г.Б. О задаче аналитического конструирования оптимальных регуляторов для уравнений параболического типа./ Математические методы оптимизации систем с распределенными параметрами: Науч. сб. Фрунзе: Илим, 1975.-с. 3-9.

64. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления. Изд-во «Мир», Москва, 1975-685с.