АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТУРБО-МЕХАНИЗМАМИ

Аннотация.

Рассмотрены вопросы синтеза управляющих автоматов (УА) турбо-механизмами на основе применения автоматов с мультиплексором (МУА). Синтез МУА производится по модифицированной граф-схеме алгоритма (ГСА) на основе ввода пустых операторов, обеспечивающих выбор единственного логического условия из всего множества по коду состояния автомата. За счет выделения одиночных подграфов в графе переходов и их объединения в структурной схеме УА достигается предельная минимизация комбинационной схемы переходов. Моделирование МУА осуществляется методом структурно-автоматного программирования.

Ключевые слова: алгоритм, автомат, программа, синтез, декомпозиция, структурная модель, вихревой эффект.

Введение.

В настоящее время используются турбо-механизмы различного типа к которым относятся:

– сложные вентиляционные системы;

– вихревые трубы;

– специальные механизмы с использованием вихревого эффекта.

В работах [3, 7] предложен турбо-механизм для очистки поверхностей деталей от лаковых, масляных и других типов загрязнений с помощью горячего сжатого воздуха и ультразвукового излучения. Такой турбо- механизм можно эффективно использовать для отчистки железнодорожных стрелок и рельс от снега и льда.

Подогрев воздушной среды относительно высокого давления осуществляется в вихревой трубе под воздействием эффекта Ранка (Рисунок 1).

Устройство (Рисунок 1) может быть отнесено к категории сложных технических систем, так как содержит все подсистемы структурной модели в виде Ф – функциональной, И – информационной, А – адресной, Л – логической, У – управляющей подсистем [2, 5, 6].

Функции подсистем определяются на основе представления всего процесса в виде сети Петри с запрещающими дугами [3]. Эта модель процесса позволяет определить полный набор управляющих микрокоманд A1 … Ak , логических условий a1 … aq (Табл.1) и разработать алгоритм управления (Рисунок 2) в виде граф-схемы (ГСА).

При традиционном подходе к созданию управляющей подсистемы выбирается микроэлектронный контроллер (МК), для которого с использованием языков высокого уровня по ГСА составляется программа.

Такая программа получается сложной, что затрудняет отладку, реконфигурируемость и модернизацию подсистемы управления и контроля.

Таблица 1 Таблица микроопераций и микрокоманд

a1	Присутствует входной поток сжатого воздуха в вихревую трубу.
a2	Параметр температуры входного сжатого воздуха в вихревую трубу в норме.
a3	Параметр давления входного сжатого воздуха в вихревую трубу в норме.
a4	Параметр давления входного сжатого воздуха в вихревую трубу равен рабочему давлению.
a5	Параметр давления входного сжатого воздуха в вихревую трубу меньше рабочего давления.
a6	Отсутствует выходной холодный поток сжатого воздуха.
a7	Параметр температуры выходного холодного сжатого воздуха в норме.
a8	Параметр давления выходного холодного сжатого воздуха в норме.
a9	Параметр давления выходного холодного сжатого воздуха равен рабочему давлению.
a10	Параметр давления выходного холодного сжатого воздуха меньше рабочего давления.
a11	Отсутствует входной поток сжатого воздуха в ультразвуковую сирену.
a12	Параметр температуры входного потока сжатого воздуха в ультразвуковую сирену в норме.
a13	Параметр давления входного потока сжатого воздуха в ультразвуковую сирену в норме.
a14	Параметр давления входного сжатого воздуха в ультразвуковую сирену равен рабочему давлению.
a15	Параметр давления входного сжатого воздуха в ультразвуковую сирену меньше рабочего давления.
a16	Параметр температуры входного потока сжатого воздуха в пневмообдувку в норме.
a17	Параметр давления входного потока сжатого воздуха в пневмообдувку в норме.
a18	Параметр давления входного потока сжатого воздуха в пневмообдувку равен рабочему давлению.
a19	Параметр давления входного потока сжатого воздуха в пневмообдувку меньше рабочего давления.
A0	Установка нулевого состояния системы.
A1	Проверка значений параметров температуры и давления.
A2	Оператор включен на измерение параметра давления входной поток сжатого воздуха в вихревую трубу.
A3	Вращение первого электродвигателя против часовой стрелки, открытие заслонки воздушного потока.
A4	Вращение первого электродвигателя по часовой стрелке, закрытие заслонки воздушного потока.
A5	Выдача результата.
A6	Оператор включен на измерение параметра давления выходной холодный поток сжатого воздуха.
A7	Вращение второго электродвигателя против часовой стрелки, открытие заслонки воздушного потока.
A8	Вращение второго электродвигателя по часовой стрелке, закрытие заслонки воздушного потока.
A9	Вывод данных.
A10	Оператор включен на измерение параметра давления входного сжатого воздуха в ультразвуковую сирену.
A11	Вращение третьего электродвигателя против часовой стрелки, открытие заслонки воздушного потока.
A12	Вращение третьего электродвигателя по часовой стрелке, закрытие заслонки воздушного потока.
A13	Вывод данных.
A14	Оператор включен на измерение параметра давления входного потока сжатого воздуха в пневмообдувку.
A15	Вращение четвертого электродвигателя против часовой стрелки, открытие заслонки воздушного потока.
A16	Вращение четвертого электродвигателя по часовой стрелке, закрытие заслонки воздушного потока.
A17	Вывод данных.
A18	Подготовка к завершению работы. Закрытие всех заслонок воздушного потока.

Затраты на оборудование могут быть дополнительно снижены, если граф переходов (Рисунок 4) преобразовать к виду (Рисунок 5) за счет ввода дополнительных вершин 5, 10, 15, 19, 26 и отнесения однотипных подграфов (5, 20-23; 9, 24-27; 13, 28-31; 32, 33-36 Рисунок 4) в конец графа переходов в виде типовой структуры (21-25 Рисунок 5). Обращения к этой структуре из вершин 5, 9, 13, 32 (Рисунок 4) потребует замены микрокоманд Ai← {A}, соответствующих объединенным подграфам 20-23, 24-27, 28-31, 33-36.

Реализацию замены a j и  кода возврата x1x2...xm– 5, 10, 15, 19, 26 целесообразно осуществить через кольцевую стековую память (Рисунок 6).

При такой реализации функции переходов комбинационная схема F1  задается таблицей (Табл.2) всего из 14 строк.

 Таблица 2Таблица переходов

 

№ п/п	a(t)	a	a(t+1)
1	26	a0	2
2	2	a1	27
3	3	a2	27
4	4	a3	28
5	7	a6	29

6	12	a11	32
7	13	a12	33
8	17	a16	38
9	18	a17	38
10	21	ai	23
11	27	a0	36
12	38	a0	36
13	36	a0	37
14	37	a0	0

Еще одним достоинством структурной организации МУА является ее соответствие весьма простой программной реализации на микроконтроллерах по методу структурного автоматного программирования [1]. Для этого после абстрактного синтеза МУА таблицы функци йF1 , F2 , F3  запоминаются в различных зонах ОЗУ.

Составляется ведущая программа опроса зон памяти ( F1 ,  F2 и  F3 ) в соответствии с алгоритмом синхронизации МУА.

Таким образом, для проектирования спецпроцессора управления турбо-механизмами необходимо:

–    составить математическую модель на основе сети Петри [2, 3] и на ее основе определить алгоритм управления с таблицей логических условий и операторов действия (микрокоманд управления);

– провести абстрактный синтез управляющего автомата с ориентацией на автоматы нового типа (МУА).

–    перейти к этапу функционального электрического типа МУА на ПЛМ, ПЛИС или к эквивалентной программной реализации на микроконтроллере по методу структурного автоматного программирования.

Методика структурного автоматного программирования проверена авторами методом моделирования на ЭВМ в среде программирования Borland C++.

Заключение.

Применение метода структурного автоматного программирования для автоматизированных систем очистки технологических сред позволяет создавать программы управляющих автоматов для управления и контроля в режиме реального времени, при реализации программы исключительно аппаратными средствами.

 

Список литературы

1.     Безрукова Е.А., Мухопад А.Ю. Автоматизированное программирование микроконтроллерных средств управления технологическими процессами и сложными техническими системами. Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте: сб. науч. трудов / под редакцией Ю.Ф. Мухопада. – Иркутск: ИрГУПС, 2014. – Вып. 24. – С. 5-23.

2.     Мухопад Ю.Ф. Микроэлектронные системы управления. – Братск: БрГУ, 2009. – 285с.

3.     Мухопад Ю.Ф., Филатов Д.А., Модель системы контроля и управления турбо-механизмами // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. – Новосибирск: НГТУ, 2013. –№2(51) – С. 3-12.

4.     Мухопад А.Ю., Мухопад Ю.Ф., Пунсык-Намжилов Д.Ц., Матвеев Е.Н. Микропрограммный автомат. Патент РФ №2527190 БИ №24. – 2014, G06F9/00(2006.01) от 03.12.2013.

5.     Мухопад А.Ю. Структурный синтез автоматов управления системами обработки информации реального времени / Автореф. дисс. к.т.н. –  Братск, 2010. – 19 с.

6.     Мухопад Ю.Ф. Теория дискретных устройств. Иркутск: ИрГУПС. – 2010. – 172 с.

7.     Филатов Д.А. Математическое описание процессов в системе ультразвуковой очистки железнодорожных стрелок с применением вихревого эффекта // Системы. Методы. Технологии. – 2012. – №4(16). – С. 82-86.