Автоматизация проектирования алгоритмов асинхронного управления техническими системами с множеством дискретных состояний

Диссертация посвящена решению комплексной научно технической проблемы автоматизированного проектирования алгоритмов асинхронного управления сложными техническими системами с множеством дискретных состояний, имеющей важное народно — хозяйственное значение в части снижения себестоимости, сокращения сроков на проектирование, повышения сложности решаемых системой целевых задач.

Ее решение заключается в выражении поведения системы посредством решаемой целевой задачи, а управления системой посредством управления целевой задачей.

Предлагаемые в работе математическая модель функционирования технической системы, целевая задача и функция управления системой, методы и алгоритмы управления являются новыми теоретическими положениями. На их основе разрабатывается система автоматизированного проектирования алгоритмов асинхронного управления (система ГРАФКОНТ).

Актуальность темы

Совершенствование средств микропроцессорной техники, элементной и конструктивной базы привело к созданию мощных микропроцессоров и на их основе микроЭВМ с большими вычислительными и логическими возможностями. Созданные на их основе контролирующие, управляющие и обрабатывающие комплексы, непосредственно встраиваемые в приборы, машины, системы, технологические установки и процессы, нашли широкое применение в качестве управляющих органов.

Универсальные программные средства превратили микроЭВМ в системные элементы объектов промышленной автоматики, связи, измерительной техники, управления транспортом. Стало возможным создание специализированных программируемых управляющих комплексов.

Дальнейшее развитие средств математического и программного обеспечения позволило от функций контроля, управления, обработки информации перейти к программированию функций диспетчера, планирующего выполнение системой целевых задач. В отличие от управляющих комплексов, выполняющих функции контроля и управления, здесь принципиально новым является использование его в роли программируемого координирующего органа, определяющего целевое поведение системы.

Под технической системой будем понимать объект, состоящий из п элементов, каждому из которых ставится в соответствие вектор входных и выходных переменных. Каждый элемент может включаться и завершать свою работу по одной из к альтернатив. Процесс включения и отключения элементов происходит в асинхронные (неравномерные) моменты времени. Системы, функционирование которых есть процесс смены ее состояний, назовем системами с множеством дискретных состояний. А алгоритмы планирования и управления такими системами назовем алгоритмами асинхронного управления.

Став элементом системы и взяв на себя функции координации и планирования, программируемый управляющий комплекс стал тем самым объектом самостоятельного исследования. Его основой является операционная среда, в рамках которой выполнение функций управления, контроля за поведением системы, обработки информации становится частью общей задачи целевого планирования. Такие программные комплексы можно проектировать для различных предметных областей, для систем различного целевого назначения.

Например, для космических аппаратов (КА) зондирования Земли такие комплексы [5, 71, 93] образуют сложную иерархическую структуру. На верхнем уровне это алгоритмы планирования (АП), которые по определенному в них правилу и исходным данным с наземного комплекса управления осуществляют планирование последовательности включения функциональных режимов, образующих следующий по порядку иерархический уровень. Эти алгоритмы обеспечивают комплексное функционирование подсистем и элементов КА при выполнении определенной целевой задачи либо их совокупности. При этом каждой целевой задаче соответствует свой алгоритм.

Следующий иерархический уровень образуют программы бортового программного обеспечения, обеспечивающие работу соответствующих подсистем бортового комплекса управления. Их включение производится как по определенной жесткой временной диаграмме, так и условиям, истинность которых определяется на множестве данных по результатам собственного анализа.

Функциональные программы, образующие следующий уровень иерархии, выполняют расчет данных для работы подсистем КА, управления БА, формирования контрольной информации о работе подсистем БА.

Трудоемкость создания таких комплексов отражается в технологии их проектирования. В работе [71, 79] приводятся экспериментальные данные трудоемкости создания бортового программного обеспечения по этапам его жизненного цикла в %, сведенные в таблицу!

Таблица 1.

Проектирование алгоритмов 21.

Программирование 10.

Автономная отладка программ 24.

Комплексная отладка 33.

Сопровождение в эксплуатации в течение пяти лет 12.

Как видно из этой таблицы первые три этапа требуют более 50% трудоемкости.

Именно такие программируемые управляющие комплексы являются объектом исследования в данной работе. Их проектирование сводится к разработке алгоритмов управления элементами системы, согласованное выполнение которых приводит к решению заданной целевой задачи (ЦЗ).

Вопросы их проектирования являются сложной комплексной проблемой, опирающейся на научные теории и законы: теорию дискретных систем управления, теорию алгоритмов и конечных автоматов, законы логического управления, законы функционирования систем реального времени, теорию взаимодействующих процессов.

Высокая стоимость разработки таких алгоритмов определяется стоимостью создания качественного и надежного программного продукта и стимулирует развитие как теоретических основ проектирования, так и создание теоретически обоснованных и практически применяемых методов и средств, поддерживаемых автоматизированными инструментальными системами.

Программа для ЭВМ как объект исследования сама по себе является теоретически сложной и практически трудоемкой задачей. Алгоритмы управления, являясь программой для ЭВМ, дополнительно включают в себя свойства работы в реальном времени, в логическом пространстве большой размерности, в сложном информационном пространстве.

В отечественных и зарубежных изданиях имеется литература отдельно по проектированию логического управления [18, 20, 30, 104, 105], по синтезу управляющих автоматов [25, 26, 77, 104], по разработке трансляторов с алгоритмических языков [12, 15, 17, 70, 82, 90, 101], по системам реального времени [71, 94, 95, 106], по теории алгоритмов [73, 80, 110, 111], по взаимодействующим процессам [13, 96, 99].

Современная технология программирования строится на том, что программа решения некоторой задачи описывается не на машинном языке, а на языке, достаточно близком к естественной формулировке задачи. Такой способ общения с вычислительной машиной с необходимостью включает этап трансляции [12, 17, 70, 82], задачей которого является автоматическое превращение текста программы на некотором языке программирования в семантически эквивалентный ему текст на машинном языке. Являясь неотъемлемой частью общесистемного программного обеспечения, трансляторы являются также и частью проблемно и объектно — ориентированных систем.

В работах [18, 20, 30, 105] рассматриваются только вопросы создания систем логического управления (СЛУ). В качестве математических моделей СЛУ используются теоретико-множественные, логические, графовые, лингвистические, автоматные модели. Алгоритм проектирования СЛУ состоит из двух частей: порождение вариантов и их оценка. Порождение вариантов осуществляется синтаксическими средствами, а их оценка основывается на эвристике, асимптотике или характеризации модельных преобразований. Из всех этапов наиболее трудоемким и наименее разработанным является алгоритмический этап. Это связано с тем, что на нем осуществляется переход от неформального описания исследуемого процесса к формализованному. С этой целью создаются входные языки, позволяющие в какомто приближении описать исследуемый процесс. В язык вводятся средства для описания последовательных, параллельных, циклических и условных процессов.

После его трансляции и семантической интерпретации на этапе анализа можно утверждать об адекватности построенной модели решаемой задаче. В противном случае модель изменяется и процесс описания повторяется. В предлагаемых математических моделях по умолчанию задается порядок временного взаимодействия всех объектов, т. е.

введение

м последовательного, параллельного и циклического процессов вводится временная ось. При большом числе объектов описание такого взаимодействия довольно трудоемко.

Проблема увязки всех этапов, систематизации сведений об объекте проектирования и комплексной схеме проектирования мало освещена в литературе. Практически отсутствуют схемы проектирования систем реального времени для динамических объектов в логическом пространстве, отсутствует согласование работы динамических объектов в информационном пространстве. Открытость перечисленных вопросов объясняется еще и отсутствием единой теоретической базы на объект исследования — управляющий алгоритм.

Сложность перечисленных задач усугубляется существующей методикой проектирования, характеризуемой слабой формализацией задачи проектирования на различных ее этапах. Материалы по логике управления носят описательный декларативный характер.

Учитывая многоцелевой характер работы системы становится очевидным актуальность проблемы синтеза алгоритмов управления и, как следствие, автоматизация этого процесса.

С учетом требований высокой надежности, с ростом числа целевых задач и их усложнением, ограниченностью ресурсов ЭВМ, дороговизны аппаратуры и отсутствия оперативного вмешательства лица, принимающего решение в нештатных ситуациях, проблема автоматизированного синтеза алгоритмов управления является особенно актуальной.

Несмотря на впечатляющий прогресс вычислительной техники и «хороший сервис «, предоставляемый новыми языками программирования, операционными системами, программисту все еще приходится тратить много времени и усилий на рутинную работу по всему пути прохождения задачи от ее математической постановки до получения окончательного результата. Синтез алгоритма управления сложной системой для решения целевой задачи относится к классу задач, объем и сложность которых приближается к «порогу осуществимости» [8, 11, 16, 23, 27, 83, 85, 86], т. е. к проекту, разрабатываемому совместным крупным коллективом как специалистов в заданной предметной области, так и разработчиков программного обеспечения. Единственный путь преодоления возникающих проблем — всесторонняя автоматизация проектирования.

Автоматизация проектирования — область прикладных исследований, обусловленная необходимостью внедрения современных математических методов и средств вычислительной техники в проектирование систем и объектов. Она объединяет два основных направления работ: построение общей теории проектирования сложных систем и разработку систем автоматизированного проектирования на базе современной вычислительной техники [14].

Первое направление включает: формирование математического аппарата, пригодного для описания объекта проектирования и среды его функционированиясоздание на основе этого аппарата математической модели объекта проектирования и среды, в которой он будет функционироватьразработку методов принятия проектно-конструкторских решений, цель которых — создание объекта с заданными свойствами. Второе направление включает работы по созданию объектно — ориентированных программных систем, реализующих определенную технологию проектирования, удовлетворяющую требованиям общей теории проектирования.

Создание систем автоматизированного проектирования ведет к созданию новых информационных технологий, суть которых состоит в возможности рассматривать совокупность этапов проектирования как единую задачу во всей сложности ее внутренних взаимосвязей. Реализация такой технологии предполагает наличие мощной вычислительной базы и математического и программного обеспечения высокого уровня.

Новые информационные технологии предъявляют высокие требования к уровню инженерной подготовки — позволяют концентрировать усилия инженера на решении творческих проблем в вопросах интерпретации результатов расчетов средствами мощного программного интерфейса.

Перечисленные требования к объекту исследований и стремление предоставить в распоряжение пользователя инструментальные средства, не требующие профессиональных знаний по программированию, определяют проблему автоматизированного проектирования алгоритмов асинхронного управления.

Ее решение позволит создать методологию автоматизированного проектирования алгоритмов асинхронного управления и на ее основе создавать новые информационные технологии для задач асинхронного управления в системах различного целевого назначения. Такие технологии отличаются от существующих:

— наличием математической модели процесса функционирования системы в виде асинхронного протокола ее поведения- -наличием строгой формализации целевой задачи через функциональное исчисление;

— наличием фиксированных правил интерпретации элементов системы во времени, в логическом и информационном пространствах- -наличием строгого соответствия между целевой задачей и функцией ее управления;

— наличием доступных для конструктора языковых текстовых (формульных) и графических средств описания предметной области- -наличием единого информационного пространства как для элементов системы, так и для их функций управления. В рамках разработанной технологии: -создается функциональный базис, являющийся элементной основой проектируемой системы;

— описывается множество целевых задач, решаемых системой в заданном функциональном базисе и допустимых в пределах заданных правил интерпретации;

— проектируются алгоритмы асинхронного управления элементами системы, согласованное выполнение которых приводит к решению целевой задачи;

— формируются исходные данные для задачи планирования (построения допустимого расписания).

Целью исследований является разработка методологии автоматизированного проектирования алгоритмов асинхронного управления (ААУ) для систем с множеством дискретных состояний и на ее основе создание новой информационной технологии проектирования ААУ, а также разработка методов, алгоритмов и инструментальных программных средств автоматизированного конструирования алгоритмов управления.

Задачи исследования обусловлены поставленной целью и включают в себя:

— разработку математической модели функционирования системы- -разработку функционального исчисления как теоретической основы формализованного описания целевых задач;

— разработку математического аппарата параметрического исследования целевой задачи с целью ее декомпозиции по элементам системы;

— разработку методов и средств построения функции управления целевой задачей и как следствие, алгоритмов асинхронного управления;

— разработку математического аппарата проектирования ААУ по заданной функции управления;

— разработку языковых и программных средств конструирования управляющих алгоритмов;

— разработку информационной технологии синтеза алгоритмов асинхронного управления.

Методы исследований, примененные в диссертации, включают в себя методы теории управляющих систем, алгебраических систем, общей и булевой алгебры, теории дискретных систем управления, систем реального времени, теории графов, теории алгоритмов и алгоритмических языков.

Новизна исследований заключается:

— в создании математической модели функционирования системы;

— в разработке функционального исчисления как теоретической основы формализованного описания целевых задачв создании математического аппарата параметрического исследования целевой задачи;

— в разработке методов формирования функции и алгоритмов управления для решения целевой задачи;

— в создании новой информационной технологии проектирования алгоритмов управления.

Научная значимость работы заключается в том, чтосоздана математическая модель функционирования системы, однозначно определяющая поведение системы на области интерпретации путем задания протокола смены состояний системы- -созданная модель является инвариантной для технических систем различной ориентации, отражает их целевое поведение и является основой построения функции управления;

— созданное функциональное исчисление на множестве всех законов функционирования выделяет соответствующее базису допустимое подмножество целевых задач;

— разработанный математический аппарат параметрических преобразований является основой методов и средств автоматизированного синтеза ААУ;

— совокупность разработанных моделей и методов является основой методики автоматизированного синтеза алгоритмов асинхронного управления;

— созданная информационная технология автоматизированного проектирования программ управления является открытой системой и допускает расширение множества решаемых (управляемых) целевых задач за счет новых элементов функционального базиса.

Практическая значимость полученных результатов заключается.

— в создании инструментальной системы автоматизированного проектирования бортовых алгоритмов управления для беспилотных летательных аппаратов;

— в создании математического обеспечения, описывающего объект проектирования и среду его функционирования;

— в создании лингвистического обеспечения для описания пользователем — конструктором целевой задачи, характеризующегося высоким уровнем объектной ориентации и развитым пользовательским интерфейсом- -в создании программного обеспечения формирования полной конструкторской документации на спроектированные бортовые алгоритмы асинхронного управления. Работа выполнялась по программам: -республиканская научнотехническая программа «Информатизация образования и науки РСФСР», 1991 г.;

— российская научно-техническая программа «Информатизация образования» (целевая подпрограмма «Автоматизированные системы научных исследований»), 1992 г.;

— российская научно-техническая программа «Информатизация образования России» (подпрограмма «Информатизация научных исследований»), 1993 г.

— межвузовская научнотехническая программа «Перспективные информационные технологии в высшей школе», 1994 г.

— межвузовская научнотехническая программа «Перспективные информационные технологии в высшей школе», 1995 г.

Апробация работы проводилась: -на всесоюзной н/т конференции «Интеллектуальные системы в машиностроении», г. Самара, 10−14 июня 1991 г.

— на всероссийской н/т конференции с международным участием «Информационно — управляющие и вычислительные комплексы на основе новых технологий», г. Санкт-Петербург, 04−09 сентября 1992 г. -на Втором российско-китайском симпозиуме по космической науке и технике, г. Самара, 01−04 июля 1992 г.

— на российской н/т конференции «Перспективные информационные технологии в высшей школе», г. Самара, 1993 г.

— на Второй международной н/т конференции «Актуальные проблемы фундаментальных наук», г. Москва, 24−28 января 1994 г. -на всероссийской научной школе по компьютерной алгебре, логике, интеллектному управлению и проблемам анализа стратегической стабильности, г. Иркутск, 1994 г.

— на всероссийском семинаре с международным участием по управлению движением и навигации летательных аппаратов, г. Самара, 1993, 1995, 1997 г.г.

— на V межвузовской научной конференции по математическому моделированию и краевым задачам, г. Самара, 1995 г.

— на I поволжской н/т конференции по научноисследовательским разработкам и высоким технологиям двойного применения, г. Самара,.

1995 г.

— на международных н/т конференциях по актуальным проблемам анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем, г. Пенза, 1995, 1996, 1998 г.г.

— на IV украинороссийскокитайском симпозиуме по компьютерным методам и технологиям, г. Киев, 12−17 сентября 1996 г.

Реализация результатов связана с использованием: -технологии автоматизированного синтеза бортовых алгоритмов управления для перспективных космических аппаратов в работах, проводимых в ЦСКБ;

— методов и алгоритмов параметрического исследования функции управления для задач планирования в режиме реального времени- -методики автоматизированного синтеза ААУ в задаче выбора способа асинхронного управления: термального или последовательного- -функционального исчисления как средства описания полного допустимого множества целевых задач;

— информационного и программного обеспечения технологии автоматизированного синтеза для расчета равномерной по времени загрузки процессора бортовой вычислительной системы- -методики автоматизированного синтеза ААУ в учебном процессе СГАУ в курсах «Математическое обеспечение систем автоматизированного проектирования», «Математические модели объектов авиационно-космической техники», в курсовом и дипломном проектировании студентов СГАУ факультета информатики.

Публикации. По материалам выполненных работ и проведенных исследований опубликовано 40 научных работ.

Работы [32, 33, 41, 46, 52, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 67, 68, 126, 128, 129] выполнены автором единолично (главы 1,2). В работах [45, 49, 64, 68, 128, 129] проводится исследование функции управления термом целевой задачи (главаЗ). В работе [55] ему принадлежат материалы по созданию математической модели алгоритма управления (глава 4). В работах [56, 58, 59, 60, 61, 64, 68] ему принадлежат материалы по принципам построения, функциям и составу программ технологии автоматизированного синтеза ААУ (глава 5).

В работах [37, 38, 39, 40, 42] автор выступает в роли научного руководителя. В них соавторам принадлежит решение частных исследовательских задач, разработка программ, проведение машинных экспериментов и обработка результатов.

В работах [44, 47] автор формирует тематические сборники научных трудов по работам Поволжского региона с участием ученых Московских вузов. В работе [51] автором формируется информационная модель ААУ и алгоритмы ее исследования. В работе [53] автором ставится задача планирования для однородной многомашинной вычислительной системы.

Содержание диссертации. Основной текст состоит из шести разделов.

Выводы к главе 6.

1 .В данном разделе разработана информационная технология проектирования алгоритмов асинхронного управления на основе созданного математического аппарата описания и исследования целевой задачи.

2.Элементной базой автоматизированной технологии являются классы объектов. Они состоят из исходных объектов, вводимых пользователем в качестве начальных данныхобъектов внутрисистемного представления, формируемых функциональным процессоромвыходных объектов, образующих комплект проектной документации на объект проектирования — асинхронный алгоритм управления целевой задачей.

3.Разработан носитель информационной технологии технологические операции, осуществляющие переход от объектов одного класса к объектам другого класса и отражающие этапы процесса проектирования.

4.Информационная технология проектирования определена в работе как программная система, содержащая средства предметноориентированного описания исходных и результирующих данных вместе с заданным на ней порядком выполнения технологических операций.

5.Разработанная и реализованная объектно-ориентированная программная система «ГРАФКОНТ» позволяет создавать алгоритмы асинхронного управления для режимов космического аппарата зондирования Земли. Структурно программная система состоит из входного процессора, функционального и выходного процессоров.

6.Разработан и реализован входной проблемно — ориентированный язык и транслятор с него, преобразующий тексты с описанием целевых задач во внутренние системные таблицы, образом которых являются классы проекта.

7.Разработан и реализован функциональный процессор, формирующий асинхронную последовательность моментов смены состояний, множество состояний для каждого момента времени и соответствующий алгоритм управления.

8.Разработан и реализован выходной процессор, формирующий проектную документацию в виде блок — схем и временных диаграмм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результатом диссертационной работы является решение комплексной научно — технической проблемы автоматизированного проектирования алгоритмов асинхронного управления для сложных технических систем с множеством дискретных состояний, имеющее важное народно — хозяйственное значение в части снижения себестоимости, сокращения сроков на проектирование, повышения сложности выполняемых системой целевых задач. Суть работы заключается в создании методологии автоматизированного проектирования, базирующейся на разработанном математическом аппарате, описывающем целевое поведение системы, и разработке на ее основе информационной технологии проектирования и документирования алгоритмов асинхронного управления.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем.

1.Создана методология автоматизированного проектирования алгоритмов асинхронного управления, в основу которой положены разработанные автором математические модели и методы исследования технических систем с множеством дискретных состояний.

2.В качестве математической модели, описывающей поведение технической системы, в работе предлагается стандартная схема. Предлагаемая модель применима для описания поведения систем различного целевого назначения. Протокол поведения системы в стандартной схеме однозначно описывает ее функционирование.

3 .Введено понятие целевой задачи, выполнение которой определяет поведение системы.

4.Построено функциональное исчисление, являющееся теоретической основой допустимого множества целевых задач. Объектом исчисления является терм или целевая задача. Аксиоматика исчисления позволяет проводить эквивалентные преобразования над термами с целью минимизации его длины, позволяет контролировать правильность синтаксической конструкции терма.

5.Проведено параметрическое исследование термального описания целевой задачи. Оно показало, что проблема синтеза алгоритмов асинхронного управления алгоритмически неразрешима и для однозначного ее решения требуется обращение к области интерпретации. Проведенное исследование доказывает сводимость термального описания целевой задачи к стандартной схеме.

6.Построенное множество управлений с операцией сложения позволяет ответить на вопрос о допустимости единого управления для совокупности целевых задач.

7.Разработаны два способа решения задачи асинхронного управления: последовательный (событийный) и термальный.

Предлагаемый термальный способ управления рассматривается впервые. Его применение не требует параметрического исследования терма. Схема управления заложена в структуру терма и удобна с точки зрения распараллеливания алгоритма управления.

8.Разработана информационная технология проектирования алгоритмов асинхронного управления путем создания классов объектов, образующих функционально полное описание предметной области и технологических операций, преобразующих объекты одного класса в другой. Технология представлена совокупностью введенных технологических операций, частично упорядоченной по выполнению. Она позволяет проектировать алгоритмы асинхронного управления для технических систем, заданных своим функциональным базисом.