Автореферат (Специализированные микропроцессоры со встроенными устройствами аппаратной реализации интеллектуального управления на основе сетей элементарных нечетких вычислителей), страница 2

Известны экспериментальные проекты нечетких вычислителей в видеаналоговых решающих устройств, выполняющих арифметические операции надсигналами, определенный параметр которых (например, амплитуда) является носителемнечеткой информации. Подобные системы обладают значительным быстродействием,но их применение в составе управляющей микропроцессорной вычислительнойсистемы затрудняется необходимостью использования интерфейсных средств,согласующих ее цифровую и аналоговую части. Кроме того, в нечетких вычислителяхтакого рода затруднено задание нечетких функций принадлежности произвольноговида, что усложняет описание сложных функциональных зависимостей.Следует отметить, что, как правило, в работах по данной тематике глубокорассматривается либо математический, либо физический аспект проблемы, чтосущественно ограничивает достижимость основного результата – построенияэффективных (с точки зрения простоты реализации, распространенности компонентнойбазы, точности и быстродействия обработки информации) встраиваемыхмикропроцессорных и микроконтроллерных систем с аппаратной поддержкой нечеткихвычислений.

Приведенные в проанализированных работах эффективные с точки зрениябыстродействия системы как правило, либо не позволяют описывать сложныефункциональные зависимости с практически пригодной для реализации навстраиваемых платформах сложностью, либо предназначены для реализации устройств6нечеткого управления уникальными объектами, в связи с чем достигнутые результатыне применимы для решения задач автоматизации широкого класса.Цели и задачи диссертационного исследования. Цель исследования – комплексноеулучшение показателей точности и быстродействия устройств вычислительной техникии систем управления путем создания новых методов и средств анализа и синтезавстраиваемых микропроцессорных систем с нечеткой обработкой информации, а такжесоответствующих архитектурных, алгоритмических и схемотехнических решений.Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:• предложены понятия элементарного нечеткого вычислителя (ЭНВ),элементарных нечетких вычислителей (СЭНВ) и их схемотехнические модели;сети• предложены способ представления базы нечетких знаний и алгоритм ее обработки,обеспечивающие высокую точность нечеткой обработки информации ЭНВ приодновременном обеспечении высокой скорости этой обработки;• выполнена микросхемотехническая реализация ЭНВ и сопроцессора СЭНВ;• созданы микропроцессорные решения, содержащие интегрированные на кристаллсопроцессоры СЭНВ, обеспечивающие эффективное в смысле повышения точности иснижения затрат времени вычисление нечетких зависимостей, и пригодные дляприменения в качестве элементов вычислительных систем и систем управления.Область исследования.

Содержание диссертации соответствует положениям п.п. 1, 2,3 областей исследования паспорта специальности 05.13.05.Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются элементы иустройства вычислительной техники, обеспечивающие аппаратную поддержкуисполнения алгоритмов нечетких вычислений в системах управления. Предметомисследования являются принципы построения аппаратных нечетких вычислителей, атакже методы и средства анализа и синтеза таких вычислителей.Научная и теоретическая новизна работы.1.

Предложен новый подход к организации аппаратных вычислений функциональносложных нечетких зависимостей, основанный на концепции сетей элементарныхнечетких вычислителей, что позволяет повысить степень автоматизации и снизитьтрудоемкость анализа и синтеза ВИСУ с нечеткой обработкой информации.2. Предложена структурно-функциональная модель элементарного нечеткоговычислителя, позволяющая выполнять анализ и синтез систем нечеткой обработкиинформации, представляющих собой структурированные совокупности идентичныхвычислительных элементов, что расширяет номенклатуру электронной компонентнойбазы аппаратной поддержки нечетких вычислений.3. Предложена математическая модель выполнения операции дефаззификации,отличающаяся от известных подходом к нормированию степеней уверенности термов7выходных переменных, что позволяет повысить качество нечетких вычислений награницах интервалов действия нечетких правил.4.

Предложена структура данных, описывающая сеть элементарных нечеткихвычислителей и обладающая возможностью динамического изменения в процессефункционирования, что позволяет повысить производительность нечетких вычислений.5. Предложен алгоритм функционирования элементарных нечетких вычислителей,обеспечивающий снижение затрат ресурсов, необходимых для его исполнения.6. Предложена структура нечеткого сопроцессора на основе сети элементарныхнечетких вычислителей, применимая для аппаратной микросхемотехническойреализации на основе интегральных схем.7. Предложенаструктурно-функциональнаяорганизациямикропроцессорасовстроенным аппаратным вычислителем нечетких зависимостей на основе сетейэлементарных вычислителей, обеспечивающая повышение эффективности решениязадач управления в системах управления на основе отечественной компонентной базы.Практическая значимость работы.

Значение результатов для практики заключается: в повышении точности и быстродействия аппаратных встраиваемых реализацийнечетких преобразователей информации, создаваемых с применением предложенныхметодов; в разработке инструментальных комплексов автоматизированной генерацииаппаратных внутрикристальных нечетких преобразователей информации; в решении задачи импортозамещения электронной компонентной базы системуправления.Результаты диссертационной работы защищены тремя патентами на изобретения:№2477525 «Микроконтроллер с аппаратным нечетким вычислителем переменнойструктуры», №2402822 «Стенд для изучения микроконтроллерных систем управления»и №2643613 «Симметричный трѐхкоординатный движитель с линейно-скользящейопорой и встраиваемым устройством управления, и симметричная шагающаяплатформа на его основе», а также отмечены наградами ряда международных выставок.Методология и методы исследования.

В диссертационной работе использованыметоды и методология системного анализа, теории сложности, теории графов, теорииконечных автоматов, теории нечетких множеств, имитационного моделирования.Положения, выносимые на защиту.1. Принцип организации аппаратных вычислений нечетких зависимостей, основанныйна применении сетей элементарных нечетких вычислителей.2.

Структурно-функциональная модель элементарного нечеткого вычислителя.3. Математическая модель выполнения операции дефаззификации и ее реализация.84. Алгоритмфункционированияэлементарныхсопутствующие структуры данных.нечеткихвычислителейи5. Аппаратная микросхемотехническая реализация нечеткого вычислителя на основесети элементарных нечетких вычислителей.6.

Аппаратная микросхемотехническая реализация микропроцессора со встроеннымаппаратным вычислителем нечетких зависимостей на основе сетей элементарныхвычислителей как вычислительного узла системы управления.7. Инструментальные средства поддержки разработки систем нечеткой обработкиинформации на основе сетей элементарных вычислителей.Достоверность и обоснованность полученных результатов. Достоверность иобоснованность результатов диссертационной работы подтверждается корректнымприменениемиспользуемыхметодовисследований,близостьюрезультатовмоделирования и натурной реализации систем, высокой степенью согласованностиполученных результатов с данными независимых авторов.Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы былипредставлены на следующих международных и всероссийских конференциях:International Conference on Information Management and Technology «ICIMTech-2016»,Bandung (Indonesia), 2016; 11-я Всероссийская научно-практическая конференция«Перспективные системы и задачи управления», Симферополь-Евпатория, 2016; 4-яВсероссийская научно-техническая конференция «Суперкомпьютерные технологии2016» Дивноморское, 2016; International conference «Forest & Photonics», Koli (Finland),2016; 8-я Всероссийская мультиконференция по проблемам управления «МКПУ-2015»,Дивноморское, 2015; International Conference on Information Technology in Medicine andEducation ITME-2014 (Jeju, Korea); International Conference on Advances In Computer andElectronics Technology, ACET-2013 (Hong Kong, China); Научно-практическиеконференции с международным участием «Неделя науки СПбГПУ», Санкт-Петербург,2015-2002 г.г.; Международные научно-методические конференции «Высокиеинтеллектуальные технологии и инновации в национальных исследовательскихуниверситетах», Санкт-Петербург, 2014-2002; Международные научно-практическиеконференции «Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектированиеи схемотехника, теория и вопросы применения», Новочеркасск, 2013 и 2011 г.г.;Всероссийская научно-техническая конференция «Биотехнические, медицинские иэкологические системы и комплексы.

Биомедсистемы-2011», Рязань, 2011;Международная научная конференции «Решетневские чтения», Красноярск, 2011;Всероссийские конференции «Экстремальная робототехника», Санкт-Петербург, 20082002, а также на иных конференциях и семинарах. Практические результаты работыэкспонировались на международных выставках «Точные измерения» (Москва) в 201592014 г.г., и «Hi-Tech» (С-Петербург) в 2018-2008 г.г., где награждены 9 золотыми и 7серебряными медалями, а также специальным призом конкурсной комиссии.Публикации по теме диссертационного исследования.

Автором лично и всоавторстве опубликовано более 200 работ, из них в базе РИНЦ зарегистрировано 111.Основное содержание диссертационной работы отражено в 79 публикациях, в томчисле в 16 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК или приравненных к ним (из них10 индексируются в базе Scopus); в двух многотиражных монографиях; в двух учебныхпособиях; в трех патентах на изобретения.Личный вклад автора в проведенные исследования. Все представленные вдиссертационной работе результаты получены автором лично или при егонепосредственном ведущем участии. В публикациях, подготовленных с участиемсоавторов, автор диссертационного исследования внес определяющий вклад впостановку задач, выбор направлений и методов исследований, их реализацию ианализ.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав изаключения, включает 229 страниц, 129 рисунков и 15 таблиц.

Список литературысодержит 197 наименований. Объем приложений составляет 25 страниц.Содержание работыВо введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цельи задачи исследования, продемонстрированы научная и теоретическая новизна ипрактическая значимость работы, сформулированы основные положения, выносимыена защиту.В первой главе «Микропроцессорные системы управления с нечеткой обработкойинформации.