Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Системный анализ, управление и обработка информации

Диссертационная работа:

Марюхненко Виктор Сергеевич. Структурный синтез навигационного обеспечения информационных систем управления подвижными объектами : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.01. - Иркутск, 2005. - 232 с. : ил. РГБ ОД,

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 5

ГЛАВА 1. ПРОЦЕДУРЫ И УСТРОЙСТВА КОММУТАЦИИ В
МНОГОПРОЦЕССОРНЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМАХ 12

1.1. Организация многопроцессорных систем логического управления 12

  1. Структурная модель 12

  2. Функциональная организация 20

1.2. Задача коммутации в многопроцессорных управляющих системах 22

  1. Содержательная характеристика задачи коммутации 22

  2. Влияние алгоритма управления на коммутацию 23

  3. Варианты взаимодействия модулей управления и коллектива объектов управления 25

1.3- Коммутаторы для многопроцессорных управляющих систем 28

  1. Статические коммутаторы 32

  2. Динамические коммутаторы 45

  1. Динамические коммутаторы с коммутацией пакетов 47

  2. Коммутация в отказоустойчивых многопроцессорных управляющих системах.. 51

1.6. Выводы по главе 59

ГЛАВА 2. ПРОЦЕДУРА КОММУТАЦИИ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ
ВЫХОДНЫМИ ОЧЕРЕДЯМИ ДЛЯ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ
МНОГОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ ЛОГИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ 61

  1. Содержательная постановка задачи 61

  2. Формализованная постановка задачи 64

  3. Процедура коммутации с распределенными выходными очередями 68

2.3.1. Общие особенности процедуры 68

  1. Концептуально - логические основы процедуры 69

  2. Функционирование предложенной процедуры, алгоритм коммутации 70

2.4. Анализ свойств процедуры коммутации 78

2.4Л. Исследование графа коммутации 78

  1. Исследование процедуры на наличие тупиковых ситуаций 81

  2. Оценка аппаратной сложности процедуры коммутации 81

2.5. Выводы по главе 83

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕДУРЫ

С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ВЫХОДНЫМИ ОЧЕРЕДЯМИ 84

  1. Постановка эксперимента 84

  2. Описание аппарата расширенных Q-схем 86

  3. Архитектура библиотеки классов моделирования 92

3.4.,Q-схемы исследуемых коммутаторов 102

  1. Анализ результатов моделирования 112

  2. Выводы по главе 129

ГЛАВА 4. АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ КОММУТАТОРА 130

  1. Функциональная схема базового модуля коммутации 130

  2. Построение масштабируемого коммутатора 141

  3. Коммутатор отказоустойчивой многопроцессорной системы логического управления 148

4.4. Выводы по главе 156

Заключение 157

Список литературы 159

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Листинг библиотеки классов имитационного моде
лирования 171

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Листинг проекта моделирования Q-схемы базовой
последовательной процедуры коммутации 202

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Листинг проекта моделирования Q-схемы последова
тельной процедуры коммутации без пустых очередей 203

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Листинг проекта моделирования Q-схемы последова
тельной процедуры коммутации с анализом длин очередей 205

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Листинг проекта моделирования Q-схемы процеду
ры коммутации виртуальных выходных очередей с алгоритмом DSA 206

ПРИЛОЖЕНИЕ 6 Листинг проекта моделирования Q-схемы процедуры

коммутации виртуальных выходных очередей с алгоритмом LQF 209

ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Листинг проекта моделирования Q-схемы процеду
ры коммутации виртуальных выходных очередей с алгоритмом OPF 212

ПРИЛОЖЕНИЕ 8. Листинг проекта моделирования Q-схемы процеду
ры коммутации с распределенными выходными очередями 215

ПРИЛОЖЕНИЕ 9. Акты о внедрении результатов работы 218

Введение к работе:

Актуальность темы. Параллельные многопроцессорные системы логического управления (МСЛУ) - одно из перспективных направлений развития систем управления сложными процессами и коллективами процессов. Разработкой подобных систем занимаются ведущие мировые производители вычислительной техники: Siemens AG, ADVANTECH, Allen-Bradley, Weidmuller, Schneider electric. Данные системы позволяют решать круг задач управления, где необходима высокая динамика регулирования, точность вычислений и обширная функциональность, таких как: регулирование крутящего момента, частоты вращения и позиционирования в приводах постоянного и переменного тока; высокодинамичные гидравлические приводы; регулирование синхронности вращения; работа компенсирующих валиков; регулирование натяжения в работе наматывающих устройств; приводы с несколькими двигателями; испытательные стенды для редукторов и двигателей; комплексный расчет заданных значений и регулирование поперечной резки; «прочные» электрические валы; особые условия применения выпрямителей тока, например, при регулировании тока возбуждения, в работе высоковольтных агрегатов постоянного тока, в статических установках компенсации реактивного тока. Использование подобных систем позволяет достичь высокой оперативности управления, однако их возможности ограничены коммутационной составляющей.

Существующие лучшие системы, такие как Simatic S-300 (S-400), с модулями SYMADYN D обеспечивают коммутацию лишь 24x24 интерфейсных 32-сигнальных модулей, что не позволяет должным образом реализовать управление сложными объектами, такими как железопрокатные станы, технологические установки, где используется многоуровневая обратная связь. Кроме того, использование внутренней шины в качестве межмодульного коммутатора в приведенных системах не обеспечивает достаточного уровня надежности. Это не позволяет применять подобные системы в управлении производством, простой которого вызывает большие экономические потери,

например, в процессе обработки ценных материалов (фармацевтическая промышленность); в системах с высокими затратами на перезапуск производства в случае отказа контроллера; в системах без постоянного контроля со стороны обслуживающего персонала; в системах с небольшим количеством обслуживающего персонала.

Существующие динамические коммутаторы, применяемые в различных сферах вычислительной техники, имеют предел в размерах коммутатора -32x32, сложные весовые алгоритмы и централизованную схему управления, что делает невозможным их применение в подобных системах.

В связи с этим актуальной проблемой теории и практики параллельных систем логического управления является создание коммутаторов с минимальной задержкой обмена сообщениями между объектом управления и модулями управления, высоким уровнем отказоустойчивости и теоретически неограниченной масштабируемостью. При этом сложность аппаратно-программной составляющей должна сохранятся на приемлемом уровне.

Предметом исследования являются процессы высокоскоростной коммутации коллективов модулей и объектов управления параллельной многопроцессорной системы логического управления при увеличении ее масштабируемости и отказоустойчивости.

Работа выполнена в соответствии с программой П.Т.614 "Многопроцессорные ЭВМ с параллельной структурой и системы виртуальной реальности", приказ Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации №572 от 2.03.98 г.

Основная часть диссертационной работы выполнена в рамках плана научно-исследовательских работ Курского государственного технического университета по единому заказ-наряду Министерства образования Российской Федерации в 1998-2003 годах, утвержденному начальником управления планирования и финансирования научных исследований.

Целью работы является обеспечение высокоскоростного взаимодействия модулей и объектов управления параллельной многопроцессорной системы

7 логического управления, при повышении ее масштабируемости и

отказоустойчивости на основе разработки коммутатора с распределенными

выходными очередями.

Основными задачами являются:

  1. Анализ возможностей повышения быстродействия, масштабируемости и отказоустойчивости существующих процедур коммутации и коммутаторов на их основе.

  2. Разработка процедуры коммутации, обеспечивающей высокоскоростное взаимодействие модулей и объектов управления при повышении масштабируемости и отказоустойчивости параллельных МСЛУ.

  1. Создание коммутатора, реализующего разработанную процедуру коммутации.

  2. Аналитическое и экспериментальное исследование характеристик разработанных процедуры и коммутатора.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключена в следующем:

1. Проведен анализ быстродействия, масштабируемости и
отказоустойчивости существующих процедур коммутации и требований МСЛУ
к сети связи с объектами управления.

  1. Созданы алгоритм и процедура коммутации с распределенными выходными очередями, обеспечивающие максимизацию числа пар коммутируемых абонентов (мощности множества ребер графа коммутации) и отсутствие тупиковых ситуаций при обработке сообщений с разными характеристиками потоков,

  2. Получены зависимости средней и максимальной задержки сообщений, а также количества потерянных сообщений от интенсивности потоков поступающих сообщений для равновероятного и неравновероятного распределений получателей сообщений, подтвердившие увеличение скорости взаимодействия.

4. Разработан способ увеличения размера коммутации на основе

процедуры коммутации с распределенными выходными очередями, что позволяет создать коммутатор с теоретически неограниченной масштабируемостью.

5. Подтверждена возможность применения разработанной процедуры
коммутации в коммутаторе отказоустойчивой системы логического
управления, использующей метод скользящего резервирования со сдвигом.

Методы исследования основаны на использовании математического аппарата и методов теории графов, теории надежности технических систем, теории проектирования автоматов и дискретных схем, теории топологического проектирования однородных структур, теории систем массового обслуживания.

Практическая ценность диссертационной работы заключена в следующем:

1. Разработаны алгоритм и процедура коммутации, позволяющие
увеличивать масштабируемость и отказоустойчивость параллельной МСЛУ без
ограничений, присущих известным методам.

  1. Коммутаторы, реализованные на основе созданной процедуры, позволяют уменьшить среднее время задержки на 2-5% по сравнении с известными.

  2. На основе разработанной процедуры предложены структурные и функциональные схемы: базового модуля коммутатора, обеспечивающего коммутацию в соответствии с графом максимальной коммутации, масштабируемого коммутатора, пригодного для построения коммутаторов с размером коммутации более 1024x1024 в одном каскаде, коммутатора отказоустойчивой МСЛУ, обеспечивающего динамическую перекоммутацию коллектива объектов управления и коллектива модулей управления, начавших исполнение новых алгоритмов после отказов модулей.

4. Усовершенствован аппарат Q-схем в части имитационного
моделирования коммутаторов и коммутационных процедур, реализованный в
библиотеке классов для исследования характеристик коммутационных
процедур и коммутаторов.

9 Основные технические решения защищены патентами (№2175144,

№2175146).

Реализация и внедрение. Результаты диссертационной работы были использованы в учебном процессе Курского государственного технического университета и внедрены на предприятиях, в частности, в ООО «Компания ДЕМОС», г. Москва и ЗАО «Агентство сетевых технологий», г. Москва, что подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на 4-й МНТК «Новые информационные технологии и системы» (г. Пенза, 2000), на межвузовской электронной НТК «Управляющие и вычислительные системы. Новые технологии» (г. Вологда, 2001), на Всероссийской ЭНТК «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Н. Новгород, 2000), на 2-й Всероссийской НТК «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Н. Новгород, 2000), на 5-й МЭНК «Современные проблемы информатизации в непромышленной сфере и экономике» (г. Воронеж, 2000), на IV Международной научно-технической конференции «Медико-экологические информационные технологии - 2001» (г. Курск 2001) и на научно-технических семинарах кафедры «Вычислительная техника» Курского государственного технического университета с 1999 по 2003 гг.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в трех статьях, 8 тезисах и материалах докладов и защищены 3 патентами на изобретения. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателем предложены: в [48,55,56] - основные критерии анализа существующих моделей коммутации, в [50,57] - алгоритм и процедура коммутации с распределенными выходными очередями, в [52] - способ увеличения размера коммутации, в [53] - техническое решение, реализующее разработанную процедуру в отказоустойчивой МСЛУ, в [37,47,49,51,54,60,61] -отдельные решения построения масштабируемых, отказоустойчивых коммутаторов МСЛУ.

На защиту выносятся:

1. Алгоритм и процедура коммутации с распределенными выходными

очередями.

  1. Способ увеличения размера коммутации на основе коммутатора, реализующего процедуру коммутации с распределенными выходными очередями.

  2. Структурные и функциональные схемы базового модуля коммутации, масштабируемого коммутатора, коммутатора отказоустойчивой параллельной МСЛУ, основанные на процедуре коммутации с распределенными выходными очередями.

  3. Результаты аналитического и экспериментального исследования характеристик разработанной процедуры и коммутаторов.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 220 страниц, включая 50 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 144 наименований.

Во введении к диссертации обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна, практическая ценность, основные научные положения, выносимые на защиту, и приведено краткое содержание каждой из глав.

В первой главе рассмотрена структурная и функциональная организация параллельных многопроцессорных систем логического управления, исследовано влияние алгоритмов управления и связности коллективов модулей управления и объектов управления на подсистему связи с объектами управления, проведен анализ существующих коммутаторов, рассмотрены перспективные модели динамических высокоскоростных коммутаторов, проанализирована организация отказоустойчивой многопроцессорной системы логического управления с использованием метода скользящего резервирования со сдвигом.

Во второй главе приведена формализованная постановка задачи синтеза процедуры коммутации, представлены общие особенности процедуры

коммутации с распределенными выходными очередями, рассмотрены концептуально - логические основы процедуры и алгоритм коммутации, проведено аналитическое исследование графа коммутации процедуры, анализ процедуры на наличие тупиковых ситуаций, исследование аппаратной сложности процедуры.

В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования свойств разработанной процедуры коммутации. Описана постановка эксперимента, усовершенствован аппарат Q-схем для имитационного моделирования, архитектура библиотеки классов моделирования, Q-схемы исследованных моделей коммутационных процедур. Получены зависимости средней задержки, максимальной задержки сообщений, количества потерянных сообщений от интенсивности потока входящих сообщений.

В четвертой главе описана аппаратная реализация процедуры коммутации с распределенными выходными очередями, в частности, базовый модуль коммутации, масштабируемый коммутатор и коммутатор отказоустойчивой МСЛУ.

В заключении приведены основные результаты, полученные в диссертационной работе.

Области возможного применения. Результаты диссертационной работы могут найти применение при построении параллельных многопроцессорных систем логического управления, к которым предъявляются повышенные требования в части обмена между коллективом объектов управления и модулями управления и сложности управляющих алгоритмов, а также обеспечения надежности и непрерывности функционирования в условиях отказов отдельных элементов. Областью применения параллельных МСЛУ являются системы логического управления станочными и робототехническими комплексами, сборочными автоматами, энергетическими установками, АСУТП низового уровня, системами сбора, контроля и обработки данных в электроэнергетике. Помимо основной области использования возможно применение разработанной процедуры коммутации в центральных коммутаторах узлов связи WAN, мобильных и спутниковых сетей.

Подобные работы
Червенчук Владимир Дмитриевич
Методы и средства синтеза алгоритмического и программного обеспечения систем управления с использованием таблиц решений
Манукян Анаит Бабкеновна
Оптимальное управление объектами одного класса с распределенными параметрами при смешанных краевых условиях
Паршева Елизавета Александровна
Адаптивное и робастное децентрализованное управление многосвязными объектами с односвязными подсистемами
Черняховская Лилия Рашитовна
Поддержка принятия решений при управлении сложными объектами в критических ситуациях на основе инженерии знаний
Осипцева Ольга Святославовна
Цифровое дистанционное управление техническим объектом с учетом фактора канальной среды
Поляков Андрей Евгеньевич
Управление нейтральными и неустойчивыми объектами при помощи релейной обратной связи с запаздыванием
Третьяков, Петр Андреевич
Управление безопасностью потенциально опасных объектов
Бобцов Алексей Алексеевич
Адаптивное и робастное управление параметрически и функционально неопределенными объектами в условиях возмущений и запаздывания
Живицкий Игорь Викторович
Адаптивное слежение за воздушно-космическими объектами в наземных лазерных локаторах с управлением излучаемым полем
Чан Нгок Куи
Релейно-линейное управление самонаведением летательного аппарата на маневрирующий объект при прогнозе его движения

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net