НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНЕ КОСМІЧНЕ АГЕНТСТВО УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ КОСМІЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ

Плішко Нінель Леонідівна

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

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.

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 зако-номір-ності перетворення інформації динамічними системами та сучасні технології розпізнавання та класифікації сигналів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. На-ве-де-ні в роботі результати досліджень одержано під час виконання конкурсних проектів: “Розробка гідрохімічних датчиків на основі мікросистемних технологій”' у рамках проекту Національного агентст-ва морських досліджень і технологій “Морське приладо-буду-вання” (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 теоре-тич-не 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 фільт-ра-ції за білінійними спостереженнями та оптимізацію параметрів сенсорів.

Об'єктом дослідження є наступні типи сенсорів з керованим чут-ли-вим 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 розглядува-них сенсорів. Основна увага приділяється білінійним моделям, які досить адекватно описують процеси в ЧЕ сенсорів.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених задач вико-рис-то-вувались 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:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:

1.

2.

3.

4.

5.

Практична цінність отриманних результатів полягає в тому, що розроблені методи та моделі керованих чутливих елементів є скла-довими частинами систем проектування адаптивних сенсорів. Запро-по-новані моделі та алгоритми використовуються на експери-мен-таль-ному стенді, в системах екологічного моніторінгу водних середовищ, а також у фізичних експериментах.

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

Ці результати використано в практичній діяльності Мініс-терст-ва освіти та науки України, Національного космічного агентства Ук-раї-ни (НКАУ), Національного агентства морських досліджень і тех-нологій (НАМДІТ), Інституті фізики НАН України, Науковому фонді вчених і спеціалістів з молекулярної кібернетики та інформатики.

Особистий внесок пошукача. Вибір напрямку досліджень і поста-новки 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 ап-ро-бацію у провідних наукових колективах України, доповідались на 8 конференціях, зокрема Міжнародній конференції “Optics for Environ-mental 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 дослід-ження 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 пе-ре-лі-ку фахових видань) i 8 працях конференцiй.

Структура i обсяг дисертації. Робота складається з вступу, п’яти роз-ділів, висновків, списку літератури та додатків. Загальний об’єм ро-боти — 163 сторінки. Дисертація вмiщує 151 сторiнки основного текс-ту, 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 мате-матичного моделювання сенсорів з керованим чутливим елемен-том 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 чут-ливим елементом, орієнтований на синтез алгоритмів оцінювання та фільтрації в умовах впливу перешкод. Окреслено коло невирішених питань в цій області, зроблено висновки щодо необхідності прове-ден-ня подальших досліджень, наведено перелік задач, які підлягають розв’язанню.

У другому розділі основну увагу приділено побудові алгоритму адап-тивного оцінювання параметрів сигналу за білінійними вимірю-ван-нями в присутності білого шуму. Наводяться рекурсивні оцінки у припущені, що алгебра Лі, яка утворена матрицями білінійної сис-те-ми, абелева. Показано, що дане припущення можливо дещо посла-би-ти, припустивши, що ідеал цієї алгебри нільпотентний. Встановлено, що адаптивний фільтр є також білінійним за структурою із збере-жен-ням властивості нільпотентності. Адаптивність фільтрації забезпе-чу-ється за допомогою алгоритму параметричної ідентифікації з вико-ристанням 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), Q1/2(Ч), H(Ч), R1/2(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 і 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 скінчен-но-ви-мір-не 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 спосте-ре-жу-ваний процес {z(t)}t і 0, і виконується певні припущення стосовно матриць білінійної системи. Тоді оптимальну оцінку

можна отримати за допомогою наступного скінченновимірного білі-ній-ного 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 функ-ція-ми 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 змі-щен-ня пробного тіла здійснюється датчиком на основі контакту Джо-зефсона, 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 Ґ; 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; {aij} (i = 1,…,3, j = 1,…,11) — матриця параметрів системи; z — одновимірний вихід моделі; c — деяка конс-танта.

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, тоді лінеаризована модель має вигляд

(7)

У розділі розглянуто також лінійне наближення сенсора S у просторі станів

(8)

де x — n-вимірний вектор стану; u3(t) — корисний сигнал. Стосовно моделі (8) досліджено керованість по частині змінних стосовно сигналу u3.

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

Визначення 2. Змінна стану xi 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 xi(t1) =0.

Має місце наступне твердження.

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

Для оцінки керованості змінної стану запропоновано вико-рис-тати відстань від точки перетину вісі xi з гіпереліпсоїдом до початку системи координат:—

матриця керованості першого роду; M — гіпереліпсоїд, утворений станами, які при заданій енергії керування Ws можуть бути переведені у початок координат. Як чисельну міру чутливості до дії корисного сиг-налу на змінну стану запропоновано наступну оцінку:

де x0 — такий стан, i-та компонента якого найбільша.

Міра розв’язки визначається співвідношенням:

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 оціню-вання. 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 Больц-ма-нiвського 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 оцi-нок 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 керу-вання параметрами випромінювання та суттєвий розвиток лазерної техніки дозволяє обгрунтувати створення відносно недорогих адап-тивних пристроїв оптико-акустичної та лазерно-акустичної діагнос-ти-ки забруднень води з унікальними властивостями.

Показана можливість дистанцiйного детектування харак-терис-тик 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 мож-ли-вос-тi використання фотоакустичного ефекту для визначення незнач-них концентрацiй нафти. В результатi запропоновано функ-цiональну 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 розпо-дiлень поля в динамiцi, змiни частоти оптичного випромiнювання. При цьому використувуються деякi закономiрностi змiни оптичних властивостей середовища, можливостi оптимiзацiї амплiтудно-фазо-вого 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 Ts, 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 Tp керуючий процесор прочитує зміст буферу і формат даних, необхідних для обчислювання нового керуючого впливу uk.

Розглянуто наступну задачу.

Нехай виконуються такі умови: 1) об’єкт керування описується білінійним дискретним рівнянням

(9)

де xk О Rl — вектор стану об’єкту; uk О Rp — 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 здійс-нюється 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 xk і uk. На другій стадії покращується оцінка на основі використання поточного сенсорного вимірювання yk+1. В результаті отримується оцінка . Матриця Mc обчислюється за допомогою рівняння:

де m — кількість змінних вектора стану; f(Ч)$ — бажаний харак-те-рис-тичний поліном динаміки похибки. У припущені, що повністю відомі всі затримки в комунікаціній мережі та сигнал gk на вході ке-рую-чого процесора, прогноз стану можна отримати таким чином:

а) якщо

б) якщо gk = yk-j, 1 Ј j Ј m, тобто сенсорний сигнал затримується на j тактів, тоді

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

де 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 моделю-вання керованих процесів у певних фізичних та біологічних чутливих структурах вирішено проблему розробки адаптивних сенсорів з ке-ро-ваним 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 інфор-мації в сенсорах, структурних особливостей взаємодії мікро- та макро-процесів та сучасних технологій класифікації сигналів розроб-лено 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 конст-рук-тивний аналіз основних системних властивостей. Поставлено задачу адаптивного оцінювання характеристик вихідного сигналу сен-сора з урахуванням шуму і запропоновано алгоритм розв’язку цієї задачі. Реалізація цього алгоритму складається з білінійної стохас-тич-ної 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 резуль-татів 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-ма-цій-них процесів у фотосинтетичних структурах з метою створення ефективних системних методів формування необхідних макрос-ко-піч-них функцій відгуку сенсорів вхідні збурення. Запропонована функ-ціо-нальна структура сенсору, до складу якого включено чутливий еле-мент, 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 вико-ристорувати 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:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

АНОТАЦІЇ

Плішко Н.Л. Моделювання і обробка інформації для сенсорів з керова-ним 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 комуні-ка-ційною мережею в контурі зворотного зв’язку.

Ключові слова: системний аналіз, сенсор, керування, адаптація, білінійна система, магнітна левітація, комунікаційна мережа, оціню-ван-ня, фільтрація.

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”, Инсти-тут космических исследований НАНУ и НКАУ, Киев, 2004.

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

Исследована проблема оптимального билинейного измерения сла-бых 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 матема-ти-чес-кая модель датчика, изучена динамика и устойчивость чувствительного элемента, а также предложены алгоритмы пред-ва-ри-тель-ной обработки сигналов. Разработана функциональная структура адаптивного измерителя. Предложена конструкция сенсора с двумя леви-тирующими пробными телами.

Проведен системный анализ возможности использования фото-акус-тического 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 адаптив-но-го биосенсора. Разработаны модель адаптивного сенсора и методы обработки сигналов, основанные на нейросетевом распознавании и алгоритме билинейной идентификации. Исследована динамика функ-цио-нирования сенсора с учетом различных типов загрязнений.

Рассмотрен экологический объект с сенсорами и коммуни-ка-ци-он-ной 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, адапта-ция, билинейная система, магнитная левитация, коммуникационная сеть, оценивание, фильтрация.

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 obserwhich based on the system-theoretical description of controlled proin sensors and functional structures of sensors with controlled sen-sative 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.