Автореферат (Специализированные микропроцессоры со встроенными устройствами аппаратной реализации интеллектуального управления на основе сетей элементарных нечетких вычислителей)

На правах рукописиВасильев Алексей ЕвгеньевичСПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ МИКРОПРОЦЕССОРЫСО ВСТРОЕННЫМИ УСТРОЙСТВАМИ АППАРАТНОЙ РЕАЛИЗАЦИИИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯНА ОСНОВЕ СЕТЕЙ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ НЕЧЕТКИХ ВЫЧИСЛИТЕЛЕЙСпециальность 05.13.05 – элементы и устройствавычислительной техники и систем управленияАвторефератдиссертации на соискание ученой степенидоктора технических наукСанкт-Петербург – 2018Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательномучреждениивысшегообразования«Санкт-Петербургскийполитехническийуниверситет Петра Великого»Научный консультант:доктор технических наук, профессорМелехин Виктор ФедоровичОфициальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники РоссийскойФедерации, доктор технических наук, профессор КобзевВалентин Васильевич, главный научный сотрудник АО«Концерн «НПО «Аврора»Доктор технических наук, профессор Мурсаев АлександрХафизович, профессор кафедры вычислительной техникиФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственныйэлектротехнический университет «ЛЭТИ» им.

В.И. Ульянова(Ленина)»Доктор технических наук, доцент Хижняков ЮрийНиколаевич, профессор кафедры автоматики и телемеханикиФГБОУ ВО «Пермский национальный исследовательскийполитехнический университет»Ведущая организация:ФГБУН«Институтавтоматикииэлектрометрии»Сибирского отделения Российской академии наукЗащита состоится 27 декабря 2018 года в 16:00 часов на заседании диссертационногосовета Д212.229.18, созданного при Федеральном государственном автономномобразовательномучреждениивысшегообразования«Санкт-Петербургскийполитехнический университет Петра Великого» по адресу 195251, Санкт-Петербург,Политехническая ул., д.

21, 9-й учебный корпус, ауд. 325.С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СанктПетербургского политехнического университета Петра Великого: 195251, СанктПетербург, Политехническая ул., д. 29, Главный учебный корпус, ауд. 251.Автореферат разослан __________ 2018 года.Ученый секретарьдоктор технических наук, профессорШашихин В.Н.2Общая характеристика работыАктуальностьтемыисследования.Развитиекритическиважныхобластейчеловеческой деятельности – робототехники, медицины, биоинженерии, энергетики,промышленного производства – требует совершенствования методов и средствуправлениятехническимиобъектами,улучшенияпоказателейкачествафункционирования устройств управления, снижения сроков, трудоемкости и стоимостиих разработки. Эти особенности определяются усилением степени влияния двух группосновных тенденций.Первая группа включает тенденции расширения практики использования такназываемых«сложных»объектов,тенденцииужесточениясуществующихиобеспечения новых требований к режимам эксплуатации систем управления.Вторая группа связана с интеграцией элементов систем управления, что позволяетговорить о развитии встраиваемых систем.

К фундаментально значимым свойствамтаких систем относятся: интеграция устройства управления и объекта управления (вконструкторском, схемотехническом и алгоритмическом аспектах), ориентированностьна массовый промышленный выпуск, ориентированность на автономность исполненияцелевых функций. По совокупности характерных свойств к системам такого родапредъявляются ужесточенные надежностные, стоимостные и энергетическиетребования. Следствием необходимости их удовлетворения являются ресурсныеограничения (прежде всего по вычислительной производительности) в сравнении свычислительными средствами общего назначения.Разработка встраиваемых систем управления с указанными ограничениямиметодами классической теории управления существенно затруднена, а порой ипрактически невозможна – в связи с предъявляемыми ограничениями к компонентнойбазе (следующими из свойства встраиваемости) при одновременном наличиипотребностей существенного увеличения функциональных возможностей системыуправления.

При решении подобных задач все возрастающую значимость обретаеттеория интеллектуальных систем управления, ее методы и приложения.Применительно к области технического управления целесообразно использоватьпонятие “встраиваемые интеллектуальные системы управления” (ВИСУ), отражающеесочетание признаков встраиваемых систем управления (характеризующихся высокойнадежностью, низкой стоимостью, простотой эксплуатации) и интеллектуальныхсистем управления (характеризующихся возможностью реализации алгоритмовуправления высокой степени сложности).Анализ научных публикаций позволяет сделать вывод, что одними из наиболееприменяемых в системах управления методов интеллектуальной обработки данных3являются методы теории нечетких множеств, а основой аппаратного обеспечениявстраиваемых интеллектуальных систем управления как правило выступаютфункционально-ориентированные контроллеры (ФОК), в том числе на основемикропроцессоров (МП) и микроконтроллеров (МК).

Такая аппаратура содержитархитектурные, схемотехнические и программные средства, обеспечивающиеэффективную реализацию алгоритмов адаптивного и интеллектуального управления вуказанном выше смысле за счет многоуровневой организации системы управления.ВИСУ широко применяются в практике реализации задач управления объектами ипроцессами различной степени сложности (начиная от объектов специальногоназначения и заканчивая бытовыми устройствами).С точки зрения разработки систем нечеткой обработки информации, наиболеезначимым этапом, от которого в существенной степени зависит результативностьприменения аппарата нечетких вычислений и удовлетворение требований к значениямпоказателей качества управления, является создание базы нечетких знаний (БНЗ).Следует отметить, что эвристический синтез баз нечетких знаний может привести к ихнеполноте или противоречивости; к негативным особенностям автоматизированногосинтеза относятся: чувствительность к вариациям в начальных условиях: в зависимости отнезначительных вариаций в исходных данных и параметрах, возможна генерациясистем нечеткой обработки данных, сопоставимых по критерию близости результатовнечетких вычислений, но существенно различающихся по структуре; повышенная трудоемкость анализа, в том числе определения степени сложности истепени подобия нечетких систем; принципиальная итерационность процесса синтеза: существующие методыпредполагают неоднократный переход к начальным этапам синтеза и участиеразработчика в нем.С точки зрения реализации нечетких вычислений на встраиваемыхмикропроцессорных платформах, критическим аспектом является принцип ихреализации, основанный либо на использовании программных подходов, либо наиспользовании аппаратных средств.Применение в микропроцессорных системах управления эмуляторов нечеткихвычислений зачастую ограничивает темп принятия решений и формированияуправляющих воздействий; для специализированных процессоров и бортовых системуправления дополнительным ограничением выступает недопустимость увеличениятактовой частоты процессора по условиям требований обеспечения повышеннойнадежности и пониженного энергопотребления.

В связи с этим актуальными являютсяразработка и применение микропроцессоров, снабженных узлами аппаратной нечеткой4обработки информации – т.н. нечеткими вычислителями (НВ). НВ предназначаются дляповышения вычислительной производительности таких систем управления благодаряподдержке операций нечеткой обработки информации на уровне аппаратных схем.В соответствии с общепринятой классификацией, множество аппаратных нечеткихвычислителейвключаетсопроцессоры,интеллектуальныеконтроллерыикомбинированные решения на их основе. Применение всех существующих классовнечетких вычислителей сопряжено с рядом особенностей: при использовании внешних нечетких сопроцессоров ограничивающим факторомявляется пропускная способность межпроцессорного интерфейса обмена; при использовании нечеткого сопроцессора, встроенного в кристалл основногомикропроцессора,ограничивающимфакторомявляетсязависимостьвычислительного процесса нечеткой обработки данных от ресурсов основногомикропроцессора, что ограничивает или исключает параллельность нечетких иалгоритмических вычислений.Кроме того, существующие аппаратные реализации НВ не предоставляютмеханизм описания функций принадлежности произвольного вида, что неблагоприятноотражается на качестве функционирования систем нечеткой обработки информации.Сказанное выше позволяет сделать вывод об актуальности научной проблемыудовлетворения системы требований: совершенствования аппарата описаниямикропроцессорных устройств, содержащих узлы нечеткой обработки данных;разработки отечественной элементной базы микропроцессорных средств, эффективновыполняющих нечеткую обработку информации в аспекте повышения еевычислительной производительности; снижения трудоемкости разработки прикладныхвстраиваемых систем на базе предложенных методов и средств.Тематика работы соответствует следующим положениям: разделам Государственного рубрикатора научно-технической информации 28.23.33 –Аппаратная реализация интеллектуальных систем, 28.19.23 – Адаптивные иобучающиеся системы; 47.14.07 – Проектирование и конструированиеполупроводниковых приборов и приборов микроэлектроники, 50.09.47 Устройствауправления и регулирования, 50.09.33 – Микропроцессоры, 50.33.31 – УправляющиеЭВМ и ВК; разделам Перечня приоритетных направлений развития науки, технологий и техники вРоссийскойФедерации:перспективныевидыспециальнойтехники;робототехнические комплексы; разделам Перечня Национальных технологических инициатив Российской Федерации:AeroNet, AutoNet, NeuroNet, MariNet;5 разделам Перечня критических технологий РФ: технологии информационных,управляющих,навигационныхсистем;технологиисозданияэлектроннойкомпонентной базы.Степень проработанности темы.

Проблема реализации методов нечетких вычисленийрассматривается в работах K. Asai, T. Terano, M. Sugeno, B. Kosko, A. Pegat, H. Saito, A.Hedi, B. Othman Slim, T. Morishita, M. Patyra, J. Grantner, K. Koster, C. Yang, S. Gao, M.Oussalah, H. Wang, M. Klug, E. Castelan, H. Zhang, L. Silva, S. Feng, M. Akbarzadeh, A.Boulkroune, B. Mashoufi, A. Dexter, V. Callaghan, H. Hagras, В.И. Варшавского, В.Б.Мараховского, А.С. Ющенко, А.В. Затонского, Д.В. Титова, А.С.

Шведова, Н.Б.Филимонова, В.В. Кобзева, О.В. Толстеля, М.В. Бобыря, Д.В. Чернышева, А.С. Сизова,А.Г. Булгакова, В.Н. Карандина, М.И. Труфанова, О.С. Амосова, Ю.Н. Хижнякова, А.А.Шестакова и др. Схемотехническая поддержка аппарата нечетких вычислений вмассовых продуктах микроэлектронной промышленности предлагается в разработкахмировых лидеров производства изделий микропроцессорной техники NXP/Freescale иSTMicroelectronics. Существующие цифровые вычислители с поддержкой нечеткойобработкиинформацииимеютзначительныеограниченияпоцелевойпроизводительности в связи с отмеченными выше особенностями архитектурнойорганизации.