Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

Системный синтез интеллектуальных систем управления космических аппаратов и комплексов

#3 март 2007

Пролетарский А

УДК 681.5.013

 

Пролетарский А.В.

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Интеллектуальные системы управления (ИСУ) в настоящее время являются самыми сложными развивающимися объектами и относятся к целенаправленным системам, поведение которых подчинено достижению определенных целей.

          Из определения интеллектуальной системы как объединенной информационным процессом совокупности технических средств и программного обеспечения, работающую во взаимосвязи с человеком (коллективом людей) или автономно, способную на основе сведений и знаний при наличии мотивации синтезировать цель, вырабатывать решение о действии и находить рациональные способы достижения цели  (Пупков К.А. Научно-техническая программа: Интеллектуальные системы // В кн.: Комплексные научные, научно-технические и образовательные программы и проекты Гособразования СССР 1989-1994 годов. М.: Госкомитет ССР по народн. Обр., 1991. С. 39-41) следует, что ИСУ присуще все классические составляющие философского понятия «система»:

·       наличие совокупности элементов, находящихся в отношениях и связях  друг с другом;

·       целостность (принципиальная несводимость свойств системы к к сумме свойств составляющих ее элементов и невыводимость из последних свойств целого, зависимость каждого элемента , свойства и отношения системы от его места, функции и т.д. внутри целого);

·       структурность (возможность описания системы через установление ее структуры, обусловленность поведения системы не столько поведением ее отдельных элементов, сколько свойствами ее структуры);

·       взаимозависимость системы и среды (система формирует и проявляет свои свойства в процессе взаимодействия со средой, являясь при этом ведущим активным компонентом взаимодействия);

·       иерархичность (каждый компонент системы может рассматриваться в свою очередь как система);

·       множественность описания каждой системы (в силу принципиальной сложности каждой системы ее адекватное познание требует построения множества различных моделей, каждая из которых описывает лишь определенный аспект системы).

Важной особенностью многих систем, в том числе и ИСУ, является передача в них информации и наличие процессов управления.

           Процесс создание таких сложных систем требует и разработки нового подхода, объединяющего понятия «синтеза» как соединения различных элементов, сторон предмета в единое целое и понятия  «системы» как  цели синтеза, т.е. «системного синтеза». Основное отличие «системного синтеза» от известного понятия «системный подход» заключается в том, что в основе методологии «системного подхода» лежит исследование объектов как систем, а в основе «системного синтеза» - синтез объектов как развивающихся самоорганизующихся целенаправленных систем.

Но нужен ли системный синтез? Накопленный запас знаний и достигнутый современной наукой уровень позволяют сплошь и рядом выявлять детали, тонкости и частности, находясь в пределах любой научной дисциплины. Происходит анализ – расщепление, расчленение в изначальном смысле слова. Системный анализ – это тоже выделение отдельных свойств и качеств. Это все-таки анализ.

В то же время нам, чтобы понять, что следует делать, нужно системное, целостное представление об объекте. Такова уж наша человеческая природа – мы не умеем активно оперировать сколько-нибудь большим числом переменных и взаимосвязей. При этом мы осознаем, что в разных ситуациях этот набор переменных будет разным.

С одной стороны, в науке за время ее существования накоплен огромный опыт упрощения и выделения главного. В математике – это огромный арсенал методов осреднения и других асимптотических подходов. В экономике это разнообразные методы агрегирования и  макроэкономических индексов. Не будь конструкторских, инженерных, во многом интуитивных способов синтеза, сколько-нибудь сложных технических конструкций создать бы не удалось. Громадный опыт сложного многоуровневого синтеза накоплен в программировании. Благодаря такому синтезу создавались и совершенствовались различные организации. Этот список можно продолжить.

А с другой стороны, синергетика (синергетика – это теория самоорганизации в системах различной природы). Она имеет дело с явлениями и процессами, в результате которых у системы – у целого – могут появиться свойства, которыми не обладает ни одна из частей. Поскольку речь идет о выявлении и использовании общих закономерностей в различных областях, то этот подход предполагает междисциплинарность) помогла подойти к системному синтезу как к одной из важнейших черт живых систем, нашего сознания. Она поставила вопрос – как происходит этот важнейший процесс самоорганизации в пространстве признаков, возможностей, степеней свободы? Чудо, пока не доступное компьютерам и техническим системам, состоит в том, что человек может почувствовать или осознать, "нравится" ему что-то или нет. Очевидно, интересно было бы понять, существуют ли универсальные методы системного синтеза, "подсмотреть" их у природы и далее использовать в технических системах. Но в настоящее время реальным является разработка метода системного синтеза для отдельных классов технических объектов.

          В методологической основе системного синтеза лежит семиотика – общая теория, лежащая в основе знаковых систем. К знаковым относятся и любые сложные системы управления, рассматриваемые с позиции кибернетики: машины, станки, приборы и их схемы, живые организмы и отдельные их подсистемы (например, центральная нервная система), производственные и социальные объединения, общество в целом. Для семиотического подхода характерно выделение трех уровней исследования знаковых систем: синтактика - изучение структуры сочетания знаков и правил их образования и преобразования; семантика изучает знаковые системы как средства выражения смысла (цели ИСУ); прагматика изучает отношения между знаковыми системами  и теми, кто воспринимает, интерпретирует и использует содержащиеся в них сообщения. Теоретическая семиотика представляет собой совокупность синтаксических и семантических исследований применительно к формализованным языкам, т.е. логическим и логико-математическим исчислениям.

Наиболее эффективно использование системного синтеза ИСУ для наиболее сложных технических объектов, например  в задачах управления космическими аппаратами и комплексами. Прогресс в развитии космической техники, рост сложности задач, стоящих перед космическими комплексами, неизбежно влечет за собой усложнение систем управления полетом. Так система управления (СУ) марсианского комплекса, предназначенного для доставки грунта на Землю, должна обеспечить проведение маневров на околоземной орбите, перелет от орбиты Земли к Марсу, переход на околопланетную орбиту ожидания, спуск и мягкую посадку на Марс, функционирование на поверхности, взлет с поверхности Марса, стыковку и перелет на околоземную орбиту, спуск в атмосфере Земли. При этом к системе управления комплекса предъявляются высокие требования: к качеству выполнения функций СУ, к ее надежности при жестких ограничениях по весу и габаритам, к гибкости управления в расчетных и аварийных ситуациях, срокам создания и др.

Усложнение требований к системам управления, совершенствование принципов их построения, настоятельная необходимость учитывать большое (и все возрастающее) число ограничений, обстоятельств и условий научно-технического, экономического, производственного и технологического характера влечет за собой необходимость совершенствовать традиционные методы проектирования и вести поиск новых методов проектирования.

Поиск и разработка новых методов проектирования обусловлены тем, что существующие методы проектирования во многом не удовлетворяют современным требованиям.

Во-первых, при традиционных методах проектирования отсутствует этап комплексной проработки всей совокупности систем управления как единого целого и вследствие этого основная увязка частей системы между собой производится уже на испытаниях летательного аппарата.

Во-вторых, время и стоимость разработки велико и продолжают расти вместе с усложнением систем. Для СУ автоматических КА оно составляет четыре и более лет. За это время некоторые идеи, заложенные в проект, могут в значительной степени устареть или нарушаются важные сроки ввода систем в действие.

Отсюда следует, что методы проектирования, имеющие потенциальные возможности устранить упомянутые выше недостатки традиционных методов проектирования, должны быть комплексными и достаточно формализованными, чтобы позволять их автоматизацию. Таким и может быть системный синтез.

Системный синтез предполагает создание методик проектирования, которые позволяли бы одновременно учитывать возможно большее число параметров, характеристик, обстоятельств и условий, влияющих на технический облик создаваемой системы в целях:

1)       принятия решения в условиях большой неопределенности (на уровне аванпроектных разработок),

2)       улучшения качества (обоснованности) принимаемых проектных решений за счет многовариантного рассмотрения и. уменьшения влияния субъективного подхода к решению некоторых задач.

Другими словами, системный синтез ставит целью установить такой порядок принятия решений и правила их принятия, который позволил бы учитывать максимально возможное число проектируемых свойств к данному моменту времени.

Процесс создания сложной технической системы представляет собой совокупный труд с разнообразными видами деятельности: анализ задачи и административные шаги; оптимизация; расчет; выбор прототипов из существующих схем и структур; определение рационального состава смежных организаций и выработка технического задания им; синтез новой. структуры и ее исследование; получение, хранение, преобразование, тиражирование и поиск информации; консультирование на стадии опытного изготовления, анализ результатов испытаний, планово-экономические расчеты; уточненные расчеты технических характеристик; внесение изменений и исправлений с соответствующими дорасчетами, контроль за соблюдением норм и правил и т.д.; административный контроль за ходом разработки и внесение изменений в организацию работ и т.д. и т. п.

Некоторые виды деятельности носят формальный характер (хранение информации, изготовление и тиражирование технической документации и т. д.); в общем балансе времени они составляют более половины и поддаются автоматизации, с помощью математических методов и средств вычислительной техники.

Другие виды деятельности возможно формализовать лишь частично (поиск и оптимизация проектных параметров, внесение изменений в проект, анализ результатов испытаний и др.).

Отдельные виды деятельности на современном уровне формализовать не представляется возможным (эвристическая деятельность проектировщика), но тем не менее возможно разработать оценочные критерии эффективности и использовать экспертные оценки.

Системный синтез в значительной степени опирается на унификацию методико-алгоритмического и аппаратного обеспечения, что уже дает следующие преимущества:

1.       значительно сокращается время проектирования,

2.       расширяется количество рассматриваемых вариантов,

3.       улучшается технико-экономические показатели в рекомендуемом варианте,

4.       улучшается работа со смежными организациями за счет большей обоснованности частных технических заданий,

5.       вследствие сокращения трудовых затрат на формальные виды деятельности, снижается стоимость проектирования,

6.       существенно улучшается качество технической документации, автоматизируется ее выпуск, улучшается процесс внесения изменений в проект,

7. сокращается время и улучшается качество технологической подготовки производства; это позволяет осуществлять рациональное планирование производства.

Перечисленные выше преимущества носят общий характер для проектирования большинства сложных технических систем. Порядок, в котором они здесь перечислены не имеет значения. В каждом конкретном случае вес и значение каждого из преимуществ определяется глубиной и широтой охватываемых при проектировании проблем, в соответствии принципом сложности В. В. Солодовникова. Представляется необходимым подчеркнуть еще одно очень важное преимущество, которое состоит в следующем. Создание больших систем является отображением опыта и знаний проектировщиков на момент создания системы; если такие системы снабжены качественными описаниями, то в дальнейшем мы получаем возможность использовать опыт других проектировщиков. Качественно новый эффект от такого использования опыта проектировщиков видится в том, что сокращается, время, расходуемое на внешние консультативные контакты и совещания, которые в условиях развитой кооперации требуют много времени, не всегда эффективны и часто носят неконструктивный характер.

Кроме того, системный синтез позволяет предусмотреть возможность развития ИСУ, учитывать не только накопленный опыт, но и осуществлять прогноз будущих требований с учетом возможности постоянной модификации. Все это позволяет функционировать ИСУ как развивающейся системы.

Несмотря на сложность и трудоемкость использование системного синтеза ИСУ дает возможность проектировать сложные технические системы теме же силами, но быстрее, дешевле и качественнее.

Система управления (СУ) является важной подсистемой космического летательного аппарата (КА). От остальных подсистем КА ее отличает следующее:

1.       СУ работает почти во всех режимах работы КА и поэтому выполнение задач аппарата в полном объеме зависит от ее точной и надежной работы.

2.       СУ функционально и информационно связана с большинством других подсистем КА.

3.       Свойства СУ (точность, надежность и т. п.) связаны со свойствами других подсистем КА (через расходы топлива с объемом и конструкцией топливных баков, через точность исполнения коррекций - с выполнением основных задач КА и т. д.).

Эти и некоторые другие отличия, выделяют СУ КА из ряда обычных подсистем, поэтому разработке и внедрению машинно-ориентированных методов проектирования систем управления должно быть уделено особое внимание. Разработку проблемы комплексного подхода к проектированию целесообразно вести в тесной взаимосвязи в техническом, методическом и организационном аспектах.

1. Технической основой реализации такого подхода является:

во-первых, наблюдаемое в последние годы бурное развитие вычислительной техники приведшее к созданию бортовых ЦВМ, способных реализовывать сложные программа с развитой логикой, обеспечивая решение, разнообразных задач;

во-вторых, постоянное совершенствование командно-измерительных приборов (в том числе с цифровым выходом), наметившиеся тенденции к универсализации их использования на борту;

в-третьих, наличие цифровой (информационной) связи между датчиком и исполнительными органами (через БЦВМ без существенной перекодировки).

2. С методической точки зрения повышение требований к СУ и сложность решаемых задач с одной стороны и наличие многообразных возможностей их решения, с другой стороны, требует:

- разработки формализованных методов решения, допускающих рассмотрения большого числа вариантов за приемлемое время,

-  разработки методов определения проектных параметров СУ с достаточной, для соответствующего этапа проектирования точностью.

3.       Организационный аспект проблемы состоит в том, что использование системного синтеза может существенно повлиять на организацию уже сложившегося, традиционного процесса проектирования (особенно сильное влияние оказывает унификация).

Системный синтез предполагает разработку системы (в нашем случае ИСУ) в виде интегрального целого с учетом всех факторов пропорционально их весу и значимости на всех этапах создания системы, исходя из условий ее оптимизации, реализации, функционирования.

Подобный подход позволяет сформировать задачу проектирования ИСУ как единой системы, предназначенной: 

а) для получения информации (о параметрах движения, внешних условиях, состоянии объекта, командах центра управления);

б) для преобразования информации в удобный для БЦВМ вид и выработки программы дальнейших действий и команд;

в) для оценки возможности достижения поставленной цели, а в случае отрицательного ответа – для синтеза новой цели на основе постоянно пополняемых баз данных и знаний.

Исходя из этого, система управления по прохождению информации может быть представлена состоящей из трех основных блоков:

- блок получения информации,

- блок обработки информации и принятия решений,

- блок реализации решений.

Проектирование сложной технической системы представляет собой итеративный процесс принятия решений по определению совокупности функциональных подсистем, способных выполнить все требуемые функции с последующим определением совокупности устройств, из которых реализуются указанные подсистемы. Процесс проектирования можно представить как замкнутый цикл, который содержит: установление цели данного цикла проектирования; процесс принятия решении; оценка решений данного цикла; формулирование цели следующего цикла.

Это хорошо иллюстрируется схемой с обратными связями,

 

 

где проектирующий орган - любая группа организованных и технически оснащенных проектировщиков.

Процесс комплексного проектирования системы управления может быть разделен на несколько стадий:

1. Анализ требований и факторов, влияющих на проектирование.

2. Разработка множества альтернативных вариантов.

3. Составление списка свойств, характеризующих систему управления. Формирование критериев.

4. Составление модели функционирования системы управления.

5. Выбор оптимального варианта системы управления (принятие решения).

Порядок перечисления этих стадий (за исключением последнего) не имеет особого значения вследствие итеративности процесса проектирования.

Ниже эти стадии рассмотрены более подробно.

Анализ задач полета и свойств СУ, влияющих на проектирование.

На этой стадии проектирования производится следующее:

а)       формирование задач и условий полета;

-         назначение КА,

-         схема полета и ее возможные варианты,

-         распределение функций между бортовым комплексом и

наземным командно-измерительным комплексом (НКИК),

-         оценка возможных аварийных ситуаций,

-         разработка планов наземных и летных испытаний КА и его

частей (ресурсы, сроки).

б)       определение и анализ:

-         баллистических параметров,

-         конструктивных параметров собственно космического аппарата и его составных частей (веса, моменты инерции, геометрические размеры, аэродинамические характеристики),

-         характеристики исполнительных органов (количество, тип создаваемого управляющего воздействия, диапазон регулирования и т.д.),

-         виды и уровень возможных возмущений.

в) Подготовка и анализ требований, предъявляемых к характеристикам системы управления.

Требования, предъявляемые к системам управления могут быть трех видов: функциональные, технические, технологические.

Разработка множества альтернативных вариантов.

Альтернативным вариантом системы называется любой вариант технической системы, отличающийся от других хотя бы по одному из свойств, учитываемых на данном этапе проектирования.

Качество проектирования в значительной степени зависит от количества рассмотренных альтернативных вариантов и качества их разработки. Количество рассматриваемых вариантов растет с ростом сложности задач, стоящих перед СУ, и глубиной рассмотрения. Поэтому для каждого конкретного исследования должен быть определен разумный уровень детализации, от которого зависит количество рассматриваемых альтернатив.

Существенное облегчение этого процесса может обеспечить применение метода декомпозиции, т.е. рациональное разделение интегрированного целого на части с целью упрощения исследования с последующим обобщением результатов.

В настоящей работе декомпозицию предлагается осуществлять:

- по уровням анализа,

- по назначению компонент каждого уровня.

Целесообразно рассматривать три уровня анализа:    

-         функциональный,

-         алгоритмический,

-         структурный.

Перечисленные уровни анализа находятся в иерархической зависимости; схематично эти уровни можно представить следующим образом:

 

Для системного синтеза ИСУ с учетом технической реализации, четвертым уровнем анализа (иерархически подчиненным третьему структурному уровню) является уровень технической реализации.

Множество альтернативных вариантов можно изобразить иерархической сетью (рис. 1).

Так как возможны (подчас и желательны) случаи, когда несколько элементов r -того иерархического уровня объединяются на одном элементе (r+1) иерархического, уровня, то иерархическая сеть имеет неоднородный вид. Например, на рис. 1 элемент третьего иерархического уровня  V[0, 1, (1, 2, 4), f]  реализует три элемента второго иерархического уровня V[0, 0, (1, 2, 4, f).

 

 

 

 

Символически это можно записать так:

 

Декомпозицию по назначению компонент функционального уровня целесообразно проводить следующим образом:

1.       Навигация-определение координат и скорости объекта посредством измерений и вычислений.

2.       Наведение-определение желательного закона движения и управления центром объекта, исходя из текущих значений его координат и скорости, а также конечных целей, либо других условий движения, которые необходимо выполнить.

3.       Ориентация - определение желательного закона движения относительно центра масс.

4.       Регулирование-создание управляющих сил, воздействующих на объект и вынуждающих его двигаться по закону, который близок к желаемому; регулирование может быть разделено, в свою очередь, на две функции:    .

а)       стабилизация - удержание вектора состояния относительно центра масс и вектора состояния центра масс в заданных пределах и с заданной точностью;

б)       маневр (развороты, исполнение программ тангажа и т. д.).

Функции СУ могут быть реализованы несколькими группами алгоритмов, каждую из которых в общем случае можно рассматривать как обеспечивающую три основных режима:

1)       номинальный,

2)       диагностический (в режиме  проверок),

5)      адаптивный (в аварийных режимах).

          На структурном уровне декомпозиции систему управления можно разделить на следующие компоненты:

-         блок получения информации (блок командно-измерительных приборов),

-         блок обработки информации и принятия решений (БЦВМ),

-         блок исполнительных органов.

Свойства системы. Формирование критериев.

Чтобы охарактеризовать техническую систему, обычно используется несколько терминов ("характеристика", "фактор", "параметр" и т. д.). Они употребляются для обозначения довольно сходных между собой понятий. В настоящей работе принят термин "особенное", который объединяет все ранее использовавшиеся термины. Особенное - философская категория, выражающая реальный предмет как целое в единстве и соотнесении его противоположных моментов – единичного и общего.

Особенностью системы называется множество ее сторон, выделяющее  в сравнении данной системы с другой.

Особенность системы - все множество параметров, технических характеристик и обстоятельств создания систем (вес, надежность, стоимость, время создания, технический и научный задел, перспективность по какому-нибудь признаку и т. д.).

Необходимость введения подобного термина объясняется тем, что при системном синтезе, как правило, одновременно используются такие разнородные понятия как устойчивость, вес, стоимость, надежность и т. д. Каждое множество объединенных по какому-либо признаку характеристик системы, позволяющее выявить различия или общность с другой системой, является свойством системы. Объединение свойств системы определяет ее особенность.

Можно указать несколько групп свойств:

1. Свойства,         характеризующие функциональные качества работы системы управления:

-         точность,

-         расход рабочего тела,

-         динамические качества (устойчивость, быстродействие),

-         рабочие диапазоны,

-         структурная надежность и т. д.

2.       Свойства, характеризующие технологические и производственные аспекты создания систем управления:

-         стоимость

-         время разработки, время создания,

-         технологичность,

-         преемственность разработки и степень унификации,

-         наличие научно-технического задела, производственных мощностей и специалистов,

-         дефицитность используемых материалов и т. д.

3.       Технические свойства:

-         вес,

-         энергопотребление,

-         габариты, объем и особые требования к конструкции,

-         надежность элементной базы и блоков,

-         допустимый диапазон внешних условий (перегрузки, вибрации, температурные режимы, радиационная стойкость и так далее),

 -        помехозащищенность и т.д.

Кроме этих групп свойств, существует ряд факторов, которые могут существенно влиять на процесс принятия решения:

-         рациональное распределение функций между автономными, неавтономными и      наземными подсистемами,

-         морально - политические соображения (престиж, политический эффект и т. д.), 

-         желательность проверки новых принципов построения какой-либо системы и т.д.

При проведении системного синтеза отбирается ограниченное число (перечень) наиболее важных свойств, из которых в дальнейшем составляются критерии эффективности. При этом предполагается, что отобранные свойства достаточно хорошо описывают систему; их состав и количество достаточны для принятия обоснованного решения. В основу технологии отбора можно положить принципы жизнедеятельности живых организмов.

Мышление живых организмов, их восприятие, способность предвидеть изменение ситуации опираются на специфические методы обработки информации, отличные от компьютерных алгоритмов. Окружающая среда, в которой функционирует живой организм, описываются огромным количеством параметров в фазовом пространстве. Некоторое количество параметров является определяющими (ключевыми, доминирующими, параметрами порядка) и именно эти параметры используются организмами для анализа окружающей среды и прогнозирования. Существуют проекции на подпространство меньшего количества  переменных, с достаточной степенью  адекватности  отражающих ситуацию  в исходном пространстве переменных. Подобные подпространства  называются руслами.

Количество ключевых параметров (размерность русла), достаточно хорошо отражающих исследуемый процесс, как правило, невелико. В практических приложениях размерность русла определяется априорной и апостериорной информацией об исследуемом объекте и вычислительными возможностями БЦВМ.

Для определения русла необходимо разработать соответствующую методику: сформировать ансамбль критериев, по которому отбираются ключевые параметры. Однако в процессе функционирования исследуемого динамического объекта с течением времени окружающая среда, и состояние объекта могут существенно изменяться. В этом случае выбранные ключевые параметры могут перестать адекватно, отражать исследуемые процессы – русло меняется. При исследовании системы управления КА такие ситуации появляются, например, при интенсивном маневрировании. Появляются параметры, которые раньше не являлись определяющими, а теперь именно они характеризуют исследуемый процесс. В тоже время некоторые ключевые параметры становятся несущественными при описании процесса.

Возможно, возникновение другой ситуации, когда русло закончилось, а новое русло определить не представляется возможным. В этом случае выделить ключевые параметры не удается: неопределенность ситуации и количество параметров, определяющих процесс, резко увеличивается.

 В фазовом пространстве подобные области называются областями джокеров и их исследование представляет собой отдельную проблему.

На основе, составленного перечня свойств, характеризующих систему, можно составить критерий или группу критериев, который позволял бы:

а)       судить о пригодности (преимуществах) создаваемой системы,

б)       составлять "переговорное множество СУ" (упорядоченное множество вариантов СУ, оставленных для дальнейшего рассмотрения по еще неиспользованным свойствам).

Критерии составляются как функции свойств систем. На различных этапах принятия решения используются различные критерии, причем, чем выше уровень принятия решения, тем больше свойств СУ должен учитывать критерий. Это положение иллюстрирует рис. 2.

Критерии могут быть обобщенными и частными. Обобщенный критерий характеризует особенность СУ и позволяет выбрать оптимальный вариант построения СУ с учетом взаимосвязи ее свойств.

Частный критерий характеризует часть процесса проектирования или одну из его сторон и служит для принятия решения на промежуточных этапах проектирования. Для принятия решения при выборе вариантов СУ КЛА можно сформулировать несколько достаточно общих критериев. При решении практических задач часть критериев может задаваться разработчиками ракетно-космического комплекса, часть - разработчиком СУ, а часть из них совместно. Здесь вопросы распределения функций по заданию критериев не обсуждаются.

 

 

 

 

 

 

 

 

Критерий «выполнение запланированного объема работ»

Программа полета делится на участки,- внутри которых характер операций и их количество не изменяется или изменяется достаточно мало. Каждому i-тому участку экспертным порядком назначаются числовые коэффициенты важности (экспертные оценки Еi , i=1,…,n,

Экспертные оценки должны учитывать количество и важность получаемой информации или количество и важность выполняемых операций. Экспертная оценка может учитывать также слабоформализуемые свойства информации, получение которой обеспечивается данной СУ (научная ценность, морально-политические аспекты, перспективность и т. д.). Сумма экспертных оценок СУ по всем участкам определяет оценку работы за весь полет

где  n - количество участков циклограммы.

Тогда работу реальной, СУ или оценку работы CУ при моделировании можно проводить по критерию

 

где Е - сумма, оценок выполненных операций.

При Kв = 1 - весь объем запланированных работ выполнен, при Kв = 0 - не выполнено ни одной из намеченных операций.

Этот критерий допускает проводить учет качества выполнения заданного объема работ на каждом этапе введением соответствующего коэффициента.

Критерий "сумма информации".

Работа автоматических космических аппаратов обычно связана с получением и доставкой получателю определенного объема информации в какой-либо форме. Причем, самые важные участки полета, с точки зрения получения и передачи информации на Землю, прямо зависят от качества работы системы управления.

В этом случае все планируемые результаты полета можно выразить в единицах информации и, следовательно, можно характеризовать успешность полета объемом полученной информации.

Получаемую информацию можно подразделить на три категории:

- научную,

- научно-техническую (о работе бортовых и наземных элементов системы управления),

- служебно-техническую (о работе и организации всей службы запуска и управления, включая качество и скорость принятия решения в нерасчетных ситуациях).

Объем получаемой информации для штатного полета может быть оценен заранее с необходимой точностью. Тогда "успешность" полета можно характеризовать отношением

,

 

где I0 - планируемый объем информации,

      I - объем информации, фактически полученный в данном эксперименте, полете.

Разделение общего объема информации на научную, научно-техническую и служебно-техническую позволяет оценить соответствующую сторону полета, эксперимента. Это особенно удобно на этапе ЛКИ, когда особый упор делается на две последние категории информации.

Критерий «получение определенного объема информации»

Этот критерий полнее и более гибко отражает свойство СУ обеспечивать работу приборов, непосредственно воспринимающих требуемую информацию (фотоаппаратов, телевизионной аппаратуры и так далее);

Существо его состоит в том, что оценка успешности полета определяется как функция

,

где    n - число участков полета,

Ui - объем информации, которую предполагается получить на данном ( i -том) участке полета,

Pi - вероятность безотказной работы СУ на i -том участке. Несомненным преимуществом критерия является отражение реально существующей связи между выполнением основных задач полета и состоянием системы управления.

Трудность применения этого критерия является следствием того, что на предварительных этапах проектирования предполагаемые составные элементы системы управления не обеспечены достаточно достоверными данными по надежности.

Выбор оптимального варианта системы.

Процесс принятия решения - это выбор оптимального варианта из числа возможных на основе одного критерия или множества критериев, учитывающих требования, предъявляемые к системе.

В многокритериальных задачах оптимизации множеству критериев соответствует множество функций цели  линейного , и нелинейного  вида.

На переменные Xj (j = 1,...,R) могут быть наложены следующие ограничения

линейные АХ = В, X > 0,

где А – прямоугольная матрица коэффициентов размерности (m x m)

      B- вектор-столбец (m x 1);

          нелинейные qi (Xi,…,Xn)=0, (i=1,…,m).

Решением многокритериальной задачи является вектор , оптимальный по каждому из множества используемых критериев f. Такое решение возможно лишь для множества непротиворечивых критериев. Для большинства практических задач такой вектор не существует именно вследствие противоречивости критериев.

Поэтому решением многокритериальной задачи считают такое решение, которое может не являться оптимальным ни по одному из критериев, но оказывается лучшим для заданного множества критериев. Такое решение многокритериальной задачи называется компромиссным; вариант системы управления, соответствующий этому решению, называется компромиссным вариантом. Критерии оптимизации и ограничения формулируются на основе анализа списка свойств системы управления с учетом конкретных требований. Качество принятия, решения в многокритериальных задачах (точность и скорость) зависит от выбора критериев и ограничений, а также от организации процесса принятия решения. Следует иметь в виду, что количество альтернативных вариантов очень быстро растет с увеличением числа элементов каждого уровня иерархической сети. Анализ большого количества альтернативных вариантов является одной из наиболее сложных проблем комплексного проектирования систем.

В общем случае рациональный порядок принятия решения можно сформулировать следующим образом:

1. Формулируется цель.

2. Составляется возможно полный список альтернатив.

3. Составляется возможно более полный перечень факторов (ограничений, критериев, отдельных свойств).

4. Список рассматриваемых факторов используется для уменьшения числа альтернатив, при этом обращается внимание на причину исключения каждой альтернативы.

5. Оставшиеся варианты используются для сокращения числа факторов из общего начального списка, как утративших силу по отношению к оставшемуся множеству альтернатив.

После выполнения перечисленных выше шагов могут получиться следующие ситуации:

- не осталось никаких вариантов (получено вырожденное решение). Тогда нужно снова рассмотреть полный перечень факторов и если не удается его изменить в нужную сторону (например, изменением требований), то необходимо составлять новое множество альтернативных вариантов.

- осталось несколько равнозначных вариантов. Тогда применяется дополнительный фактор к имеющемуся перечню, по которому можно отдать предпочтение какому-либо варианту или, если такой фактор неизвестен, то вариант выбирается случайным образом.

- остался только один вариант, тогда монет быть принят в качестве решения именно этот вариант. Если это недопустимо, то снова рассматриваются близкие альтернативы, которые ранее были отброшены.

- остался только один фактор, влияющий на выбор. В этом случае решается однокритериальная задача оптимизации с помощью одного из хорошо разработанных методов.

 При поэтапном принятии решения следует иметь в виду, что между уровнями принятия решения имеются обратные связи. После каждого шага возможно возвращение на предыдущие уровни для уточнения решения.

Анализ факторов, определяющих преимущества системного синтеза.

Повышение эффективности системы управления при системном синтезе может быть достигнуто за счет следующих, факторов:

1. Перераспределение предъявляемых к СУ требований с учетом их взаимосвязи и с учетом их связи с требованиями, предъявляемыми к КА в целом (т. е. к системе, находящейся на более высоком уровне иерархии).

Например, требования на вес СУ и ее энергопотребление задаются раздельно. Однако, с точки зрения; требований к КА в целом, они взаимосвязаны, так как уровень энергопотребления определяет вес источников питания и, следовательно, есть возможность повысить эффективность СУ за счет выбора ее веса и энергопотребления, обеспечивающими минимизацию веса КА.

Аналогично можно использовать имеющуюся взаимосвязь между точностью и надежностью, расходом рабочего тела и точностью, надежностью и весом приборов и т. п.

Перераспределение требований может быть осуществлено следующими путями:

- нахождение аналитических зависимостей между отдельными  свойствами.

Такой путь удобен при наличии взаимосвязей, поддающихся математическому описанию. Так, точность можно определить через вероятность отклонения параметров СУ от заданного значения и, в свою очередь, вероятность отклонения параметров СУ через вероятность отклонения параметров отдельных приборов, что позволяет установить взаимосвязь между надежностью приборов и точностью СУ,

- организация процесса проектирования с осуществлением обратных связей между иерархическими уровнями анализа для согласования критериев нижнего уровня с глобальными критериями (критериями верхнего уровня).

Примером такого подхода может быть указанное выше установление взаимосвязи между весом и энергопотреблением.

- статистическая обработка данных о характеристиках разработанных и проектируемых систем и приборов.

Такой путь удобен при наличии достаточно большого объема статистических данных и относительно малой зависимости соотношений между анализируемыми характеристиками от других свойств системы.

Например, для отдельных групп КА можно получить зависимости между точностью и надежностью приборов и их весом и энергопотреблением.

- проведение экспертных опросов с целью установления относительной важности отдельных требований и характеристик.

Подобный подход наиболее удобен при затруднениях с составлением модели, описывающей взаимосвязь характеристик. В частности, использование экспертных оценок дает возможность определить относительную важность отдельных этапов полета и режимов, что позволяет соответствующим образом распределять надежностные требования к СУ.

2.Комплексное использование и унификация приборов, входящих в состав СУ.

БЦВМ, инерциальные измерители широко используются для выполнения разнообразных функций в СУ. В последнее время наметилась тенденция комплексного использования и других приборов, отдельных блоков. Так, создаются радиокомплексы, обеспечивающие измерение параметров и при встрече КА, и при посадке на поверхность планет.

Комплексирование приборов и унификация наряду с очевидными преимуществами может привести к нежелательным последствиям: усложнению их отработки, необходимости размещения прибора в отсеке КА, который должен функционировать в течение всего времени использования прибора, хотя весовые ограничения для такого отсека могут быть очень жесткими (так, большие трудности возникают при установке приборов в спускаемых аппаратах) и т. п. В связи с этим только комплексный учет всех свойств системы дает возможность определить

рациональную степень универсализации приборов.

3. Улучшить характеристики системы управления в ряде случаев возможно и за счет комплексирования функций, выполняемых подсистемами СУ.

Анализ взаимосвязи между отдельными подсистемами позволяет определять целесообразность разработки алгоритмов, обеспечивающих выполнение сразу нескольких функций, что может привести к более эффективному использованию приборов и повышению качества работы СУ, хотя и делает алгоритмы более сложными. Например, для ряда типов КА взаимосвязь между системой ориентации и автономной навигации оказывается настолько тесной, что для увеличения точности целесообразно создавать общий унифицированный алгоритм управления для указанных систем. С точки зрения облегчения разработки матобеспечения БЦВМ и сокращения номенклатуры приборов может оказаться целесообразной разработка единого унифицированного алгоритма наведения на различных участках полета КА.

4. Системный синтез моделей ИСУ позволяет определить рациональную степень их декомпозиции по функциям и характеристикам с учетом сложности и обеспечиваемой точности исследования. Варьировать размерность прогнозирующих моделей в зависимости от точности и горизонта прогноза.

Наряду с рассмотренными преимуществами, обеспечивающими улучшение характеристик ИСУ системный синтез дает и другие преимущества:

-возможность более тщательного анализа последствий решений, принимаемых на ранних этапах проектирования, за счет исследований влияния на характеристики ИСУ большого количества факторов их взаимосвязи и анализа большого количества вариантов;

- большую оперативность при проектировании за счет неизбежной формализации и унификации процесса проектирования и широкого использования машинных методов исследования, что бывает особенно ценным на ранних этапах проектирования (этап подготовки технических предложений) а также при автоматическом проектировании ИСУ в процессе функционирования космического аппарата,

- наиболее эффективно использовать преимущества унификации программно-алгоритмического и приборного состава ИСУ и СУ, в частности.

Необходимо отметить, что эффект от преимуществ системного синтеза в значительной степени определяется характером решаемой задачи проектирования, при этом эффект увеличивается с ростом количества варьируемых параметров ("входов") и допусков на их изменение.

Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2018 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)