Программный комплекс для решения задач анализа и синтеза сетевых систем управления

Последнее десятилетие в мире интенсивно ведутся теоретические исследования по анализу, моделированию и синтезу сетевых систем управления. В данных системах информация передается по цифровым сетям в виде пакетов данных. Использование сетевых каналов обладает рядом преимуществ: снижение затрат на монтажные работы, конфигурацию системы, простоты диагностики и обслуживания.

С другой стороны, использование сетевого канала передачи приводит и к ряду новых проблем: случайная временная задержка в процессе передачи, вероятная потеря пакета данных, возможность асинхронной работы элементов системы. Не учет этих факторов может привести к потере устойчивости системы управления.

Однако традиционная теория управления не позволяет решить эти проблемы. Дело в том, что сетевые системы управления основаны как на теории управления, так и на теории связи. Это значительно усложняет анализ, моделирование и синтез сетевых систем управления [3-5].

Для решения инженерных задач, с целью обеспечения требуемого качества процесса функционирования, разработаны методики анализа и синтеза сетевых систем управления с передачей данных по каналу с конкурирующим методом доступа. Данные методики позволяют производить расчет вероятностно-временных характеристик процесса стохастической передачи данных по каналу с конкурирующим методом доступа, строить переходные процессы рассматриваемых систем управления, рассчитывать их качественные показатели, определять условия устойчивости ССУ и проводить оптимизацию настроечных параметров цифровых регуляторов по соответствующему критерию.

Теоретические предпосылки создания программного комплекса для анализа и синтеза сетевых систем управления созданы в работах [1, 2].

Предлагаемый комплекс позволяет проводить анализ и синтез сети, через которую осуществляется информационный обмен данными. А также осуществлять исследование сетевой системы для различных законов регулирования.

Структура комплекса простроена на принципах модульности, иерархичности и вложенности модулей друг в друга. Основными модулями данного комплекса являются: модуль «Исходные данные», модуль «Расчет вероятностно-временных характеристик процесса передачи данных», модуль «Расчет сетевой системы управления», модуль «База данных».

В модуле «Исходные данные» формируются и вводятся требования к проектируемой или исследуемой сетевой системе управления. Модули «Расчет вероятностно-временных характеристик процесса передачи данных» и «Расчет сетевой системы управления» взаимодействуют через модуль «База данных». При этом они имеют одинаковую структуру, состоящую из модулей «Математическое моделирование и визуализация результатов», «Проверка адекватности математической модели», «Экспериментальные исследования и визуализация результатов».

Модуль «Расчет вероятностно-временных характеристик процесса передачи данных» включает в себя три взаимодействующих между собой подмодуля (рисунок 1).

Подмодуль «Математическое моделирование и визуализация результатов» включает в себя три блока: «Моделирование состояний канала передачи», «Моделирование процесса передачи пакета данных», «Визуализация результатов». Здесь осуществляется расчет вероятностей состояний канала передачи, вероятностно-временных характеристик процесса передачи, а также определение закона распределения вероятностей времени передачи данных.

Подмодуль «Экспериментальные исследования и визуализация результатов» включает в себя четыре блока: «Эксперимент», «Статистическая обработка», «Расчет вероятностно-временных характеристик», «Визуализация результатов».

Блок «Эксперимент» включает в себя использование специально разработанной программы «Генератор трафика системы реального времени на основе протоколов случайного доступа».

Данная программа обеспечивает выполнение следующих функций:

• -    ввод исходных значений исследуемой системы (интенсивность формирования заявок, объем заявок, частота занятия канала, IP – адрес устройств);

• -    генерацию трафика системы реального времени со случайным доступом к каналу передачи;

• -    определение эффективной нагрузки на канал передачи (количества отправленных, полученных и потерянных сообщений).

Подмодуль №1 «Математическое моделирование и визуализация результатов»

Блок №1 «Моделирование состояний канала передачи»

Расчет вероятностей состояний канала

Блок №2 «Моделирование процесса передачи»

Расчет вероятностных характеристик процесса передачи

Блок №3 «Визуализация»

	Определение закона
1	распределения

Подмодуль №2 «Проверка адекватности математической модели»

Блок №1

«Расчет критерия / 2 »

Блок №2 «Определение погрешности расчета»

Подмодуль №3 «Экспериментальные исследования и визуализация результатов»

Блок №1 «Эксперимент»

Блок №3

«Расчет вероятностных характеристик»

Блок №2 «Статистическая обработка»

Блок №4 «Визуализация»

Рисунок 1. Структура модуля «Расчет вероятностновременных характеристик процесса передачи данных»

Приложение написано на языке borland delphi 7.0 и применимо для операционных систем семейства windows. Для работы программы необходимы следующие технические средства и программное обеспечение: IBM PC совместимый компьютер, операционная система windows 2000 и выше.

Программное приложение имеет три основных режима работы:

• •    Сервер;

• •    Клиент;

• •    Хаотичный.

В зависимости от выбранного режима имеется возможность строить исследуемую сеть по следующим схемам:

• •    Один Сервер – один Клиент;

• •    Несколько Серверов – несколько Клиентов;

• •    Один Хаотичный – несколько Клиентов;

• •    Несколько Хаотичных – несколько Клиентов;

• • Все Хаотичные.

Модуль «Расчет сетевой системы управления с передачей данных ». Данный модуль включает в себя так же три подмодуля (рисунок 2).

Подмодуль «Математическое моделирование и визуализация результатов» включает в себя четыре блока: «Моделирование ССУ со случайным квантованием», «Моделирование ССУ в синхронном режиме», «Моделирование ССУ в асинхронном режиме», «Визуализация результатов».

Подмодуль «Экспериментальные исследования и визуализация результатов» включает в себя четыре блока: «Эксперимент», «Статистическая обработка», «Расчет переходных процессов и качественных показателей», «Визуализация результатов».

Разработанное программное обеспечение позволяет проводить численные и физические эксперименты при различных режимах работы системы, осуществлять анализ ее функционирования и определять области устойчивой работы. Его можно использовать как для анализа уже функционирующих систем с целью повышения эксплуатационных характеристик, так и при разработке новых информационных систем.

Модуль «Математическое моделирование и визуализация результатов» позволяет выполнять следующие функции:

– расчет переходных процессов системы управления;

– определение области устойчивости сетевой системы управления по критерию Гурвица (Джури);

– расчет качественных показателей процесса управления;

– определение оптимальных настроечных параметров цифровых регуляторов;

–     графическое     представление результатов.

На рис унках 3 и 4 представлены основные окна разработанной информационной системы.

	Подмодуль №1 «Математическое моделирование и визуализация результатов»
г 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1	Блок №1 «ССУ со случайным квантованием» Блок №2 «ССУ в синхронном режиме» Блок №3 «ССУ в асинхронном режиме» Блок №4	1 1 1 1 1—► 1 1 1 1—► 1 1	Расчет переходных процессов ССУ Расчет качественных показателей Расчет области устойчивости Определение опт. па-
1 1	«Визуализация»	1	раметров

Подмодуль №2 «Проверка адекватности математической модели»

Блок №1

«Расчет критерия / 2 »

Блок №2 «Определение погрешности расчета»

Подмодуль №3 «Экспериментальные исследования и визуализация результатов»

Блок №1 «Эксперимент»

Блок №2 «Статистическая обработка»

Блок №3

«Расчет переходных процессов»

Блок №4 «Визуализация результатов»

Рисунок 2. Структура модуля «Расчет сетевой системы управления с передачей данных»

Рисунок 3. Основная форма информационной системы моделирования

Вестник ВГУИТ, №3, 2015

Подмодуль «Экспериментальные иссле- дования и визуализация результатов» содержит четыре блока: «Эксперимент», «Статистическая обработка», «Расчет переходных процессов» и «Визуализация результатов».

Рисунок 4. Форма графиков переходных процессов

Блок «Эксперимент» позволяет проводить исследования реально действующей сетевой системы управления с передачей данных по сетевому каналу.