CC BY
81
УДК 681.3
М.Ф. Степанов, Т.М. Брагин, А.М. Степанов
ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДСТВ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ
Специфические особенности организации интеллектуальных самоорганизующихся систем автоматического управления обусловили необходимость введения многоуровневой системы распределённых вычислений. Выделяются уровни систем и объектов, компонентов систем управления, отдельных этапов и шагов алгоритмов управления и самоорганизации.
Интеллектуальные самоорганизующиеся системы, распределённые вычисления
M.F. Stepanov, T.M. Bragin, A.M. Stepanov
FEATURES OF MODELLING INTELLECTUAL SELF-ORGANISING SYSTEMS OF AUTOMATIC CONTROL WITH USAGE OF RESOURCES OF PARALLEL
CALCULATIONS
Specific features of the organisation intellectual self-organising automatic control systems have caused necessity of introduction of multilevel system of the distributed
calculations. Levels of systems and objects, components of the control systems, separate stages and steps of control algorithms and self-organising are selected
Intellectual selforganising systems, distributed computing, modeling and simulation
Необходимость координированного децентрализованного управления совокупностью объектов произвольной физической природы, возможно, взаимосвязанных и взаимодействующих, расширяет сферы применения интеллектуальных самоорганизующихся систем автоматического управления (ИССАУ) [1]. Сложность системной организации создаваемой при этом иерархической системы децентрализованного управления создаёт дополнительные трудности как на этапе проектирования, так и на этапе исследования, осуществляемого методами математического моделирования.
Данная работа посвящена вопросам совершенствования средств моделирования ИССАУ на основе использования методов распараллеливания вычислений.
С учётом системной организации ИССАУ можно выделить следующие виды возможного параллелизма вычислительного процесса моделирования иерархически взаимосвязанной совокупности ИССАУ, осуществляющих координированное децентрализованное управление совокупностью возможно взаимодействующих объектов:
- параллельное моделирование различных объектов управления;
- параллельная обработка алгоритмов функционирования различных ИССАУ;
- параллельное моделирование функционирования различных компонентов каждой отдельно взятой ИССАУ.
При этом первый и второй виды параллелизма можно реализовать либо посредством размещения вычислительного процесса на различных узлах вычислительной сети, либо с помощью отдельных взаимодействующих потоков команд (нитей) в пределах одного узла.
Третий вид параллелизма также может быть реализован посредством использования потоков команд. Однако здесь могут быть использованы и аппаратные средства, обеспечивающие распараллеливание вычислений. При этом помимо многоядерных процессоров, возможно применение и специальных вычислительных устройств, например, нейроплаты типа МЦ 4.01, на которых, помимо скалярного процессора, имеется и векторный, осуществляющий выполнение операций векторного умножения за 1 такт. Наличие у каждого процессора собственной памяти, общей памяти для всех процессоров, возможностей организации обмена данными между процессорами платы, а также персональным компьютером позволяет отнести такой подход к распараллеливанию вычислений к системам с неоднородным доступом к памяти.
Модификация системы моделирования ИССАУ «МИССАУ» [1], реализующая указанные виды параллелизма, получила название МИСС-Р. Она представляет собой клиент-серверную систему, в которой выделяются:
- клиентское приложение, осуществляющее взаимодействие с пользователем, формирующее постановку задачи моделирования, запуск отдельного потока команд (нити) для осуществления основного цикла моделирования, в ходе которого осуществляется распределение подзадач для серверов моделирования компонентов ИССАУ (объектов управления, среды функционирования, собственно ИССАУ);
- сервер моделирования объектов управления;
- сервер моделирования сред функционирования ИССАУ;
- сервер моделирования ИССАУ, включая такие сложные компоненты, как решающая (планирующая) и исполнительные подсистемы, осуществляющие автоматическое решение [2] задачи синтеза закона управления в изменяющихся условиях функционирования ИССАУ.
Для организации взаимодействия клиентского приложения и серверов, осуществляющих основные вычисления, в процессе моделирования разработан протокол обмена информацией, предусматривающий идентификацию участников и сеанса работы. При этом как в клиентском приложении, так и на серверах основной поток команд обслуживает интерфейс с пользователем (для серверов это соответствует отладочному режиму). Взаимодействие с другими компонентами распределённой системы моделирования организуется в отдельных потоках команд, что приводит к необходимости их синхронизации.
В настройках серверных приложений системы МИСС-Р можно указать необходимость использования в ходе моделирования нейроплаты МЦ 4.01. При этом, если на компьютере указанная нейроплата отсутствует, осуществляется эмуляция её использования.
На рис. 1 приведены экранные формы клиентского приложения и серверов в процессе решения задачи моделирования совокупности из четырёх ИССАУ, управляющих четырьмя объектами. Для серверов включён режим протоколирования обмена данными.
На рис. 2 приведены результаты решения задачи моделирования, в которой одна ИССАУ назначена старшей для остальных ИССАУ. Требования к точности регулирования, предъявляемые к подчинённым ИССАУ, более жёсткие, чем значения, задаваемые их собственными целями управления.
Рис. 1. Экранные формы клиентского приложения Рис. 2. Переходные процессы в управляемых
и серверов «Объект управления», «Среда объектах (цифрами обозначены графики
функционирования САУ», «Интеллектуальная переходных процессов по регулируемым
самоорганизующаяся САУ» в процессе переменным соответствующих объектов
моделирования управления)
Исследование (моделирование) рассмотренной совокупности из четырех ИССАУ, управляющих закрепленными за ними объектами, осуществляется в следующей последовательности:
1. Автономное моделирование объектов управления без управляющих воздействий на отрезке времени от 0 до 1 с.
2. Моделирование на отрезке времени от 1 до 10 с объектов управления с управляющими воздействиями, вырабатываемыми системами управления по закону управления, предварительно построенному самостоятельно каждой системой управления в соответствии с индивидуальными требованиями целей управления. Самоорганизация не включена. Старшая ИССАУ оценку подчиненных не выполняет.
3. Начиная с 5 с величина внешнего возмущения становится в два раза больше номинального, что приводит к невыполнению требований целей управления всех ИССАУ.
4. На отрезке времени от 10 до 20 с выполняется моделирование с включенной самоорганизацией. Параметры самоорганизации: период 1 с, скорость самоорганизации 0,1.
5. Начиная с 30 модельного времени старшая САУ начинает формировать оценки для подчиненных САУ, которые их учитывают в моменты самоорганизации.
Результаты моделирования (см. рис. 2): 1) управление без самоорганизации обеспечивает установившуюся ошибку, удовлетворяющую требованиям собственных целей управления при действии номинального внешнего воздействия; 2) увеличение внешнего возмущения приводит к невыполнению собственных целей управления в условиях отключенной самоорганизации; 3) управление с самоорганизацией обеспечивает значение установившейся ошибки удовлетворяющей собственным целями управления; 4) посредством выдачи качественной оценки (хорошо/плохо) старшая ИССАУ «навязывает» подчиненным ИССАУ новые требуемые значения установившихся ошибок, которые успешно отрабатываются средствами самоорганизации подчиненных ИССАУ, обеспечивая установившуюся ошибку удовлетворяющей требованиям старшей ИССАУ.
Проведённые исследования показали целесообразность применения параллельных вычислений в задаче моделирования ИССАУ. Дальнейшие исследования направлены на сравнительный анализ применения различных методов распараллеливания в распределённой вычислительной сети, таких как МР1, РУМ, ОрепМР, ББРИЬ и др. как в системах с неоднородным доступом к памяти, симметричных мультипроцессорных системах, так и в кластерных системах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Степанов М.Ф. Интеллектуальные самоорганизующиеся системы автоматического управления / М.Ф.Степанов. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2002.
2. Степанов М.Ф. Автоматическое решение формализованных задач теории автоматического управления / М.Ф. Степанов. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2000.
Степанов Михаил Фёдорович -
доктор технических наук, профессор кафедры «Техническая кибернетика и информатика» Саратовского государственного технического университета
Брагин Тимофей Михайлович -
аспирант кафедры «Техническая кибернетика и информатика» Саратовского государственного технического университета
Степанов Андрей Михайлович -
аспирант кафедры «Системы искусственного интеллекта» Саратовского государственного технического университета
Статья поступила в редакцию 25.09.09, принята к опубликованию 25.11.09
