[发明专利]多变量、复杂控制系统的并行算法及结构

说明书

一、技术领域

1.1项目概述 

在真实的客观世界中，事物之间的联系不但复杂多样，而且其运动规律具有本质的并行性特征。用恰当的硬件结构设计和足够抽象的软件模型，将现有的串行模型来模拟并行的、具有复杂联系的客观物质世界，是国内外信息技术的核心。如运动的飞机、汽车、多维系统等的各个状态的物理量具有多样性、并发性，属于实时性要求极高的多变量复杂自动控制系统。 

随着人们对未知世界探索的要求不断加深，对国防安全、对交通工具的安全性、舒适性及快捷性的更高要求，对消费类电子品质更完美的要求，对基础工业设备性能的更高要求等。这些方面的需求都对信息处理技术在控制领域应用研究提出更高要求，尤其控制量的细化分析、大数据量、计算复杂度的计算时限性几乎达到苛刻的要求。只有这样才能实现对国防安全、交通工具、消费类电子产品品质等更完美的要求。例如：在数字滤波处理中，选取的点数越大，误差越小，选取的点数趋于无穷，误差趋向于零。虽然它的计算量对控制系统无法实现，为了减少误差，达到更好的效果，可以选取常规选取点数的10倍或20倍进行变换计算，达到减少误差这一目的。我们利用现有技术进行综合，以微处理器、数字信号控制器芯片为核心进行同构或异构，在配备一定的并行支撑软件协同地并行求解同一个问题。这就是现实这一技术项目的要点，也是未来国内外控制系统研究和发展的趋势。 

1.2背景技术 

在自动控制系统中，信号是运载信息的工具，是信息的载体。同一输入的物理量其信号的时空方向存在着异质性；在不同的方向上对其信号进行数字变换处理，能够得到不同含义的物理量。尤其对二维以上的抽样信号，其多维数字信号的变换处理是多变量复杂自动控制系统的基本要求。在某些领域要想使控制效果达到理想的结果，必须将传统的传递函数转换成状态量(如温度控制的动态性与稳定性)。在线性多维系统中，国内外的研究结果主要集中在多维信号处理系统上；而对来自工程实际问题的数学模型抽象研究较少。将工程实际中的规则计算转换成比例系数，略去不必要的计算。实现变量变常量，降低计算复杂度。这是本人从事控制系统实际工程三十多年实践得出的结论。 

目前，国外信息技术在控制领域应用研究，①、即传感器信号链的模拟域和数字域，二维及多维抽样及信号可分性的研究发展，体现了并行计算的需求与可操作性。②、并行计算机及其编程的研究；多处理机、多核多处理机的同构与异构，多级多口cache、多通道DMA、存储区局部共享和全局共享，它们的架构及其编程基础的研究；以高性能微处理芯片和互联网通信技术为基础的机群系统 得到了迅速发展，为控制系统的并行计算结构提供了方法。③、MCU、DSC性能及结构技术研究；累加器的位数和数量在不断地增加、单周期16X16MAC、40位桶形移位器、同时取两个操作数的操作和零开销循环控制；页操作及程序可视性(PSV)技术的出现，尤其是在单一芯片中不仅配备有较大的局部cache和局部内存、多个DMA通道与丰富的I/O，而且具有较强的数字信号处理能力(双核)。更为重要的是其封装体积小，售价很低的发展趋势(每秒计算70MIPS，售价在人民币30元左右。)，使本项目系统的构成要件经济而丰富。④、并行算法的研究；数据属性选择与排序，国际上对MPI标准化的研究；二维及多维数字滤波信号处理的并行性，多项式求和、矩阵计算的并行性等的研究发展，是本技术方法的编程基础。 

本项目技术方法的实现是基于三方面技术的发展：(1)、并行计算机技术；(2)、MCU、DSC结构技术；(3)、工程实际问题的数学模型抽象研究。 

二、技术方案 

对于某类专用控制系统而言，其所研究的问题从全局或整体系统上看，控制变量、数据处理量和算法复杂度与通用并行计算机相比都是有限的，或者说是特定范围内的。尽管如此，某些控制系统的控制效果也不令人满意或十分满意。原因(1)、物理量具有多样性、并发性，而信息的控制处理往往是顺序和单一的；丢失相关信息。原因(2)、在数字滤波处理中，选取的点数越大，误差越小，选取的点数趋于无穷，误差趋向于零。选取超出常规的点数，其计算量对常规控制系统而言无法实现；缺乏细腻性。原因(3)、当输入量多、计算量大时，常规控制系统无法实现实时性。原因(4)、控制系统所处的运动状态的不同其控制规律亦有差异，现有的控制系统没有实现应用不同的数学模型进行组合调节，不能达到控制的最优化。