ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования.

В последние десятилетия возрос интерес к специализированным устройствам и промышленным контроллерам, применяемым в системах управления техническими объектами, основанных на нечёткой логике, которая позволяет учитывать неопределенность в процессе принятия управляющих решений с учетом переходов от четких данных к нечетким и обратно в процессе вычислений.

Разработкой подобных устройств занимались такие ученые, как Новиков Д.А., Схиртладзе А. Г., Батищев Д.И., Кожевников Д. В., Гречишников В. А., Кирсанов С. В., Золотухин Н.М. и другие. Также в этой области зарубежные учёные достигли существенных успехов - Л. Заде,

Саймон Г., Lee J.-K., Kohler E., Fuju T.

В последнее время для интеллектуализации цифровых устройств вычислительной техники применяются элементы искусственного интеллекта, прежде всего - нейронные сети и нечеткие модели.

Степень разработанности проблемы. В развитие теории и практики применения в устройствах управления сложными адаптивными нечеткими и нейро-нечеткими системами большой вклад внесли российские и зарубежные ученые: Поспелов Д.А., Пегат А., Андрейчиковы А.В. , Ципкин Я.З, Растригин Л.А., Бернштейн Л.С., Круглов В.В., Мелихов А.Н. , Ротштейн А.П., Попов Ф.А., Еремеев А.П., Черноруцкий И.Г., Комарцова Л.Г., Мамдани М., Кудинов Ю.И., Малышев К.Г., Zadeh L., Sugiura H., M. Sugeno, Takagi T., Tanaka H., Turksen I.B., Yager R.R., Yasukawa T., Wang L.X. и др. Тем не менее, в работах представленных ученых мало проработаны вопросы, связанные с применением интеллектуальных нечетких систем при проектировании устройств на базе ПЛИС.

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки Российской Федерации в рамках грантов Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых № МД- 707.2017.8 (Исследование, разработка и моделирование методов мягкого управления робототехническими комплексами на основе адаптивных нейро-нечетких обучающих систем), а также Государственного задания № 2.3440.2017/4.6 (Разработка методов обеспечения живучести интеллектуальных бортовых систем управления беспилотных транспортных средств).

Цель диссертационной работы - повышение быстродействия процесса преобразования «напряжение-ток» в нечеткой системе управления охлаждением изделий.

В соответствии с целью работы были сформулированы и решены следующие основные задачи:

1. Анализ существующей элементной базы и современных вычислительных устройств, входящих в состав системы преобразования «напряжение-ток» на оборудовании с ЧПУ с целью обоснования выбранного направления исследования.

2. Разработка нечеткой математической модели вычисления силы тока, передаваемого на термоэлемент, на основе упрощённого нечёткого логического вывода и математической модели преобразования «напряжение- ток» для обеспечения требуемой силы тока на термоэлементе.

3. Разработка метода и алгоритма преобразования «напряжение- ток» для нечеткой системы управления охлаждением изделий, позволяющих повысить за счет параллельно-конвейерной обработки данных скорость принятия управляющих решений.

4. Разработка структурно-функциональной схемы системы управления охлаждением изделий, реализованной на устройствах нечеткого вычисления силы электрического тока, и быстродействующего устройства преобразования напряжения, их экспериментальные исследования.

Объект исследования: вычислительные процессы нечеткой обработки данных в устройстве преобразования напряжения.

Предмет исследования: нечеткие математические модели, алгоритмы и устройства параллельно-конвейерного преобразования «напряжение-ток» на основе упрощённого нечёткого логического вывода.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались теория нечёткой логики и множеств, методы математического моделирования, вычислительной статистики, регрессионный анализ, основы теории построения алгоритмов и проектирования вычислительных устройств и ЭВМ.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту:

1. Нечёткая математическая модель вычисления силы тока, передаваемого на термоэлемент, основанная на упрощённом нечётко­логическом выводе, позволяющая обеспечить вычисление силы тока, требуемой для охлаждения изделий при функционировании вычислительного устройства преобразования напряжения в нечеткой системе управления охлаждением изделий.

2. Математическая модель преобразования «напряжение-ток», позволяющая с помощью устройства преобразования напряжения обеспечить требуемый ток на термоэлементе.

3. Метод и алгоритм преобразования «напряжения-ток» для нечеткой системы управления охлаждением изделий, объединяющие математические модели в единое целое и позволяющие синтезировать устройство преобразования напряжение.

4. Быстродействующее устройство преобразования напряжения для нечеткой системы управления охлаждением изделий, обеспечивающее требуемый ток на термоэлементе.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Разработанный алгоритм управления температурным режимом позволил создать программу для ЭВМ № 2017663078 «Моделирование процесса управления температурным режимом в зоне резания», позволяющую повысить точность системы управления охлаждением изделий на основе упрощенного нечёткого логического вывода;

2. На основе созданной нечеткой математической модели вычисления силы тока, передаваемого на термоэлемент, разработаны способ и устройство для управления температурой в зоне резания (Заявка на пат. РФ № 2017129946), позволяющие обеспечить увеличение производительности системы охлаждения на 15%.

Реализация результатов работы.

Результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены в ООО «Компания «КурскИнформПродукт» в условиях опытно-промышленных испытаний системы преобразования напряжения для нечеткой системы охлаждением изделий, а также используются в учебном процессе кафедры «Вычислительная техника» Юго-Западного государственного университета в рамках дисциплин «Интеллектуальные системы» и «Автоматизированные нечётко-логические системы управления» направления 09.03.01 Информатика и вычислительная техника, что подтверждается соответствующими актами.

Соответствие паспорту специальности.

Согласно паспорту специальности 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления, проблематика, рассмотренная в диссертации, соответствует пунктам 1 и 2 паспорта специальности (1. Разработка научных основ создания и исследования общих свойств и принципов функционирования элементов, схем и устройств вычислительной техники и систем управления в части разработки быстродействующего устройства преобразования напряжения, 2. Теоретический анализ и экспериментальное исследование функционирования элементов и устройств вычислительной техники и систем управления в нормальных и специальных условиях с целью улучшения технико-экономических и эксплуатационных характеристик) в части разработки системы управления охлаждением изделий при их обработке на оборудовании с числовым программных управлением).

Апробация результатов исследования.

Диссертационная работа отражает результаты научных исследований, проводимых с 2014 по 2018 годы.

Основные теоретические положения и научные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на 15 международных и всероссийских научно - технических конференциях: Современные материалы техника и технологии (г.Курск, 2015); Интеллектуальные и информационные системы (г. Тула, 2015, 2016); Многоядерные процессоры, параллельное программирование, ПЛИС, системы обработки сигналов (г. Барнаул, 2016); Информационно­измерительные диагностирующие и управляющие системы (г. Курск, 2016);Новые информационные технологии и системы (г. Пенза, 2016); Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования (г. Вологда, 2016, 2017); Мехатроника, автоматика и робототехника (г. Новокузнецк, 2017); Промышленные АСУ и контроллеры (г. Москва, 2017); Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов (г. Курск, 2017); Инноватика (г. Томск, 2017); Нелинейная динамика машин - school-NDM (г. Москва, 2017); Десятая всероссийская мульти конференция по проблемам управления (г. Ростов-на- Дону, 2017); Современные инновации в науке и технике (г. Курск, 2018), а также на научно-технических семинарах кафедры «Вычислительная техника» Юго-Западного государственного университета (ЮЗГУ, 2014÷2018 гг.).

Личный вклад автора. Личный вклад автора состоит в непосредственном участии в проведении всех экспериментальных и теоретических исследований, апробации результатов исследования, подготовке докладов и публикаций по теме диссертации. Вся обработка и интерпретация полученных результатов выполнена лично автором.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 21 научная работа, в том числе 3 статьи, входящих в перечень ведущих научных рецензируемых журналов и изданий, 1 зарегистрирована в международных

базах данных Scopus и WoS, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 100 наименований и приложений. Работа изложена на 11 8 страницах машинописного текста и содержит 40 рисунков и 28 таблиц.