Содержание к диссертации
Введение
Системы очистки технологических сред с использованием вихревого эффекта и ультразвука 15
1.1. Методы и средства очистки технологических сред 16
1.2. Разновидности и особенности функционирования вихревых
исполнительных механизмов 23
1.3. Разновидности и особенности функционирования ультразвуковых исполнительных механизмов 32
1.4. Постановка задачи диссертационного исследования 42
Математические модели систем очистки технологических сред 43
2.1. Математические модели динамических процессов 44
2.2. Методика преобразования моделей динамических процессов в сетевые модели 53
2.3. Исследование сетевых моделей 59
2.4. Выводы 63
Контроль и управление автоматизированной системы очистки технологических сред 64
3.1. Методы контроля и управления автоматизированных систем 65
3.2. Построение тестовых наборов для обеспечения управления и контроля автоматизированной системы 70
3.3. Структурная организация подсистем контроля и управления автоматизированной системы очистки 77
3.4. Разработка алгоритма работы автоматизированной системы
3.5. Программная реализация автоматизированной системы 83
3.6. Минимизация аппаратных средств автоматизированной системы 90
3.7. Выводы 96
Применение автоматизированных систем очистки технологических сред в задачах железнодорожного транспорта и промышленности 97
4.1. Исследование системы очистки технологических сред с использованием вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов 98
4.2. Сферы применения систем очистки технологических сред с использованием вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов 102
4.3. Выводы 104
Заключение 105
Список использованных источников
- Разновидности и особенности функционирования ультразвуковых исполнительных механизмов
- Методика преобразования моделей динамических процессов в сетевые модели
- Построение тестовых наборов для обеспечения управления и контроля автоматизированной системы
- Сферы применения систем очистки технологических сред с использованием вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов
Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из важнейших задач при создании сложных технических систем является обеспечение защиты окружающей среды на предприятиях, имеющих большую степень загрязнения. Важным технологическим процессом для защиты окружающей среды в промышленности является очистка воздуха от пыли с использованием высокопроизводительных прямоточных циклонов. В другой области, в частности в нефтяной промышленности, используют акустические газоструйные излучатели (акустические форсунки, ультразвуковые свистки и сирены), что исключает возможность возгорания. Кроме того, для опреснения морской воды, отопления производственных и жилых помещений, для очистки железнодорожных стрелок от снега и льда и в других технологических процессах могут быть использованы вихревые трубы. Вихревые трубы не требуют дополнительных источников энергии кроме подачи сжатого воздуха или воды под давлением.
Трудность автоматизации процессов управления и контроля сложных технических систем, состоящих из вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов, заключается в том, что на данный момент до конца не изучены процессы, протекающие в подобных системах.
Существенный вклад в моделирование, проектирование и совершенствование сложных технических систем, таких как система очистки технологических сред с применением вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов, внесли отечественные ученые: Б.А. Агранат, Г.Н. Абрамович, В.П. Алексеев, B.C. Асламова, Ю.Я. Борисов, В.Ц. Ванчинков, В.Н. Гинин, А.Ф. Гуцол, B.C. Мартыновский, B.C. Марюхненко, А.П. Меркулов, Л.Д. Розеберг, а так же зарубежные ученые: П. Брэдшоу, J. Hartmann, В. Trolle, R. Hilch и др.
Создание таких сложных технических систем рассматривается как задача механики без учета управляющих подсистем. Анализ динамических процессов в сложных технических системах, только с позиции теории механизмов и машин, является недостаточным, так как не учитывает информационно-управляющего воздействия, приводящего к желаемому эффекту.
Кроме того, до сих пор отсутствуют работы по исследованию совместного действия ультразвуковых излучений и вихревых эффектов в воздушных и водных средах. Тем более отсутствуют работы по исследованию систем управления такими эффектами. Поэтому диссертационные исследования в этой области являются актуальными и востребованными как с научной, так и с практической точки зрения.
Целью представленных в диссертации научных исследований является исследование комплексной системы вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов и создание математической модели системы очистки технологических сред для синтеза автоматизированной системы очистки технологических сред с применением вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Разработать систему вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов очистки технологических сред.
Создать математическую и физическую модель комплексной системы исполнительных механизмов очистки технологических сред.
Выявить закономерности, определить управляющие параметры исполнительных механизмов системы очистки.
Разработать алгоритмы и аппаратную модель автоматизированной системы очистки технологических сред.
Произвести экспериментальные исследования вихревых и ультразвуковых параметров, подтверждающих достоверность результатов математического моделирования системы очистки технологических сред, работоспособность конструкции и достоверность исследований.
Объект исследования. Физические процессы в системе очистки с комплексным взаимодействием вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов, и методы информационно-управляющего воздействия в автоматизированной системе очистки технологических сред.
Предмет исследований. Методы управления и контроля системы очистки технологических сред с комплексным взаимодействием вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов.
Методы исследований. Системный анализ, физическое и математическое моделирование, экспериментальное оценка параметров, моделирование с использованием сетей Петри, методы представления динамических процессов управления автоматными моделями.
Научная новизна состоит в том, что в диссертации впервые получены следующие положения, которые выносятся на защиту:
Новая система очистки технологических сред с комплексным взаимодействием вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов.
Методика сопоставления математических моделей динамических процессов и универсальных сетей Петри.
Структурная организация автоматизированных систем очистки технологических сред с автоматным управлением.
Алгоритм работы автоматизированной системы очистки технологических сред, обеспечивающий управление и контроль технологическими процессами очистки в режиме реального времени.
Модификация методики синтеза управляющего автомата с внутренним мультиплексором и стековой памятью, позволяющая снизить объем памяти комбинационной схемы переходов в автомате, приблизительно в 2 раза.
Достоверность и обоснованность научных результатов, представленных в диссертации, подтверждается совпадением расчетных данных предложенных математических моделей с экспериментальными данными системы исполнительных механизмов для очистки технологических сред в пределах от 92,5 до 98,5%.
Практическая значимость. На основе полученных в диссертационной работе результатов возможно решение следующих практических задач:
Впервые показаны возможности создания вихревых и ультразвуковых механизмов для очистки воздушно-полевых и водных сред (заявка на патент на полезную модель РФ №2015112888) для широких областей в промышленности для очистки воздуха от пыли, очистки загрязнений и обеззараживания различных поверхностей, и на транспорте для очистки автодорожных и железнодорожных путей от снега и льда.
Разработано программное обеспечение автоматизированной системы очистки технологических сред с комплексным взаимодействием вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015615404), обеспечивающее управление и контроль технологическими процессами очистки в режиме реального времени.
Модифицированная методика синтеза управляющего автомата использована для создания подсистемы управления и контроля автоматизированной системы очистки технологических сред с комплексным взаимодействием вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов.
Результаты исследований подтверждают достоверность предложенных методик, что дает возможность проектировать с требуемыми параметрами и автоматизировать процессы в вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмах для различных типов технологических процессов.
Реализация результатов работы. Результаты исследований:
-
внедрены в учебный процесс Иркутского государственного университета путей сообщения, при чтении дисциплин "Интеллектуальные системы управления" и реализованы в виде лабораторных работ по данным дисциплинам;
-
использованы в бюджетной НИР, № госрегистрации 01201251780;
-
практические методы проектирования переданы в ООО "ХИМТЕХ-КЖОС" для реализации температурного разделения попутных нефтяных газов при добыче нефти.
Апробация работы. Научные результаты, полученные в процессе диссертационных исследований, обсуждались на следующих научных конференциях: научно-технической конференции с международным участием «Проблемы транспорта Восточной Сибири», г. Иркутск, 2011 г.; научно-технической конференции с международным участием «Проблемы транспорта Восточной Сибири», г. Иркутск, 2012 г.; научно-технической конференции с международным участием «Проблемы транспорта Восточной Сибири», г. Иркутск, 2013 г.; XVIII Байкальской Всероссийской конференции "Информационные и математические технологии в науке и управлении" г. Иркутск, 2013 г.; VIII Международной научно-практической конференции «Перспективные разработки науки и техники - 2013», г. Перемышль, 2013 г.; II Международной научно-практической конференции «Проблемы и достижения в науке и технике», г. Омск, 2015 г., научно-технических семинарах кафедры УТС и АПП ИрГУПС 2011-2014 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе пять статей в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования диссертационных исследований, в отчете о научно-исследовательской работе, заявка на патент на полезную модель РФ и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. В работах с соавторами соискателю принадлежит от 25 до 50% результатов. Положения, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, четыре главы основного текста, заключение, библиографический список из 124 наименований, приложения. Общий объем диссертации 146 страниц, в тексте содержится 36 рисунков и 12 таблиц. В приложении приведены результаты математического моделирования и материалы о внедрении результатов работы.
Разновидности и особенности функционирования ультразвуковых исполнительных механизмов
Для фильтрования песка и ржавчины из сточных вод применяется фильтр осветления воды, в состав которого входит корпус из стекловолокна, фильтрующая загрузка и блок управления. Блок управления позволяет в режиме реального временя производить интенсификацию процесса процеживания и очистку загрузки для долгосрочного использования фильтра осветления воды.
Биологическая или анаэробная очистка сточных вод - это процесс разложения сточных вод и отходов, при дефиците кислорода за счет применения системы вода-"активный ил".
"Активный ил" является биологическим окислителем воды, который под действием сложной многоуровневой бактериальной структуры устанавливает динамическое равновесие в системе. В результате чего, на выходе системы будет чистая питьевая вода.
Выполняться такая очистка может в естественных и искусственных условиях. К естественным сооружениям биологической очистки относятся: - Фильтрующий колодец. - Поле подземной фильтрации. - Фильтрующая кассета. - Циркуляционный окислительный канал. - Биологический пруд с искусственной или естественной аэрацией. Физико-химической очисткой является процесс взаимной реакции между обрабатываемой жидкостью и специального реагента (коагулянтом или флоку 18 лянтом). После взаимодействия реагента с растворимыми соединениями в сточных водах производится их фильтрация за счет механической очистки. Под действием реагента загрязняющие вещества в некоторых случаях трансформируются в безвредную форму.
Метод абразивоструйной очистки имеет следующие разновидности:
1) Сухая абразивоструйная очистка (бластинг) - это очистка металлических поверхностей под действием удара абразивного потока с высокой кинетической энергией о подготавливаемую поверхность, при подаче абразива центробежной силой сжатого воздуха или эжекцией.
2) Абразивная струйная очистка с вакуумом или всасывающей головкой (вакуум-бластинг) - это комплексная система очистки металлических поверхностей, состоящая из абразивоструйного сопла с герметично закрепляемой всасывающей головкой на обрабатываемой поверхности для сбора отработанного абразива и загрязнений.
3) Абразивная струйная очистка с впрыскиванием влаги - это система очистки металлических поверхностей, состоящая из абразивоструйной очистки сжатым воздухом с добавлением пресной воды для поглощения распространения пыли в воздухе.
Суспензионная струйная очистка - это очистка металлических поверхностей подачей дисперсии мелких абразивных частиц в жидкости на очищаемую поверхность. Гидроструйная очистка - это очистка металлических поверхностей путем введения абразива в поток жидкости под давлением, который подается на очищаемую поверхность.
Такая очистка производится для удаления водорастворимых веществ, рыхлой ржавчины и красочных покрытий со слабым сцеплением.
Существуют следующие виды водной струйной очистки: - водная струйная очистка высокого давления (70-170 МПа); - водная струйная очистка сверх высокого давления (свыше 170 МПа). Гидроструйная очистка сверхвысокого давления (гидроджет тинг) позволяет удалить все покрасочные слои и ржавчину с обрабатываемой металлической поверхности.
Ручная очистка - это метод подготовки металлических поверхностей с помощью ручных инструментов. Орудиями ручной очистки могут быть обрубочные молотки для скалывания ржавчины и других загрязнений, ручные проволочные щётки, шпатели, скребки, абразивные шкурки, наждаки.
Очистка пламенем - это очистка от ржавчины термическими методами с использованием горелок и использованием ацетилена или пропана с кислородом. Такая очистка позволяет удалить всю прокатную окалину, но не способна до конца удалить ржавчину. Обычно такую очистку применяют в паре с ручной очисткой, либо в паре с механизированными щетками для полного удаления ржавчины с обрабатываемой поверхности металла.
Очистка сухим льдом (криогенный бластинг) - это очистка металлических поверхностей от загрязнений с помощью высокоскоростной струи гранул сухого льда. Такой метод очистки отличается тем, что гранулы сухого льда имеют температуру более низкую, чем температура очищаемой поверхности (обычно -79 С). В результате чего происходит резкое снижение температуры обрабатываемой поверхности, что приводит к эффекту "термического шока", при котором загрязнения легко отслаиваются от обрабатываемо поверхности из-за различий коэффициентов линейного расширения. За счет соударения гранул льда с обрабатываемой поверхностью гранулам передается огромное количество тепла, которое способствует переходу льда в газообразное состояние, в результате чего образовавшийся газ попадает в зазоры между загрязнениями и обрабатываемой поверхностью, отделяя загрязнение от данной поверхности.
Ультразвуковая очистка - это метод очистки металлических поверхностей и других твердых тел преимущественно в водной технологической среде с применением моющих растворов.
Под действием ультразвука в воде поверхность твердых тел бомбардируется частицами примесей, содержащихся в воде, и с сопровождением процесса акустической кавитации очищает обрабатываемую поверхность [17, 85].
Помимо очистки ультразвук осуществляет перемешивание и растворение загрязнителей в воде и обеззараживает очищаемую поверхность.
Данный метод ультразвуковой очистки применим для металлических поверхностей монет из различных сплавов, как безопасный метод удаления загрязнений, не нарушающий первичную структуру чекана [66].
Применение ультразвука в воздушных средах широко распространено для исследования материалов и конструкций на усталость, для технологических процессов: при акустической коагуляции мелкодисперсных аэрозолей, для воздействия на процессы тепломассообмена в ультразвуковом поле и др.
Очистка деревянных, каменных и бетонных поверхностей - это очистка поверхности от штукатурок, потерявших сцепление и вяжущие свойства, продуктов разрушения кирпича, старых отслоившихся окрасочных слоев, пыли, грязи и главным образом для подготовки данных поверхностей к отделочным работам.
Выборы методов очистки осуществляются с учетом характера загрязнений, сравнительной химической стойкости очищаемых поверхностей, свойств и возможностей применяемых моющих средств и смывок. Так, поверхности известняка, мрамора, кирпича, цементно-песчаных архитектурных деталей, деревянной резьбы разрушаются с помощью слабых и концентрированных растворов минеральных кислот. Древесину можно очищать концентрированным растворам щелочей и некоторыми органическими растворителями (ацетоном, толуолом, этиловым спиртом и т. д.).
Для очистки древесных, каменных и бетонных материалов обычно применяется ручная очистка и очистка механизированными инструментами. Так же широко применяется механическая очистка сжатым воздухом, струей воды, паром и песком.
Методика преобразования моделей динамических процессов в сетевые модели
Ультразвуковые излучатели (сирены) - устройства для создания мощных акустических колебаний, действие которых основано на периодическом прерывании струи, вытекающей с большой скоростью через отверстия [17, 85]. По типу рабочего тела сирены делятся на газовые (воздушные) и жидкостные, называемые также ротационными гидродинамическими излучателями, а по принципу работы - на динамические (вращающиеся) и пульсирующие. В динамических сиренах прерывание струи осуществляется вращающимся ротором с отверстиями или зубцами; ротор вращается с помощью электромотора или воздушной турбины. В пульсирующих сиренах перекрытие потока производится заслонкой, совершающей возвратно-поступательное движение при помощи электромагнитного или электродинамического преобразователя (электродинамические сирены); иногда при этом используются резонансные колебания (крутильные) системы подвески ротора.
Наибольшее распространение получили сирены динамического типа с электроприводом. Конструктивно сирены подразделяются на осевые (рис. 1.9 а) и радиальные (рис. 1.9 б).
В осевых конструкциях рис. 1.9 а ротор 1 и статор 2 выполнены в виде дисков с отверстиями, а направление воздушного потока совпадает с осью вращения ротора и статора; рис. 1.9 б радиальные конструкции имеют ротор и статор в виде коаксиальных цилиндров (или конусов), направление газовой струи у них составляет некоторый угол (обычно 90) с осью вращения. Давление в камере колеблется для сирен обычных типов от 0,1 до 5 кг-с/см2. Частота пульсаций f, создаваемых сиреной, определяется числом отверстий N в роторе (или статоре) и числом оборотов ротора п за 1 с, т. е./ = n/N Гц. Эта частота соответствует основной частоте излучаемого ультразвука. Как правило, верхний предел ее не превосходит 40 - 50 кГц, однако известны сирены с частотой 500 кГц; нижний предел обычно равен 200 - 300 Гц. Так как источником излучаемого сиренами звука являются импульсы скорости газа, вытекающего из отверстий, то частотный спектр сирен определяется формой этих импульсов. Для получения синусоидальных колебаний используют сирены с круглыми отверстиями, расстояние Ъ между которыми равны их диаметру d. КПД таких сирен не превышает 50%. При отверстиях прямоугольной формы, отстающих друг от друга на ширину отверстия, форма импульса треугольная и наряду с основной частотой /излучается ряд высших гармоник. В промышленных сиренах обычно стремятся получить максимальный КПД, отвечающий трапецеидальной форме импульса, максимально приближающегося к П - образной; с этой целью отверстия в роторе и статоре выполняют разной ширины. Теоретически КПД таких сирен на основной частоте достигает 80%. При необходимости излучения звука с широким спектром отверстия располагают по ротору неравномерно и делают их разных размеров. В случае применения нескольких таких роторов, вращающихся с разными угловыми скоростями, удается получить сигнал, приближающийся к шумовому сигналу. КПД реальных сирен, работающих при до критических перепадах давления, достигает 50 - 60%.
Акустическая мощность сирен определяется давлением в камере и расходом сжатого газа и для различных конструкций колеблется в пределах от сотен Вт до десятков кВт. Для систем, у которых диаметр ротора значительно превосходит длину излучаемой волны X, а X Ъ, мощность звука, излучаемая сиреной на основной частоте равна: Jjr л3 -p- f2 -N-d4 2 Pf = —- и2,приХ , (1.24) где p - плотность газа, с - скорость звука в газе, и максимальная скорость газа в отверстиях, N - количество отверстий, d - диаметр отверстий. Сирены, работающие при сверхкритических давлениях, выполняются с отверстиями, имеющими профиль сопла Лаваля. Они характеризуются повышенными мощностями при несколько сниженном КПД. Кроме указанных факторов, на мощность и КПД сирен влияют их конструктивное оформление и особенно величина зазора между ротором и статором, в лучших образцах не превосходящая 0,02 - 0,05 мм. Так как в радиальных сиренах такие зазоры труднодостижимы, они менее эффективны, чем осевые. Конструктивно осевые сирены различаются главным образом системой установки ротора и устройством, обеспечивающим поддержание требуемого зазора между ротором и статором в процессе работы.
В изготовлении и эксплуатации сирены более сложны, чем свистки (свистки - механические устройства для преобразования кинетической энергии струи в энергию акустических колебаний, в отличие от сирен в них нет движущихся деталей). Однако они обладают рядом важных достоинств: более высоким КПД, большой мощностью и возможностью плавной регулировки частоты в пределах нескольких октав путем изменения скорости вращения ротора. Как правило, мощные сирены имеют независимое питание сжатым воздухом, но в некоторых конструкциях сирен предусмотрен собственный турбокомпрессор.
Как акустический излучатель сирена представляет собой диполь, создающий две волны, сдвинутые по фазе на 180 и распространяющиеся в противоположных направлениях: одна в направлении истечения газа, а другая навстречу ему. На этом явлении основаны сирены «обратного действия», создающие звуковое поле в камерах высокого давления; в этом случае используется волна, излучающая навстречу потоку. Наличием обратной волны объясняются резонансные свойства сирен, то есть существование областей частот, где излучаемая мощность имеет максимум. Большинство сирен работает с выбросом отработанного газа в озвучиваемое пространство, однако существуют конструкции, в которых излучение не сопровождается выбросом газа. Для лучшего согласования со средой и получения нужной направленности излучения сирены снабжаются рупорами и рефлекторами.
Воздушные сирены, как наиболее мощные излучатели в диапазоне высоких звуковых и ультразвуковых частот применяются для исследования материалов и конструкций на усталость, для шумовых испытаний электронного оборудования, для акустической коагуляции мелкодисперсных аэрозолей, для воздействия на процессы тепломассообмена в ультразвуковом поле и др. Широко известно применение сирен для тревожной или оповестительной сигнализации.
В 1934 г. японские ученые Такеучи и Сато провели опыты по использованию сирен в качестве источников ультразвука; вслед за этим в США был разработаны мощные сирены, способных работать в ультразвуковом диапазоне. Так, например, Аллен и Рудник построили сирену, работающую на частотах до 34 кГц. Сила звука в свободном поле достигает, согласно данным измерений, 180 дБ или 100 Вт/см2. При такой мощности и силе звука в узлах, созданных сиреной стоячих волн, могут висеть, не падая, до семи стеклянных шариков диаметром 2 см каждый. Внесенный в звуковое поле сирены клочок ваты сгорает в течение 6 секунд.
На практике динамические сирены могут быть использованы в исключительных случаях, не связанных с очисткой технологических сред на производствах, так как даже самые мельчайшие частицы металлов или других производственных отходов могут нанести серьезный урон и вывести из строя динамические части сирены, что приведет к недопустимо продолжительному ремонту и восстановлению очистительного устройства.
Построение тестовых наборов для обеспечения управления и контроля автоматизированной системы
По матрице смежности графа достижимости Q можно определить распределение ребер цепи единичной длины. После построения графа Г2 необходимо составить матрицу смежности Q, возведенную в квадрат, для определения цепей длины 2 (табл. П. 1.1), которая выделяет из графа Г2 все возможные нулевые и последующие переходы и состояния по ходу их следования от нулевого состояния.
Затем необходимо построить минимизированную матрицу Qm2 (табл. П. 1.2), которая выявляет все состояния и переходы, необходимые для работы подсистемы управления и контроля системой вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов. Выявленные состояния соответствуют выполняемым микрокомандам Д. системы управления и контроля, которые включают в себя необходимые наборы микроопераций С. для выполнения микрокоманд. Выявленные переходы ак, согласно условиям срабатывания переходов, переводят подсистему управления и контроля от выполнения одной микрокоманды к другой. Набор микрокоманд, микроопераций и переходов напрямую зависит от управляемых параметров систем вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов и для каждой такой системы выбирается свой набор. Оставшиеся микрокоманды и переходы, которые не используются для выполнения основного алгоритма работы подсистемы управления и контроля, служат в качестве необходимой избыточности аппаратных средств управления. Эта избыточность может быть использована для дальнейшей модернизации подсистемы управления и контроля
На основании управляемых параметров системы вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов [108] составляется таблица микроопераций и микрокоманд для системы управления и контроля турбо-механизмами, согласно минимизированной матрице Qm2:
Программная реализация автоматизированной системы Программная реализация автоматизированной системы очистки с применением вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов выполнена методом структурного автоматного программирования А.Ю. Мухопада [15, 73, 74]. Структурное автоматное программирование - это метод программирования, основанный на структурной схеме автоматов нового типа с правилом функционирования Мура. Перед началом программирования необходимо перевести ГС А (рис. 3.6) в граф переходов (рис. 3.8). Программный код управляющего автомата (рис. 3.7) определяется через последовательность следующих действий: 1. Производится абстрактный синтез управляющего автомата, то есть строится граф переходов (рис. 3.8).
Причем, если есть переход вида at(t) — a.aM(t +1), то значение ос. заменяется на р где р = а . Тогда все переходы на «траектории счетчика» будут реали-зовываться по условиям ос0 или осг, р а0 заменяется на условие у. Тогда условие у = 1 при необходимости прибавления «1» к содержимому счетчика, что можно определить как логическую сумму кодов состояний a(f) — {а} на самом длинном пути. Эта процедура повторяется и для других непрерывных участков графа переходов. 3. Если на графе переходов имеются петли, то они ликвидируются за счет введения пустой вершины графа перед вершиной с петлей. 4. Используется структурная организация управляющего автомата с памятью a(t) на счетчике. На основе графа переходов составляется две таблицы со следующей последовательностью действий:
Данный способ дополнительно уменьшает объем памяти комбинационной схемы автомата, приблизительно в 2 раза, за счет включения в его структуру стековой памяти первого рода, состоящей из пяти регистров, и объединения четырех подграфов с одной структурой в один подграф по сравнению со структурной организацией по методу А.Ю. Мухопада. 3.7. Выводы
Успешное применение в данной работе методик продемонстрировано на примерах разработки автоматизированной системы очистки технологических сред с применением вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов.
Разобраны особенности управления и контроля автоматизированных систем очистки технологических сред.
Разобрано построение тестовых наборов и на их основе построение маршрута тестирования подсистем управления и контроля исполнительными механизмами.
Разобрано обеспечение контроля функционирования автоматизированной системы в ходе работы за счет выявления всех возможных переходов и выбора из найденного множества переходов их определенного набора для успешного функционирования определенных автоматизированных систем.
Разобрано преобразование маршрута тестирования в алгоритм работы подсистемы управления и контроля системой вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов, на базе которого выбираем схему автомата для подсистемы управления и контроля.
Применение методики математического моделирования с использованием аппарата сетей Петри с запрещающими дугами позволило разработать математическую модель динамических и информационно-управляющих процессов, алгоритм работы и автоматную модель подсистемы управления и контроля.
Выполнено программирование управляющего автомата с реализацией программы на языке C++.
Предложен метод дополнительного уменьшения объема памяти комбинационной схемы автомата, приблизительно в 2 раза, за счет включения в его структуру стековой памяти первого рода, состоящей из пяти регистров, и объединения четырех подграфов с одной структурой в один подграф по сравнению со структурной организацией по методу А.Ю. Мухопада.
Сферы применения систем очистки технологических сред с использованием вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов
Как модель В.М. Глушкова, так и модель Ю.Ф. Мухопада создавались для отображения и преобразования информационных процессов в системе. При этом множество входных сигналов X и множество выходных сигналов Y - есть информационные характеристики ОУ.
Для модели дискретных систем у В.М. Глушкова X - есть двоичный код хх, х2, ... хт, a Y - аналогично ух, у2, ... Ут- частном случае т = п для электронных вычислительных машин. В системной модели Ю.Ф. Мухопада сигналы X и Y могут быть как цифровыми, так и аналоговыми: Ф - функциональная подсистема, И - информационная подсистема, Л - логическая подсистема, А -адресная подсистема, У - управляющая подсистема.
Для ультразвуковой системы очистки технологических сред с применением вихревого эффекта характерно наличие двух каналов - непосредственно энергетического канала, преобразующего энергию входного сжатого воздуха X в энергию, передающуюся выходному потоку холодного и горячего воздуха и ультразвуковому излучению для очистки Y, и информационного канала, отображающего "рождение" информации (через датчики оц, а2, ... а ) о процессах в энергетическом канале и канала преобразования информации с целью выборки команд управления энергетическим каналом. При этом по структурной модели функциональная подсистема - есть комплекс механизмов и устройств энергетического канала, исполняющих свои функции под действием управляющих команд А1, А2, ... Ак для включения и отключения электродвигателей с целью управления и контроля главными исполнительными подсистемами, содержащими вихревые и ультразвуковые механизмы. Входными сигналами для системы управления являются показания датчиков температуры и давления оц, а2,... а , а выходными - команды Ax{t), A2{t),... Ak{t) (рис. 3.3). /7777777777
Схематическая модель автоматизированной системы очистки технологических сред с применением вихревого эффекта и ультразвука, где ВТ -вихревой исполнительный механизм (вихревая труба) S S2,... Sm -электромеханическая система, оц, а2,... aq - датчики информации о процессах в энергетической системе, А1, А2,... Ак - команды управления, X - энергетический канал входного воздействия (электропровод), ПС - размещение пневмостанции и ультразвуковой системы очистки технологических сред с применением вихревого эффекта (Земля), ЭК - энергетический канал, Кх, К2,... Kt - каналы ответвления с клапанами соответственно Д15 Д2,... Дк. Сигнал Y пропорционален выходной энергетической мощности, сообщенной потоку холодного сжатого воздуха ХСВ, уходящему в атмосферу, потоку горячего сжатого воздуха ГСВ и ультразвуковому излучению УЗИ, направленным на очищаемую поверхность Рассматривая управляющую подсистему как автомат с правилом функционирования Мура [33], его структуру можно представить по новой оригинальной схеме [70-73, 75, 76, 79] в виде рис. 3.4.
Автомат управления системой очистки технологических сред с применением вихревого эффекта и ультразвука Адресная подсистема в энергетическом канале представлена системой непосредственных связей механизмов передачи энергии.
В информационном канале ультразвуковой системы очистки технологических сред с применением вихревого эффекта информационная подсистема есть набор блоков (регистры памяти Рг 1 и Рг 2), хранящих код состояния процессов в энергетических каналах.
Управляющая подсистема всей ультразвуковая системы очистки технологических сред с применением вихревого эффекта - есть автомат выработки последовательности команд в логической и временной взаимосвязи. Поэтому состояния ультразвуковой системы очистки технологических сред с применением вихревого эффекта отображаются соответствующими состояниями a(t) автомата управления в момент t. Код a(t) обозначен в виде xl, х2,... хт. Этот код хранится в регистре (Рг 2), а в следующий момент времени (t + 1) код состояния a(t + Y)B виде ух, у2, ... ут хранится в регистре Рг 1. Эта информация (ух, у2, ... ут) расшифровывается, т.е. преобразуется в унитарный код дешифратором (DC) для выдачи команд A t), A2(t), ... Ak(t). Естественно, что команды Ak(t), не имеющие достаточного энергетического уровня в виде информационных сигналов логической "1" (включить) и логического "О" (отключить), необходимо усилить.
Логическая подсистема (Л) в управляющем автомате представлена комплексом датчиков информации оц, ос2, ... ос , размещенных на механизмах энергетического канала (ОУ) и мультиплексором (М) с RS триггером. Мультиплексор по коду ух, у2, ... ут производит выбор единственного логического условия от датчика aq из всего множества оц, ос2, ... aq (ос є {а}) для преобразования конкатенации кодов aq х1 х2 ... хт адресной (А) подсистемы в код выходной команды Ak(t) совпадающей с состоянием a(t) автомата управления. Следует заметить, что согласно структуре автомата (рис. 3.4) выбирается только то условие, которое соответствует состоянию процесса в энергетической подсистеме.
Роль адресной подсистемы в автомате управления выполняет комбинационная схема (Ксх.), которая чаще всего заменяется постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) или программируемой логической схемой (ПЛМ). В адрес 70 ной подсистеме (А) хранятся в ПЗУ коды состояний (или их аналог в виде логических комбинаций в ПЛМ) и их переходов из одного состояния механической подсистемы в другое состояние в процессе преобразования энергетических импульсов.
Правило преобразования состояний a(t) —» a(t +1) может быть получено, если отобразить процессы в энергетическом канале в виде динамических переходов с проверкой значения логических условий aq, соответствующих предыдущему состоянию a(t) и с выработкой значения нового логического условия, соответствующего a(t +1).
Математической моделью, способной наилучшим образом отразить динамические преобразования a(t) —» a(t + \) с учетом aq є {а}, является сеть Петри. Правила составления сети Петри для сложных механических систем, к которым относится ультразвуковая система очистки технологических сред с применением вихревого эффекта, требуют самостоятельного подхода, который изложен в работах [63, 109].