Моделювання і обробка інформації для сенсорів з керованим чутливим елементом

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНЕ КОСМІЧНЕ АГЕНТСТВО УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ КОСМІЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ

УДК 518.9

МОДЕЛЮВАННЯ І ОБРОБКА ІНФОРМАЦІЇ ДЛЯ СЕНСОРІВ З КЕРОВАНИМ ЧУТЛИВИМ ЕЛЕМЕНТОМ

01.05.04 -- системний аналіз і теорія оптимальних рішень

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступення

кандидат технічних наук

Плішко Нінель Леонідівна

Київ-2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті космічних досліджень НАН та НКА України

Науковий керівник:доктор технічних наук Яценко Віталій Олексійович, Інститута космічних досліджень НАН та НКА України, провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти:доктор технічних наук Коваленко Ігор Іванович, Український державний морський технічний університет ім. адмірала Макарова, завідувач кафедри

доктор технічних наук Данилов Валерій Якович, Інститут прикладного системного аналізу НАН та МОН України, професор кафедри математичних методів системного аналізу

Провідна установа: Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, факультет кібернетики, кафедра теоретичної кібернетики

Захист відбудеться “_26__” лютого_ 2004 р. о _15__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.205.01 в Інституті космічних досліджень НАН та НКА України за адресою 03022, м. Київ-22, пр. Акад. Глушкова, 40

З дисертацією можна ознайомитись в архіві Інституту космічних досліджень НАН та НКА України

Автореферат розісланий “25__” _січня____2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Куссуль Н.М.

адаптивний екологічний моніторинг білінійний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Атуальність проблеми. Математичні методи системного аналізу та теорії оптимальних рішень, що спираються як на традиційні, так і на сучасні підходи, інтенсивно розвивались в останні двадцять років. Це особливо стосується математичної теорії систем, яка спрямована на моделювання, аналіз та синтез взаємодії складних керованих систем. На сьогоднішній день є багато досліджень і публікацій, присвячених системам з динамічною та інформаційною поведінкою. Так в роботах вітчизняних і закордонних авторів (Ю.М. Андрєєв, О.Г. Бутковський, О.І. Кухтенко, О.А. Красовський, Ю.І. Самойленко, R.W. Brockett, R. Hermann, A. Krener і багато ін.) розглядаються сучасні методи аналізу таких систем. Зокрема, запропоновано системно-теоретичні методи оптимізації та керування білінійними системами (БС) при наявності обмежень на керування і фазовий стан. Разом з тим, необхідно зазначити, що багато досліджень закінчується на теоретичному рівні. Тому актуальною є проблема проектування адаптивних систем на основі сенсорів, що функціонують в умовах невизначенності. Розробці таких систем присвячені роботи І.В. Блонського, Ю.І. Воронцова, Г.Р. Іваницького, Н.Н. Красовського, В.В. Козоріза, В.Н. Руденка, Г. Чена. Не дивлячись на значні досягнення у галузі синтезу таких систем, до цього часу не розглядалась задача побудови сенсорів з керованим чутливим елементом (ЧЕ), що використовують закономірності перетворення інформації динамічними системами та сучасні технології розпізнавання та класифікації сигналів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наведені в роботі результати досліджень одержано під час виконання конкурсних проектів: “Розробка гідрохімічних датчиків на основі мікросистемних технологій”' у рамках проекту Національного агентства морських досліджень і технологій “Морське приладобудування” (N 6.9/10.ВФ-200.01); Міністерства України у справах науки і технологій “Розробка математичних та програмних засобів гібридної обробки інформації в системах дистанційного зондування атмосфери-іоносфери (N Д.Р.01970010257); НКАУ “Геодинаміка” (N Д.Р.01970004875), а також “Розробка методів дослідження якісних властивостей фізичних систем з адитивним і мультиплікативним керуваннями (керованість, досяжність, спостережуваність та ін.)” (N Д.Р.01940006287).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є теоретичне обгрунтування і розробка методології системного підходу до побудови та реалізації адаптивних сенсорів з керованим чутливим елементом для систем екологічного моніторингу, що забеспечує аналіз і моделювання процесів обробки інформації, розв'язання задач фільтрації за білінійними спостереженнями та оптимізацію параметрів сенсорів.

Об'єктом дослідження є наступні типи сенсорів з керованим чутливим елементом: біосенсор для інтегрального оцінювання малих концентрацій забруднювачів у водному середовищі, фотоакустичний сенсор для оцінювання незначних концентрацій нафти, розчиненої у воді, та сенсор на основі явища магнітної левітації для вимірювання гравітаційних збурень, що впливають на пробне тіло.

Предметом дослідження є скінченновимірні лінійні та нелінійні математичні моделі, які описують керовані процеси в ЧЕ розглядуваних сенсорів. Основна увага приділяється білінійним моделям, які досить адекватно описують процеси в ЧЕ сенсорів.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених задач використовувались методи математичної теорії систем, теорії білінійних систем та математичного моделювання. При дослідженні процесів обробки інформації використано певні алгебраїчні методи оцінювання та фільтрації.

Основні задачі дослідження. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

Синтез адаптивних сенсорів з керованим чутливим елементом на основі методів системного аналізу та оптимальних рішень.

Розробка та аналіз нових математичних моделей сенсорів для оцінювання слабких збурень за умов неповної інформаційної визначеності та нестаціонарності шумових впливів.

Розв'язання задач адаптивної обробки інформації в сенсорах та розпізнавання забруднень з урахуванням взаємодії підсистем.

Дослідження нелінійної та білінійної динаміки деяких систем для обгрунтування нових принципів побудовт керованих ЧЕ сенсорів.

Створення ефективних системних методів формування необхідних макроскопічних функцій відгуку сенсорів на адитивні та мультиплікативні збурення.

Дослідження лінійних та білінійних дискретних систем з комунікаційною мережею і сенсорами в контурі зворотного зв'язку з метою розробки алгоритмів прогнозування.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:

На основі системно-теоретичного підходу до опису і аналізу керованих фізичних процесів у чутливих структурах сенсорів для оцінювання якості забрудненої води, розроблені нові методи ідентифікації та оцінювання характеристик білінійних процесів в адаптивних сенсорах.

Уперше розроблені та досліджені математичні моделі динаміки керованого чутливого елементу кріогенного гравіметричного датчика з урахуванням впливу шумів. Побудовано алгоритми адаптивної фільтрації сигналів та релейного оцінювання слабких збурень, які впливають на левітуюче пробне тіло. Досліджено керованість лінійної моделі сенсора по частині змінних стосовно корисного сигналу.

Запропоновано нові принципи побудови адаптивного біосенсора з використанням динамічних властивостей фотосинтетичних реєстраторів забруднень води. Уперше використано метод класифікації для оцінювання забруднень води на основі кривих індукції флуоресценції. Розроблено структуру сенсора інтегрального оцінювання екологічного стану води, яка включає чутливий елемент плівкового типу, нейрочіп та ідентифікатор параметрів.

Уперше запропоновано функціональну структуру лазерного фотоакустичного адаптивного сенсора орієнтованого на оцінювання ступеня забруднення води нафтопродуктами. Розроблено метод попередньої обробки вихідних сигналів чутливого елементу.

Запропоновані лінійна та білінійна дискретні моделі керованої системи з комунікаційною мережею та сенсорами в контурі зворотного зв'язку. Розроблено моделі прогнозування вектору стану керованої динамічної системи, які забезпечують вирішення задач її стійкості при наявності черги та випадкових затримок в контурі зворотного зв'язку.

Практична цінність отриманних результатів полягає в тому, що розроблені методи та моделі керованих чутливих елементів є складовими частинами систем проектування адаптивних сенсорів. Запропоновані моделі та алгоритми використовуються на експериментальному стенді, в системах екологічного моніторінгу водних середовищ, а також у фізичних експериментах.

Запропоновано спосіб керування процесом вимірювання забруднень води з урахуванням динаміки біорегістраторів на фотореакційних центрах та фотоакустичних сенсорів. Створено необхідний для прикладних розробок метод, за допомогою якого в рамках прикладних тем створено алгоритми обробки вихідних сигналів сенсорів.

Ці результати використано в практичній діяльності Міністерства освіти та науки України, Національного космічного агентства України (НКАУ), Національного агентства морських досліджень і технологій (НАМДІТ), Інституті фізики НАН України, Науковому фонді вчених і спеціалістів з молекулярної кібернетики та інформатики.

Особистий внесок пошукача. Вибір напрямку досліджень і постановки задач належать науковому керівнику роботи. У роботах, що написані у співавторстві, автору належать: [2] -- алгоритм адаптивної фільтрації за білінійними спостереженнями; [5, 12] -- математична модель прогнозу в системі з сенсорами і комунікаційною мережею; [4, 7, 13] -- алгоритм нейромережевого оцінювання сигналу в сенсорі на основі явища магнітної левітації; [6] -- дослідження алгебраїчних аспектів фільтрації; [10] -- опис структури спостерігача; [11] -- дослідження нелінійної динаміки сенсора; [9] -- ідея використання адаптивної фільтрації в сенсорах; [8] -- функціональна структура сенсора і алгоритм обробки сигналів.

Апробація роботи. Основні результати досліджень пройшли апробацію у провідних наукових колективах України, доповідались на 8 конференціях, зокрема Міжнародній конференції “Optics for Environmental and Public Safety” (Мюнхен, 1995), Інституті математики НАН України (Київ, 1993), Другій, Третій, Четвертій і П'ятій Українських конференціях з автоматичного керування (Львів, 1995; Севастополь, 1996; Черкаси, 1997; Київ, 1998), Міжнародній конференції з дослідження динамічних систем моделювання та стабілізації (Київ, 2003), Третій Українській конференції з перспективних космічних досліджень (Кацивелі, Крим, 2003).

Публiкацiї. Основні результати досліджень, що представлені у дисертацiї, опублiкованi в 7 наукових статтях (3 з яких входять до переліку фахових видань) i 8 працях конференцiй.

Структура i обсяг дисертації. Робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку літератури та додатків. Загальний об'єм роботи -- 163 сторінки. Дисертація вмiщує 151 сторiнки основного тексту, 23 малюнки, 1 таблицю і 4 додатки.

ЗМIСТ РОБОТИ

У вступі подано загальну характеристику дисертаційної роботи. Розглянуто сучасний стан досліджень, що пов'язані з проблемами математичного моделювання сенсорів з керованим чутливим елементом та обробкою інформації, обгрунтовано актуальність теми дисертації та сформульовано мету роботи.

У першому розділі проведено аналіз розвитку і сучасного стану проблеми реєстрації та обробки інформації в сенсорах з керованим чутливим елементом, орієнтований на синтез алгоритмів оцінювання та фільтрації в умовах впливу перешкод. Окреслено коло невирішених питань в цій області, зроблено висновки щодо необхідності проведення подальших досліджень, наведено перелік задач, які підлягають розв'язанню.

У другому розділі основну увагу приділено побудові алгоритму адаптивного оцінювання параметрів сигналу за білінійними вимірюваннями в присутності білого шуму. Наводяться рекурсивні оцінки у припущені, що алгебра Лі, яка утворена матрицями білінійної систе-ми, абелева. Показано, що дане припущення можливо дещо послаби-ти, припустивши, що ідеал цієї алгебри нільпотентний. Встановлено, що адаптивний фільтр є також білінійним за структурою із збережен-ням властивості нільпотентності. Адаптивність фільтрації забезпе-чу-ється за допомогою алгоритму параметричної ідентифікації з використанням спостерігача.

Для сигналу і досліджуваного процесу розглядаються відповідно такі моделі:

(1)

(2)

де w(Ч) і v(Ч) -- стандартні двовимірні незалежні вінерівські процеси; x(t) О R²; z(t) --О R²; x(0) -- незалежний від w(Ч) і v(Ч) випадковий вектор з гаусівським розподіленням і нульовим середнім значенням; F(Ч), Q^1/2(Ч), H(Ч), R^1/2(Ч) -- двовимірні матриці; Q(t), R(t) -- позитивно визначені і неперервно диференційовні по t матриці при різних t.

У задачі вимагається оцінити умовне математичне сподівання M {x(t)}_{t ? 0}, x(t) О--R² вихідного сигналу білінійної системи

(3)

де A, B₁, B₂ -- матриці відповідних розмірностей; x(0) не залежить від процесів x(Ч), w(Ч)$ і v(Ч). Більше того, потрібно знайти скінченновимірне стохастичне диференційне рівняння для визначення умовного математичного сподівання сигналу при виконанні певних припущень на матричну алгебру Лі.

Нехай є сигнальний {x(t)}_{t і 0}, щo описується рівняннями (3) та спостережуваний процес {z(t)}_{t і 0}, і виконується певні припущення стосовно матриць білінійної системи. Тоді оптимальну оцінку

можна отримати за допомогою наступного скінченновимірного білінійного стохастичного рівняння:

(4)

Де

-- модифікований інноваційний процес; отримано стандартною процедурою фільтрації Калмана-Бьюсі; L(Ч) О M ґ M^*, а A^*(--Ч), і є такими стандартними матричнозначними функціями часу, що алгебра Лі, згенерована множиною матриць вигляду:

є нільпотентною з порядком нільпотентності n^*.

Запропоновано метод ідентифікації системи (3), який базується на використанні розкладень сигнальних процесів за ортогональним базисом. За їх допомогою вдається отримати систему лінійних алгебраїчних рівнянь, яка використовується для визначення коефіцієнтів білінійної моделі. Методом найменших квадратів отримано оцінки невідомих параметрів білінійної моделі. Розроблено цілком задовільний за точністю чисельний алгоритм.

У третьому розділі розглянуто проблему оптимального білінійного вимірювання слабких збурень гравітаційних впливів на левітуюче пробне тіло. Введено ряд нових системних понять і означень, необхідних для коректного розв'язання задач аналізу динаміки і стійкості сенсорів на основі явища надпровідності. Розв'язано задачу оцінювання малих за значенням сигналів шляхом зведення моделі вимірювання до білінійного вигляду. Основну увагу приділено релейному та нейромережевому оцінюванню гравітаційних впливів на пробне тіло в керованій потенційній ямі.

Розглянуто проблему створення високочутливого адаптивного сенсора на основі явища магнітної левітації. Запропоновано конструкцію сенсора, що включає сукупність індуктивно зв'язаних контурів: RLC-контуру, контуру з контактом Джозефсона, рухомого і нерухомого короткозамкнених ідеально електропровідних контурів і керуючого контуру. Вважається, що пробне тіло в магнітній потенційній ямі непружне; зміщення його відносно стану рівноваги мале у порівнянні з характерними розмірами ЧЕ; вимірювання зміщення пробного тіла здійснюється датчиком на основі контакту Джозефсона, який описано резистивною моделлю; квантування магнітного потоку в ланцюгах не проявляється. Потрібно побудувати інваріантну до збурень математичну модель асимптотично стійкого адаптивного оцінювання гравітаційного сигналу r за спостереженням z.

Розв'язання задачі складається з таких етапів: 1) синтезу алгоритму керування, який забезпечує асимптотичну стійкість незбуреного руху пробного тіла; 2) синтезу нейромережевого алгоритму оцінювання зовнішніх впливів на пробне тіло; 3) синтезу алгоритму адаптивної фільтрації; 4) чисельного аналізу математичної

моделі оцінювання.

У розділі подано модель ЧЕ сенсора:

(5)

де f₀ ,f₁ ,…,f₆ -- гладкі векторні поля класу C ^?; y О Y М R⁶; y = (y₁,…,y₆) -- вектор стану; y(0) = 0; u₁(t) -- скалярне керування; u₂(t) = u₁²(t); u₃(t) = r(t) + s(t) -- адитивна суміш гравітаційного “сигналу” і шуму, що впливають на динаміку пробного тіла; u₄(t) -- стаціонарний випадковий процес; u₅(t) -- d-корельований шум; u₆(t) = Asin wt -- детермінована функція; {a_ij} (i = 1,…,3, j = 1,…,11) -- матриця параметрів системи; z -- одновимірний вихід моделі; c -- деяка константа.

Окремий випадок системи (5) для змінних стану y₁,…,y₆ і функціонал z (модель квантового інтерферометра) описано так:

(6)

де A, B, C, D, E, F, G, L -- матриці відповідних розмірів, ; . Нехай u₃(t) = 0, u₄(t) = 0.

У розділі розглянуто також лінійне наближення сенсора S у просторі станів x -- n-вимірний вектор стану; u₃(t) -- корисний сигнал. Стосовно моделі (8) досліджено керованість по частині змінних стосовно сигналу u₃.

Визначення 1. Змінна стану x_i сенсора називається керованою по корисному сигналу, якщо довільний стан x при x_i № 0 і x_j = 0 i № j є керованим.

Визначення 2. Змінна стану x_i сенсора S називається чутливою до корисного сигналу, якщо для кожного x(t₀) О X існує сигнал u₃(t) на інтервалі t₀ Ј t Ј t₁, такий, що x_i(t₁) =0.

Має місце наступне твердження.

Змінна стану x_i сенсора S тоді і тільки тоді чутлива до корисного сигналу, якщо існує хоча б один керований стан x₀ з нерівною нулю компонентою x_i.

Для оцінки керованості змінної стану запропоновано використати відстань від точки перетину вісі x_i з гіпереліпсоїдом до початку системи координат матриця керованості першого роду; M -- гіпереліпсоїд, утворений станами, які при заданій енергії керування W_s можуть бути переведені у початок координат. Як чисельну міру чутливості до дії корисного сигналу на змінну стану запропоновано наступну оцінку x₀ -- такий стан, i-та компонента якого найбільша.

Запропоновано і дослiджено модель адаптивного сенсору, описану сукупністю наступних операторів: виміру S₁ корисного сигналу u₃(t), виміру S₂ вектора стану y, оператора адаптивного оцінювання S₄ , оберненого оператора S₅ = (S₁S₂)^-1, операторів індикації сигналів S₇, S₉, ідентифікації параметрів БМ S₁₀, синтезу S₁₁ параметрів регулятора БМ і операторів S₁₃, S₁₄, що забезпечують необхідне для оптимальної фільтрації відношення сигналу до шуму r₁(t)/s₁(t). Оператори S₁₃, S₁₄ побудовані на основі гамiльтонової моделі системи вільних фізичних маятників з парою співвісних ідеально електропровідних кілець на торцях кожного з них і двоканальної схеми компенсації шуму.

Чисельне моделювання підтвердило інваріантність математичної моделі оцінювання до шуму u₄(t) з обмеженим зверху спектром і стаціонарного шуму s(t) з невідомими параметрами спектральної щільності. Встановлено інваріантність моделі до збурень імпульсного характеру, дослiджено динаміку білінійної моделі виміру з зворотним зв'язком по виходу. На прикладах конкретних сигналів проведено аналіз ефективності цифрової адаптивної фільтрації в системі оцінювання. Одержано оцінку мінімально виявленого сигналу, що дозволяє проводити деякі експерименти фундаментального характеру за умов реалізації системи оцінювання.

У четвертому розділі розглянуто можливості створення адаптивних сенсорів на основі використання принципів обробки інформації динамічними системами. Запропоновано та дослiджено метод розпiзнавання забруднень води в функцiональному просторi кривих iндукцiї флуоресценцiї за допомогою нейромереж Больцманiвського типу з ймовiрнісними нейронами. Для цього використанi експериментальнi результати дослiдження еталонних зразкiв води (склад водної сумiшi був вiдомий до експерименту). Характеристики “деградацiї” ЧЕ корегувались алгоритмом бiлiнiйної iдентифiкацiї i оптимальною змiною потенцiалу на мембранi. Вказанi методи забезпечують робастнi властивостi сенсора, надiйнiсть прогнозу оцiнок незначних концентрацiй забруднень води. Показана можливiсть здобуття бiльш точних оцiнок при використаннi на етапi навчання нейрочiпу та результатiв хроматографiчного аналiзу хiмiчного складу еталонних зразкiв води.

Досліджено проблему реалiзацiї адаптивного бiосенсора на основi ЧЕ плiвкового типу, нейрочiпу, розташованого в вихiднiй частинi сенсора, iдентифiкатора БМ, включеного у ланцюг зворотного зв'язку. Запропоновано схему сенсора, що забезпечує адаптивний режим його функцiонування.

Розглянуто задачу системного аналізу фотоакустичних сенсорiв для монiторингу забруднення води нафтопродуктами. У рамках цієї задачі проведено системно-теоретичний аналіз оптико-акустичного ефекту, який був незалежно відкритий Белом, Тиндалем та Рентгеном. Взаємодія модульованого світлового пучка з речовиною призводить до специфічного звукового відгуку середовища. Можливість керування параметрами випромінювання та суттєвий розвиток лазерної техніки дозволяє обгрунтувати створення відносно недорогих адаптивних пристроїв оптико-акустичної та лазерно-акустичної діагностики забруднень води з унікальними властивостями.

Показана можливість дистанцiйного детектування характеристик нафтопродуктiв, розчинених у водi або таких, що утворюють на її поверхнi тонку плівку. Особливiсть ефекту полягає в тому, що енергiя лазерного випромiнювання, яка поглинається середовищем, викликає теплові процеси в опромiнюванiй частинi середовища, що призводить до змiнення її щiльностi i виникнення акустичної хвилi. При певних параметрах оптичного випромiнювання зразок води, що мiстить нафтопродукти, може поглинати значну частину енергiї. У слабопоглинаючих рiдинах перетворення iмпульсу оптичної енергiї в акустичну базується на її безвипромiнюючій релаксацiї у теплові процеси.

Проведено аналiз сучасних теоретичних та екпериментальних дослiджень в зазначеному напрямку з метою обурунтування можливостi використання фотоакустичного ефекту для визначення незначних концентрацiй нафти. В результатi запропоновано функцiональну структуру адаптивного фотоакустичного сенсора.

Математичне моделювання дозволило визначити оптимальнi параметри лазерного джерела i п'єзоелектричного перетворювача для отримання високої чутливостi сенсора. Встановлено, що подальше пiдвищення рiвня сигналу можливе завдяки використанню сучасних лазерних джерел діодного типу, генеруючих iнтенсивнi iмпульси з високою частотою. Якiсне дослiдження хвильового рiвняння показало, що можливо вибрати оптимальнi параметри сенсора на етапi проектування за допомогою чисельного моделювання як сенсора, так і процесу розповсюдження сигналу.

Подальша оптимiзацiя досягається на основi фiзiчного чи математичного моделювання процесу взаємодiї випромiнювання iз зразком води. За допомогою останнього вдається розв'язати задачi досягнення заданих енергетичних параметрiв, формування розподiлень поля в динамiцi, змiни частоти оптичного випромiнювання. При цьому використувуються деякi закономiрностi змiни оптичних властивостей середовища, можливостi оптимiзацiї амплiтудно-фазового розподiлення пучка.

У п'ятому розділі розглядається система керування, яка містить адаптивні сенсори і комунікаційну мережу в ланцюгу зворотного зв'язку. Сенсори, що розташовані у безпосередній близькості від об'єкту керування, призначені для визначення його основних фізико-хімічних характеристик.

Комунікаційна мережа використовується для одночасного обслуговування багатьох об'єктів. Зроблено припущення, що сенсори і процесорний вузол вміщують необхідні апаратно-програмні засоби прийому та передачі інформації. Дані про стан об'єкту отримують з інтервалом часу T_s, додаючи їх в чергу. Коли сенсорні дані надходять через мережу зв'язку до керуючого процесору, вони запам'ятовуються в одиничному буфері. Після кожного інтервалу часу T_p керуючий процесор прочитує зміст буферу і формат даних, необхідних для обчислювання нового керуючого впливу u_k.

Розглянуто наступну задачу.

Нехай виконуються такі умови: 1) об'єкт керування описується білінійним дискретним рівнянням x_k О R^l -- вектор стану об'єкту; u_k О R^p -- вектор керування; A, B і C -- постійні матриці відповідних розмірностей; 2) стратегія черг відповідає правилу “першим надійшов -- першим обслуговується”; 3) програмно-апаратні засоби пересилають дані в мережу; 4) при наявності двох конкуруючих повідомлень апаратно-програмні засоби передають спочатку дані з більшим пріоритетом; 5) керування здійснюється дистанційно по контуру зворотного зв'язку з використанням сенсорів, комунікаційної мережі і формувачів сигналів керування. Стосовно керованого об'єкта необхідно розробити математичні моделі прогнозу вектора стану з урахуванням можливості виникнення черги. В роботі запропоновано моделі прогнозу за умови, що всі компоненти вектора стану вимірюються сенсорами. Побудовано оптимальні оцінки вектора стану з урахуванням моделей прогнозу. Одержано оптимальні оцінки вектора стану у випадку, коли повна інформація про стан системи відсутня. Також розглянуто декілька окремих випадків системи (9). Оскільки в багатьох випадках повна інформація про стан системи відсутня, у розділі запропоновано використати відповідний спостерігач, рівняння якого має вигляд:

Процес спостереження складається з двох стадій. На першій стадії (стадія прогнозу) визначається стан , який є апроксимацією значення на основі x_k і u_k. На другій стадії покращується оцінка на основі використання поточного сенсорного вимірювання y_k+1. В результаті отримується оцінка . Матриця M_c обчислюється за допомогою рівняння m -- кількість змінних вектора стану; f(Ч)$ -- бажаний характеристичний поліном динаміки похибки. У припущені, що повністю відомі всі затримки в комунікаціній мережі та сигнал g_k на вході керуючого процесора, прогноз стану можна отримати.

Спочатку корегується оцінка за допомогою нових даних, а потім здійснюється прогноз за поточною оцінкою . Отримана оцінка є найкращою оцінкою . Для n = j схема оцінювання описується рівнянням прогнозовані значення на основі припущень і певні вагові матриці.

У порівнянні з випадком без прогнозу, запропонований алгоритм дає більш суттєве покращення якості стабілізації системи.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ І ВИСНОВКИ

У дисертації на основі системно-теоретичного опису та моделювання керованих процесів у певних фізичних та біологічних чутливих структурах вирішено проблему розробки адаптивних сенсорів з керованим чутливим елементом для систем екологічного моніторингу. При розв'язанні проблеми отримано наступні висновки:

1. Розглянуто особливості динамічних та інформаційних процесів у чутливих структурах і виконано аналіз проблем, що мають місце при моделюванні і обробці інформації в сенсорах. На основі використання певних системних закономірностей перетворення інформації в сенсорах, структурних особливостей взаємодії мікро- та макропроцесів та сучасних технологій класифікації сигналів розроблено нові структури адаптивних сенсорів з керованим чутливим елементом.

2. Розроблено нелінійні детерміновані та стохастичні моделі процесів у керованих чутливих елементах. Вирішена задача побудови білінійної реалізації моделей сенсорів, що дозволило провести конструктивний аналіз основних системних властивостей. Поставлено задачу адаптивного оцінювання характеристик вихідного сигналу сенсора з урахуванням шуму і запропоновано алгоритм розв'язку цієї задачі. Реалізація цього алгоритму складається з білінійної стохастичної системи, лінійного перетворювача та підсистеми адаптації. Адаптивність процессу фільтрації забеспечується алгоритмом параметричної ідентифікації з використанням спостерігача.

3. Розроблено та дослiджено нелінійну та білінійну моделі динаміки чутливого елемента із стабілізованим положенням рівноваги левітуючого пробного тіла. Досліджено керованість сенсора по одній із координат відносно корисного сигналу. Запропоновано алгоритми релейного та нейромережевого оцінювання невідомої сили, що діє на пробне тіло в умовах впливу перешкод. На основі отриманих результатів розроблено конструкцію чутливого елементу гравіметра та його математичну модель. Комп'ютерне моделювання алгоритмів показало на можливість оцінювання гравітаційних збурень порядку 10-⁹ g в умовах впливу стаціонарних шумів.

4. Виконано системно-теоретичний аналіз динамічних і інфор-маційних процесів у фотосинтетичних структурах з метою створення ефективних системних методів формування необхідних макрос-копічних функцій відгуку сенсорів вхідні збурення. Запропонована функціональна структура сенсору, до складу якого включено чутливий елемент, ідентифікатор параметрів та нейромережевий ЧІП. Розроблено також альтернативну конструкцію лазерного сенсору з використання фотоакустичного ефекту. Системний аналіз запропонованих сенсорів показав, що сенсор на основі фотосинтетичних об'єктів доцільно використорувати для інтегрального оцінювання екологічного стану води. Сенсор на основі фотоакустичного ефекту дозволяє кількісно оцінювати незначні концентрації забруднень води нафтопродуктами.

5. Розроблено лінійну та білінійну моделі дискретної керованої системи з комунікаційним ланцюгом та сенсорами в контурі зворотного зв'язку. Поставлено задачу прогнозування вектора стану керованої системи при наявності черги та випадкових затримок в контурі зворотного зв'язку і запропоновано алгоритми розв'язку цієї задачі. Вони дозволяють вирішувати задачі стійкості системи за наявності черги та випадкових затримок.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІНОЇ РОБОТИ:

Плишко Н.Л. Использование адаптивных фотоакустических сенсоров для мониторинга загрязнения воды нефтепродуктами // Проблемы управления и информатики. -- 1997. -- № 2. -- C. 149-151.

Плишко Н.Л., Яценко В.А. Синтез адаптивных фильтров для билинейных систем в условиях параметрической неопределенности // Кибернетика и вычисл. техника. -- 1998. -- Вып. 115. -- С. 65-78.

Плішко Н.Л. Моделювання динаміки та стійкості керованого кріогенного чутливого елементу // Системні технології: Регіональний міжвузівський збірник наукових праць. -- Випуск 1 (24). -- Дніпропетровськ, 2003. -- С. 146-152.

Яценко В.А., Плишко Н.Л. Оптимальное оценивание при нелинейном измерении // Вопросы аналитической механики и ее применений -- Київ: Ін-т математики НАН України, 1999 -- Т. 26. -- C. 420-427.

Яценко В.О., Плішко Н.Л. Білінійна модель системи керування з чергою у контурі зворотного зв'язку // Вісн. Київ. ун-ту. -- 2000. --309-311.

Плишко Н.Л., Яценко В.А. Алгебраические аспекты нелинейной фильтрации в сенсорах // Физико-технические и технологические приложения математического моделирования: Сб. науч. тр. -- Київ: Ін-т математики НАН України, 1998. -- С. 204-206.

Яценко В.А., Плишко Н.Л. Нейросетевое оценивание слабых воздействий на левитирующее пробное тело // Физико-технические и технологические приложения математического моделирования: Сб. науч. тр. -- Київ: Ін-т математики НАН України, 1998. -- C. 271-273.

Yatsenko V., Plishko N. Intelligent sensor based on the photosynthesizing object and used for water quality estimation // Proc. European Symposium on Optics for Enviromental and Public Safety, Munich, June 19-23, 1995. -- Munich, FR Germany, 1995, Proc. 2508, Rep. 2508-32. -- P. 66-71.

Плишко Н.Л., Яценко В.А. Адаптивные фильтры для билинейных систем // Труды Третьей Укр. конф. по автоматическому управлению “Автоматика-96”, Севастополь, 9-14 сент. 1996 г. -- Севастополь: Севастоп. техн. ун-т, 1996. -- Т. 1. -- С. 184-185.

Яценко В.А., Плишко Н.Л. Робастность интеллектуального наблюдателя биомолекулярного типа для оценивания малых концентраций загрязнителей воды // Труды Второй Укр. конф. по автоматическому управлению “Автоматика-95”, Львов, 26-30 сент. 1995 г. -- Киев: Ин-т кибернетики им. В.М. Глушкова АН Украины, 1995. -- Т. 3. -- С. 88-89.

Yatsenko V.A., Plishko N.L. Instabilities in nonlinear dynamics of the superconducting controlled sensor and self-organization // Nonlinear Differential Equation: Bifurcations and Chaos, Kiev, August 21-27, 1995: Abstracts. -- Kiev: Inst. of Mathematics, 1995. -- P. 182.

Плишко Н.Л., Яценко В.А. Системы управления с сенсорами и коммуникационными сетями в контуре обратной связи // Труды Четвертой Укр. конф. по автоматическому управлению “Автоматика-97”, Черкасы, 1997. -- Т. 2. -- С. 53.

Яценко В.А., Плишко Н.Л. Оценивание слабых воздействий на левитирующее пробное тело // Труды Пятой Укр. конф. по автоматическому управлению “Автоматика-98”, Киев, 1998. -- Т. 3. -- C. 345-349.

Плишко Н.Л. Математическое моделирование управляемых процессов в сверхпроводящем датчике // Book Abstract. International Conference “Dynamical system modelling and stability investigation”, Kyiv, 2003. -- Вісн. Київ. ун-ту. -- C. 232.

Плишко Н.Л. Моделирование управляемых процессов в гравиметрическом датчике // Труды Третьей укр. конф. по перспективным космическим исследованиям. -- Кацивели, Крым, 2003. -- С. 73.

АНОТАЦІЯ

Плішко Н.Л. Моделювання і обробка інформації для сенсорів з керованим чутливим елементом. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.05.04. “Системний аналіз і теорія оптимальних решень”, Інститут космічних досліджень НАНУ и НКАУ, Київ, 2004.

На основі системно-теоретичного опису керованих процесів в сенсорах розроблено методи адаптивного оцінювання за білінійними спостереженями та функціональні структури сенсорів з керованим чутливим елементом. Розроблено моделі адаптивних сенсорів, орієнтованих на оцінювання слабких сигналів у присутності шумів. Запропоновано алгоритми обробки інформації в адаптивних сенсорах

для систем екологічного моніторінгу. Запропоновано та досліджено математичні моделі систем керування об'єктами з сенсорами і комунікаційною мережею в контурі зворотного зв'язку.

Ключові слова: системний аналіз, сенсор, керування, адаптація, білінійна система, магнітна левітація, комунікаційна мережа, оцінювання, фільтрація.

АННОТАЦИЯ

Плишко Н.Л. Моделирование и обработка информации для сенсоров с управляемым чувствительным элементом. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.05.04. “Системный анализ и теория оптимальных решений”, Институт космических исследований НАНУ и НКАУ, Киев, 2004.

В диссертации разработаны методы, ориентированные на класс сенсоров с управляемым чувствительным элементом, процессы в которых описываются билинейными моделями. Основное внимание сосредоточено на синтезе алгоритмов оценивания сигналов при различных предположениях о матрицах сигнального процесса. Формулируются условия существования оптимального фильтра и при-водится его реализация.

Исследована проблема оптимального билинейного измерения слабых возмущений гравитационного характера. Введено ряд новых системных понятий и определений, необходимых для корректного решения задач динамики и устойчивости чувствительных элементов сенсоров и оценивания малых по величине сигналов по управляемым билинейным измерениям. Предложен и исследован алгоритм оценки управляемости сенсора по полезному сигналу. Построена математическая модель датчика, изучена динамика и устойчивость чувствительного элемента, а также предложены алгоритмы предварительной обработки сигналов. Разработана функциональная структура адаптивного измерителя. Предложена конструкция сенсора с двумя левитирующими пробными телами.

Проведен системный анализ возможности использования фотоакустического эффекта для создания лазерных адаптивных сенсоров, способных обнаруживать незначительные конентрации нефти в воде. Предлагается конструкция адаптивного фотоакустического сенсора, дается системно-теоретический анализ его функционирования и проводится анализ возможностей высокоточного экспериментального

анализа проб загрязненной водой.

Предложен и исследован новый подход к построению адаптивного биосенсора. Разработаны модель адаптивного сенсора и методы обработки сигналов, основанные на нейросетевом распознавании и алгоритме билинейной идентификации. Исследована динамика функционирования сенсора с учетом различных типов загрязнений.

Рассмотрен экологический объект с сенсорами и коммуникационной сетью в контуре обратной связи. С целью управления объектом предлагаются модели прогноза для оценки состояния системы, которые основываются на информации о длине очереди. Предложен и исследован новый алгоритм к прогнозированию вектора состояния объекта управления с обратной связью.

Ключевые слова: системный анализ, сенсор, управление, адаптация, билинейная система, магнитная левитация, коммуникационная сеть, оценивание, фильтрация.

ANNOTATION

Plishko N.L. Modelling and information processing for sensors with a controlled sensitive element. Thesis dissertation of candidate of technical sciences on spesiality 01.05.04. “System analysis and theory of optimal decisions”. Institute of Space Research NASU and NSAU, Kyiv, 2004.

The methods of an adaptive signal estimation from the bilinear observations which based on the system-theoretical description of controlled processes in sensors and functional structures of sensors with controlled sensative element are discribed. The adaptive sensor models for ecological monitoring systems are proposed. The models of the adaptive sensors oriented on weak signal estimation under the noise influances are developed. The algorithms of information processing in adaptive sensors for ecological monitoring system are proposed. The mathematical models of the control systems with sensors and communication network in the the feedback loop are considered.

Key words: system analysis, sensor, control, adaptation, bilinear system, levitation, communication network, estimation, filtration.

Размещено на Allbest.ru

...