Исследование и реализация алгоритмов нечёткой логики для обработки данных в программно-аппаратных встраиваемых системах

• Автор: Рыбалкин, Александр Павлович
• Шифр специальности: 05.13.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Йошкар-Ола
• Количество страниц: 193 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА Г АНАЛИЗ МЕТОДОВ РЕАЛИЗАЦИИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ .СИСТЕМ НА ОСНОВЕ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ.

1.1 Обшая структура нечеткого вычислителя

1.2 Методы реализации нечтких вычислений

1.2.1 Методы программной реализации нечетких вычислений

1.2.2 Методы аппаратной реализации нечтких вычислений.

1.2.3 Табличная реализация нечетких вычислений.

1.3 Анализ методов повышения эффективности реализации алгоритмов нечтких вычислений во встраиваемых системах

1.4 Задачи исследований в процессе выполнения диссертационной

работы.
Выводы к главе 1.
ГЛАВА II ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ НЕЧЕТКИХ
ВЫЧИСЛЕНИЙ.
2.1. Математическое моделирование нечетких вычислений
2.2 Математические модели нечетких вычислений с линейными
и нелинейными функциями принадлежности входных переменных
2.3 Общая функциональная схема классического алгоритма нечетких
вычислений.
2.4. Исследование влияния параметров нечткого алгоритма па выходную
характеристику
Выводы к главе 2.
ГЛАВА III АНАЛИЗ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РЕАЛИЗАЦИИ АЛГОРИТМОВ НЕЧТКИХ ВЫЧИСЛЕНИЙ.
3.1 Разработка моделей оценки временной сложности нечетких алгоритмов в элементарных операциях
3.2 Методы сокращения временной сложности
3.3 Анализ моделей оценки временной сложности
3.4 Анализ мкостной сложности реализации нечтких вычислений
3.5 Разработка алгоритма нечетких вычислений для встраиваемых систем
3.6 Анализ точности вычислений нечеткого алгоритма.
3.7 Исследование зависимости погрешности результата нечетких вычислений от числа точек дискретизации функций принадлежности
выходных переменных
Выводы к главе 3.
ГЛАВА IV РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ НЕЧЕТКИХ ВСТРАИВАЕМЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
4.1 Методика разработки программного обеспечения
нечтких вычислительных систем.
4.2 Имитационное моделирование нечетких вычислительных систем
4.3 Моделирование программной реализации модифицированного алгоритма нечтких вычислений.
4.4 Разработка библиотеки макрофункций для построения нечетких вычислительных систем на основе программируемых логических интегральных схем.
4.5 Разработка универсального нечткого контроллера
реконфигурируемой архитектуры.
4.6 Программное обеспечение методики разработки нечтких
встраиваемых вычислительных систем
Выводы к главе 4
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Выделены основные методы снижения трудоёмкости и повышения точности реализации алгоритмов нечёткой логики. По результатам аналитического обзора сформулированы конкретные цели исследования. Во второй главе проведено исследование параметров нечетких алгоритмов. Построены математические модели нечёткого преобразования с линейными и нелинейными входными функциями принадлежности. Построена математическая модель передачи данных классического нечёткого преобразования. Проведено моделирование зависимости результатов нечёткого преобразования от параметров алгоритма. В третьей главе предложены модели оценки временной и ёмкостной сложности нечётких алгоритмов и предложены методы организации вычислений с сокращённой трудоемкостью реализации. Предложены модели оценки максимальной относительной погрешности нечетких вычислений, а также критерий выбора числа точек дискретизации в зависимости от временной сложности и максимальной погрешности вычислений при табличной реализации выходных функций принадлежности. В четвертой главе разработана система проектирования программного обеспечения, реализующего нечёткие алгоритмы с сокращенной трудоёмкостью. Проведено сравнение реализаций предложенных нечётких алгоритмов с существующими. Выполнено имитационное моделирование нечетких систем автоматического регулирования для различных вариантов включения нечетких контроллеров по сравнению с традиционным ПИД-рсгулятором. Разработана библиотека макрофункций, реализующих предложенные нечеткие алгоритмы с сокращенной трудоёмкостью на основе ПЛИС, и структура универсального реконфигурируемого нечеткого контроллера на ПЛИС. В заключении приводится анализ результатов полученных в диссертационном исследовании. Использование алгоритмов нечёткой логики во встраиваемых системах обусловлено возможностью обеспечения произвольных нелинейных характеристик при выполнении нечёткого преобразования [], возможностью функционирования системы при неполных и неточных исходных данных [1,2, 4], а также возможностью использования знаний оператора / эксперта в прикладной области при формировании правил логического вывода []. В связи с особенностями встраиваемых систем, заключающимися в ограниченности используемых ресурсов, одной из основных задач организации нечетких вычислений на их программно-аппаратной основе является повышение эффективности реализации алгоритмов. С целью исследования методов повышения эффективности нечётких вычислений во встраиваемых системах проведена классификация существующих методов реализации нечетких алгоритмов и выделены способы сокращения трудоемкости и повышения точности вычислений. Общая структура нечеткого вычислителя Для проведения анализа методов реализации вычислительных систем на основе нечеткой логики необходимо предварительно рассмотреть общую структуру нечеткого вычислителя. Основу вычислительной системы, выполняющей нечеткие вычисления (далее - нечеткая вычислительная система), составляет один или несколько программных / аппаратных модулей, выполняющих вычисления в соответствии с алгоритмами нечёткой логики. Этими модулями являются контроллеры нечёткой логики или нечёткими контроллеры (НК, fuzzy logic controller -FLC) [, ]. Рис. Задача нечёткого вычислителя заключается в выполнении преобразования входных переменных ХХ. ХНк в выходные Yx>Y2t. Yni на основе сформированного заранее набора лингвистических правил (базы правил логического вывода), то есть нечеткое преобразование представляет собой нелинейную функцию, описанную в лингвистических терминах. Блок фаззификации выполняет преобразование числовых значений в нечеткие в соответствии с функциями принадлежности (ФП) для каждой входной переменной. Функции принадлежности составляются на основе знаний эксперта в рассматриваемой прикладной области. Вид ФП входных и выходных переменных может быть различным и зависит от конкретного приложения. Реализация следующих блоков нечеткого контроллера зависит от выбранной концепции логического вывода. Система логического вывода Мам-дани, внутренняя структура которой приведена на рис.