Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ технологического процесса производства керамического кирпича как объекта комплексной автоматизации 8
1.1.Анализ технологических операций в производстве керамических изделий 8
1.2. Анализ концепции агрегатирования и особенности автоматизации технологических комплексов в керамическом производстве 15
1.3.Анализ методов и моделей формализованного представления функционирования технологических агрегатов с дискретным принципом действия 21
1.4. Анализ состояния исследований в области разработки управляющих систем с высоким уровнем живучести 29
1.5.Выводы по результатам анализа и постановка задачи исследования 33
ГЛАВА 2. Разработка методики проектирования системы автоматизации производства керамического кирпича, обладающей свойством живучести 35
2.1 .Разработка обобщенной дезагрегированной модели технологического процесса производства керамического кирпича 35
2.2. Разработка конечно-автоматных моделей технологических агрегатов производства керамического кирпича 48
2.3.Разработка метода кодирования и интерпретации конечно-автоматных моделей технологических агрегатов 62
2,4.Разработка моделей функционирования технологических агрегатов на основе сетей Петри 66
ГЛАВА З. Разработка математических моделей и методов принятия диагностических решений в распределенных вычислительных системах 71
3.1. Разработка структурно-функционального метода контроля и диагностирования распределенных вычислительных систем 71
3.2.Разработка специальных математических моделей распределенных управляющих и вычислительных систем для диагностирования структурно-функциональным методом 15
3.3.Разработка алгоритма диагностирования на основе структурно-функционального метода 81
ГЛАВА 4. Разработка программного, аппаратного и лингвистического обеспечения системы автоматизации технологического процесса производства керамического кирпича 88
4.1. Разработка языка структурного описания распределенных вычислительных систем 88
4.1.1. Основные требования кязыку описания распределенных вычислительных систем 88
4 Л .2. Разработка языка структурного описания 90
4.1.3. Разработка лексического и синтаксического анализаторов языка структурного описания 99
4.2, Разработка устройства моделирования конечных автоматов 103
4.3, Разработка программного обеспечения системы моделирования функционирования технологических агрегатов на основе сетей Петри 112
4.4. Разработка распределенной системы автоматизации технологических агрегатов 124
Основные результаты работы 132
Список литературы 134
Приложения 143
- Анализ концепции агрегатирования и особенности автоматизации технологических комплексов в керамическом производстве
- Разработка конечно-автоматных моделей технологических агрегатов производства керамического кирпича
- Разработка структурно-функционального метода контроля и диагностирования распределенных вычислительных систем
- Разработка устройства моделирования конечных автоматов
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из основных методов интенсификации производства в керамической промышленности является создание и внедрение крупных технологических агрегатов и комплексов агрегатов с форсированными режимами технологических процессов. Эффективно управлять такими технологическими объектами невозможно без использования методов теории управления в сочетании с современной управляющей и вычислительной техникой. Эта проблема решается по двум направлениям: путем создания новых автоматизированных заводов и реконструкции действующих предприятий. Наиболее эффективна внедряемая в последние годы комплексная автоматизация агрегатов и всего производства в целом. Для решения этой задачи необходимы специальные исследования, направленные на создание математических моделей технологических агрегатов, разработка на их основе систем управления в классе распределенных управляющих и вычислительных комплексов.
Важной составляющей при решении проблемы комплексной автоматизации является создание методов и средств управления дискретными технологическими процессами, которые занимают значительное место в производстве керамического кирпича. Дискретные процессы, в керамическом производстве, обладают большой сложностью, многие из операций выполняются параллельно и требуют взаимной синхронизации. Задача организации автоматического управления дискретными процессами заключается в описании процесса и последующей реализации этого описания на базе современных распределенных микроконтроллерных систем. Для сложных дискретных процессов, реализующих поточно-конвейерный технологический процесс очень важно обеспечить формализованные методы разработки и последующей программно-аппаратной реализации законов управления.
Так как основой технической реализации современных систем управления дискретными технологическими процессами являются управляющие и микроконтроллерные сети, то актуальной задачей является обеспечение живучести такого рода вычислительной системы, что в свою очередь предполагает создание развитых структур систем автоматизации с аппаратной и временной избыточностью встроенными или параллельно работающими подсистемами
5 контроля и диагностирования, алгоритмической и программной поддержкой процессов контроля работоспособности, которые обеспечивали бы достижение глобальной цели функционирования системы автоматизации, возможно с частичной потерей качества управления, даже при отказах отдельных элементов управляющей системы или при изменениях параметров объектов управления.
Цель диссертационной работы — совершенствование систем автоматизации процесса производства керамического кирпича на основе разработки дискретных моделей функционирования технологических агрегатов.
Поставленная цель достигается при решении следующих основных задач: разработка формализованных моделей дискретных технологических процессов в производстве керамического кирпича; разработка процедуры синтеза системы управления технологическими агрегатами в условиях поточио-конвейерпого процесса производства; компьютерное моделирование процессов функционирования технологических агрегатов производственного процесса; разработка методов и средств технического диагностирования распределенного управляющего комплекса системы автоматизации; разработка алгоритмического, программного и аппаратного обеспечения системы автоматизации технологического процесса производства керамического кирпича.
Методы исследований. В работе использовались методы системного анализа, теории множеств, теории графов и гиперграфов, теории конечных автоматов, теории сетей Петри, системного моделирования, контроля и диагностирования технических систем.
Научную новизну работы составляют: процедура синтеза системы автоматизации дискретными технологическими процессами производства керамического кирпича в классе распределенных управляющих и вычислительных систем, обладающих свойством отказоустойчивости и живучести на основе концепции дезагрегированного процесса; конечно-автоматные и сетевые модели функционирования технологических агрегатов процесса производства керамического кирпича; метод программно-аппаратной реализации устройств управления на основе конечно-автоматных моделей технологических агрегатов; структурные модели и метод диагностирования распределенных систем управления технологическими процессами.
Практическая значимость работы заключается:
1) в результатах системного анализа технологического процесса производства керамического кирпича; в методике аппаратно-программной реализации устройств управления на основе конечно-автоматных моделей; в методике контроля и диагностирования распределенных систем управления;
4) в разработанной программно-аппаратной поддержке процесса автоматизации производства керамического кирпича, допускающей расширение.
Внедрение результатов исследований. Результаты исследований, связанные с разработкой системы контроля и диагностирования распределенных управляющих систем, выполненные в соответствии с хоздоговорными научно-исследовательскими работами Язі 1/95 и 21/96, внедрены на ТТС г. Белгорода, а также в ОВО при Свердловском РОВД г. Белгорода.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих научно-технических конференциях: Ускорение научно-технического прогресса в промышленности строительных материалов и строительной индустрии, Белгород (1987 г); Управление сложными техническими объектами и технологическими процессами в промышленности строительных материалов, Белгород (1989 г); VIII Межвузовское совещание-семинар: Методы и средства технической диагностики, Харьков (1989 г.); Системотехнические принципы управления технологическими процессами, Белгород (1991 г); Системотехнические принципы управления технологическими процессами, Белгород (1993 г); Механизация и автоматизация технологических комплексов в промышленности строительных материалов, Белгород (1995 г); Перспективные системы управления на железнодорожном, промышленном и городском транспорте, Алушта (1996 г); Живучесть и реконфигурация информационно-вычислительных и управляющих
7 систем, Москва (1988 г); 5-я Международная конференция:
Распознавание - 2001, Курск (2001 г); VI международная научно-техническая конференция: Кибернетика и высокие технологии XXI века, Воронеж (2005 г).
Связь с научно-техническими и другими программами.
Работы выполнялись в соответствии с инновационной программой «Трансферпые технологии, комплексы и оборудование», а также в соответствии с НИР «Разработка принципов и методов построения унифицированных средств управления для интеллектуальных зданий».
Основные положения диссертации, которые выносятся на защиту: формализованные модели дискретных технологических процессов в производстве керамического кирпича; процедура синтеза системы автоматизации дискретными технологическими процессами производства керамического кирпича в классе распределенных управляющих вычислительных систем, обладающей свойством живучести; метод программно-аппаратной реализации устройств управления на основе конечно-автоматных моделей технологических агрегатов; специальные структурные модели, используемые для контроля и диагностирования распределенных управляющих систем; алгоритмическое, программное и лингвистическое обеспечение системы автоматизации технологического процесса производства керамического кирпича.
Анализ концепции агрегатирования и особенности автоматизации технологических комплексов в керамическом производстве
В настоящее время чётко прослеживаются две основные тенденции развития промышленных технологических комплексов по производству керамического кирпича. Первая - проектирование, строительство и эксплуатация мини-заводов, которые могут работать на местном сырье с ограниченными запасами, требуют сравнительно небольших капитальных затрат на оборудование и строительства, а срок монтажа и наладки оборудования составляет несколько месяцев. В состав такого завода малой мощности (3-3,5 млн. шт. кирпича в год) могут входить: грейфер, измельчитесь с лотком, транспортёр, шнек, блок вальцев, пресс гидравлический, лебёдки, передаточные тележки, захваты, сушилка, печь обжига, несколько десятков вагонеток, несколько толкателей вагонеток, кран балки.
Такой подход не позволяет эффективно обеспечить комплексную автоматизацию производства в виду неоправданности экономических затрат. Вторая тенденция состоит в создании крупных (более 40 млн. шт. кирпича в год) предприятий. Следует отметить, что обычно на строительство таких кирпичных заводов от разработки проекта до выпуска кирпича затрачивается 6-7 лет (разработка проекта - 1,5-2 года, строительство производственного здания - 2-2,5 года, пуск и наладка - 1,5-2 года).
Такие предприятия имеют сложную иерархическую структуру системы управления. При этом отдельные технологические агрегаты должны быть обеспечены локальными системами управления, а так же средствами коммуникаций для передачи информации на верхние уровни управления. Причём программно-технические решения должны быть заложены в проект с опережающим "технологическим резервом" для предотвращения их старения за время проектирования и ввода завода в эксплуатацию.
В связи с высокой материалоёмкостью и энергоёмкостью основного производства керамических изделий в качестве критерия его эффективности при автоматизации технологических процессов принимается минимум технологической составляющей себестоимости планируемого объема выпуска. В результате анализа решения задачи минимизации технологической себестоимости, выполняемого в ВНПО «Союзавтоматстром», определена совокупность критериев управления производственными участками и основными технологическими операциями [2]. Вся совокупность критериев, а следовательно и задач автоматизации, делится на два класса, решаемых на различных иерархических уровнях системы управления. В результате решения задач первого (верхнего) уровня управления устанавливаются технико-экономические показатели производства, а также оптимальные значения технологических параметров, подлежащих стабилизации: влажности и вязкости глинистой суспензии; гранулометрического состава тонко измельченных отощающих материалов и плавней; дозировки глин отощающих материалов и плавней, давления прессования; температуры теплоносителя в секциях сушилки и секциях печи и др.
На нижнем уровне управления непосредственно решаются задачи стабилизации перечисленных параметров. Задачи верхнего уровня могут быть решены в виду их сложности с использованием специализированного программного обеспечения автоматизированных рабочих мест. Стабилизация технологических параметров, как правило, осуществляется локальными системами автоматики на основе современного микроконтроллерного оборудования.
Рассмотрим основные принципы технической концепции, используемой при проектировании современных кирпичных заводов.
1. Обеспечение высокого качества подготовки сырья, определяющее в конечном итоге качество выпускаемого кирпича. Это достигается путём учёта всех технологических факторов подготовки сырья и использования достаточно большого количества птицеперерабатывающего оборудования (до 10 единиц). Одновременно возможны технические решения позволяющие осуществлять глубокую комплексную переработку сырья в одном агрегате. Реализация такого подхода требует оснащения агрегатов развитыми средствами технологического контроля за ходом массопереработки.
2. Обеспечение возможности последующего (после ввода завода в эксплуатацию) увеличения объёма выпуска кирпича путём наращивания количества технологического оборудования. Важно и то, что может производиться и снижение мощности завода без изменения технологического цикла. Такого рода реструктуризация требует разработки на этапе проектирования завода целого ряда математических моделей, позволяющих проводить логико-временное моделирование работы технологических агрегатов и управление ими.
3. Унификация технологических агрегатов и всей технологической схемы производства, позволяющей при соответствующем дооборудовании производить наряду с кирпичом черепицу, керамическую плитку и другие изделия. Для реализации такой структурно технологической перестройки целесообразно располагать моделью для оценки временных затрат и согласования длительностей интервалов для отдельных агрегатов и переделов. Кроме того, должно быть использовано оборудование, оснащённое микропроцессорными информационно измерительными, контрольными и диагностическими подсистемами.
Примером реализации вышеназванных концептуальных подходов в проектировании технологических агрегатов является комплекс СМК-350 [18]. В состав комплекса входит: - оборудование отделения первичной переработки сырья, которое служит для приема его от автотранспорта, переработки и загрузки в шихтозапасник ямного типа (в качестве резервного варианта сырье может передаваться в формовочное отделение непосредственно, минуя шихтозапасник); - оборудование формовочного отделения, которое служит для переработки массы, разгружаемой из шихтозапасника или поступающей из отделения первичной переработки, и формования непрерывного глиняного бруса; -автомат-укладчик СМК-377, предназначенный для двухстадийной резки кирпича из формуемого прессом глиняного бруса, формирования слоев кирпича-сырца и укладки их на полки каркасных сушильных вагонеток; -автомат-разгрузчик СМК-379, служащий для разгрузки сушильных вагонеток и передачи высушенных изделий на приемный конвейер автомата-садчика;
Разработка конечно-автоматных моделей технологических агрегатов производства керамического кирпича
В производстве керамического кирпича большой удельный вес имеют технологические процессы дискретного (переключательного) типа, характеризующиеся большим количеством логических операций, которые необходимо выполнить при осуществлении управления последними. Укажем три характерных класса производственных задач, решение которых требует выполнения определенной последовательности логических переключательных операций [30]:
1) согласование совместной работы однотипного технологического оборудования (например, согласование циклов работы отдельных агрегатов, работающих параллельно);
2) осуществление оптимальных по быстродействию (в смысле экономии времени) и эксплуатационных затрат пуска и остановки оборудования; 3) защита агрегатов в аварийных ситуациях и др.
В одних случаях весь процесс управления состоит в реализации заданной последователыюсти переключений, а в других - процессы переключательного типа составляют лишь часть всего производственного цикла.
Управление производственными процессами переключательного типа осуществляется в соответствии с некоторой оптимальной стратегией переключения, получаемой в виде логического алгоритма управления. Характерная черта переключательных процессов в том, что они полностью детерминированы, т.е. задана в явном виде логика их функционирования. Следователыю, задана и логика управления, определяющая оптимальную стратегию переключения производственного оборудования при выполнении производственной задачи, для решения которой предназначен данный процесс. Выбор оптимальной стратегии переключений, основанный на анализе возможных ситуаций, возникающих в ходе использования оборудования в разных режимах, первоначально формируется в виде словесного предписания. Обязательные требования к этому технологическому предписанию - непротиворечивость и полнота задания законов функционирования описываемого процесса. Однако существование такого предписания является необходимым, но недостаточным для работы средств логического управления, так как нужна и определенная степень формализации описания функционирования управляемого процесса. Таким образом, встает задача алгоритмизации объектов логического управления и только после решения этой задачи можно приступать к разработке средств логического управления.
Для составления формализованного описания данного производственного процесса переключательного типа с последующей реализацией по нему логического управления широко используется аппарат дискретной математики [12, 20,26-28, 30,46, 51, 63, 70,71, 77].
Понятие состояния в определении автомата введено в связи с тем, что часто возникает необходимость в описании устройств управления, выходные сигналы которых зависят не только от состояния входов в данный момент времени, но и от предыстории, т.е. от сигналов поступивших на входы системы ранее. Состояния как раз и соответствуют некоторой памяти о прошлом, позволяя устранить время как явную переменную и выразить выходной сигнал как функцию состояния и входа в данный момент времени.
Выделение во множестве состояний начального состояния объясняется чисто практическими соображениями, связанными с необходимостью фиксировать в большинстве практических случаев условия начала работы дискретного устройства управления. Многие же задачи на уровне абстрактного автомата можно решать, не выделяя в нем начального состояния.
Автомат называется конечным, если конечны множества A, Z и W, и детерминированным, если в нем выполнено условие однозначности переходов: находясь в некотором состоянии, он не может перейти в более чем одно состояние под действием одного и того же входного сигнала [71].
Для того чтобы задать автомат, необходимо описать все компоненты вектора S. Наибольшее распространение получили табличный и графический способы задания автомата [26-28, 30, 46, 71]. Воспользуемся этими способами для описания функционирования агрегатов технологического процесса производства керамического кирпича с целью их представления в форме абстрактных моделей, удобных для решения поставленных задач.
Рассмотрим процедуру построения конечно-автоматных моделей наиболее доминантных во всем технологическом процессе переделов и используемых в них агрегатов [76] . К ним относятся такие технологические переделы как формование изделий с использованием пресса шнекового вакуумного СМК-168 и разрезание бруса в автомате однострунной резки (модели некоторых других агрегатов приведены в Приложении 1).
Пресс работает следующим образом. Предварительно тщательно переработанная глина с добавками через загрузочное отверстие подается в смеситель пресса. Вращающиеся лопасти подхватывают ее, транспортируют, перемешивают. Одновременно глина увлажняется паром или водой до получения однородной и равномерно увлажненной массы. Перемещаемая масса при поступлении в конический корпус подхватывается двухзаходными непрерывными винтовыми лопастями. Здесь из массы создается плотный герметичный затвор подсосу воздуха, и шнек нагнетает ее в вакуумную коробку, куда она входит в виде трубы. В вакуумной коробке масса разрезается вращающимся ножом на мелкие куски, из которых удаляются пузырьки воздуха при своем падении в приемную коробку. Вакуумированная масса вальцем вдавливается в пространство между лопастями шнека. Последний перемещает ее и через головку и мундштук двухзаходной выпорной лопастью выдавливает из пресса в виде непрерывной ленты, полнотелого или со щелями бруса, который разрезается на кирпич сырец.
Современные прессы, предназначенные для пластического формования полнотелых и пустотелых изделий из глиняных масс, различаются в основном производительностью и мощностью и состоят из двух агрегатов: шнекового пресса и одновального смесителя. Каждый агрегат имеет самостоятельный привод - из электродвигателя, двухдисковой муфты сцепления и редуктора. Для привода муфт сцепления используются отдельные электродвигатели, отключаемые в крайних положениях конечными выключателями. Одновальный смеситель оборудован устройством для доувлажнения глины. Пресс оснащен устройством для контроля уровня глиняной массы в вакуум-камере, датчиком давления массы в прессовой головке и системой доувлажнения, регулирующей подачу воды в смеситель пресса.
Системы управления прессов структурно аналогичны и обеспечивают: включение и отключение приводов (со всеми необходимыми блокировками), регулирование уровня массы в вакуум-камере и ее консистенции путем изменения расхода вода.
При автоматическом пуске включается маслонасос, а муфта пресса расцепляется затем включается расцепление муфты смесителя. По сигналу датчиков крайнего положения при расцепленном состоянии муфт запускаются вхолостую электродвигатели приводов пресса и смесителя. f Включение электродвигателей муфт для запуска пресса и смесителя производится отдельно.
Разработка структурно-функционального метода контроля и диагностирования распределенных вычислительных систем
Решение задачи обеспечения высокой живучести распределенных систем автоматизации технологического процесса производства кирпича, построенных на базе микроконтроллерных вычислительных сетей, предполагает в соответствии с принятой концепцией проектирования (1.1.1), представленной в форме векторно-матричной коммутативной диаграммы (см. рис. 1.1.1), выполнение управляющей вычислительной системой процедур контроля работоспособности (отображение О) и диагностирования (отображение D) как объекта управления (технологического оборудования), так и элементов системы автоматизации, включающей измерительные и исполнительные устройства, микроконтроллеры, управляющие ЭВМ с соответствующим программно-алгоритмическим обеспечением.
Методы системного диагностирования отказавших компонент в сложных вычислительных системах основаны на том, что, ограничивая максимальное число одновременно отказавших элементов, можно реализовать необходимые диагностические функции с помощью оставшихся исправных машин. Для описания взаимодействия отдельных частей системы при реализации диагностических процедур часто применятся классическая модель P. Preparata, G. Metze,T.Chein.[110]
Эта модель базируется на следующих допущениях: - большая система разделяется на блоки, каждый из которых в отдельности может тестировать другой блок; - используя в качестве основы ответные реакции, на подачу тестовых воздействий, результат конкретного теста классифицируется как «проходит» либо «отказывает», то есть, блок, проводящий тестирование, оценивает блок, подвергаемый тестированию, либо как «свободный от отказов», либо как «отказавший»; - оценка, получаемая в результате тестирования, неизменно оказывается точной, если блок, ведущий тестирование, является свободным от отказов; в обратном случае результат тестирования оказывается недостоверным.
Данные допущения обеспечивают возможность представления модели диагностируемой системы, в виде направленного графа. В этом графе каждая вершина Vj соответствует некоторому элементу из состава диагностируемой системы, а каждое ребро, идущее в направлении от вершины v, к вершине v, (и обозначаемое посредством символа VjJ), соответствует существованию некоторого
ТеСТа, ПОСреДСТВОМ КОТОрОГО ЭЛемеНТ V,- Осуществляет Оценку СОСТОЯНИЯ Элемента Vj. Предположение о том, что некоторый блок может тестировать другие блоки, требует обеспечения полного доступа ко всем модулям, которые подвергаются тестированию. В выполнении этого требования имеются существенные трудности, так как требуется сложная сеть межсоединений. Кроме этого, проверочные связи в графе не отражают структуры потока данных, циркулирующих в системе. Другое ограничение, присущее модели, разработанной P. Prepareta, G. Metze, T.Chein, состоит в том, что она рассматривает всего лишь один набор возможных исходов прохождения тестов.
Другим подходом к диагностированию вычислительных систем большой размерности является структурный метод. Существующие способы реализации данного метода в рамках графового подхода имеют некоторые недостатки, основными из которых являются следующие: - отсутствует учёт "поведенческих" характеристик отдельных элементов и системы в целом при решении задачи поиска неисправностей, что существенно ограничивает возможность применения полученных результатов; - модель системы в виде матрицы путей, применяемая для организации вычислительного процесса принятия диагностических решений, достаточно сложна; - класс возможных неисправностей ограничен одиночными.
В диссертационной работе рассматривается модификация структурного метода диагностирования сложных распределенных управляющих и вычислительных систем, которая позволяет устранить в основном перечисленные выше недостатки. В основу методики положена идея формализации инженерного у способа поиска отказавших элементов в вычислительной системе "по цепям"
путём анализа результатов функционального тестирования и специальной структурной модели системы.
Сущность данной методики заключается в следующем [84, 86]:
1) производится проверка функционирования системы в "штатном" режиме функционирования;
2) программные диагностические агенты в коммуникационных узлах, осуществляют направленный мониторинг состояния входящих соединений и транслируют результаты на следующий уровень структурной организации системы вплоть до выделенных диагностических станций;
3) результаты таких функциональных тестовых испытаний сравниваются с эталонной математической моделью системы;
4) множество контролируемых выходов системы, на которых наблюдались рассогласования значений диагностических признаков, заносятся в протокол испытаний (рассогласований); і
5) множество структурных элементов системы, которые "работают" (структурно связаны) на контролируемые выходы, занесенные в протокол испытаний, включаются в список элементов, подозреваемых в неисправности (СЭПН);
6) на основании анализа результатов поведения системы с неисправностями осуществляется процесс сокращения СЭПН путём вычёркивания элементов, "работающих" на выходы, которые не принадлежат протоколу рассогласований. Алгоритмизация процесса поиска неисправностей в соответствии с этой методикой предполагает комплексное решение следующих основных задач:
1) построение структурной модели системы в виде ориентированного мультиграфа по заданной функциональной (логической) схеме системы;
2) преобразование мультиграфа системы в специальную структурную модель принятия диагностических решений, которая позволяет организовать условную вычислительную процедуру вывода списков элементов, подозреваемых в неисправности (СЭПН) при наличии в системе неисправностей произвольной кратности и удовлетворяет требованиям обработки устройств большой размерности; i 3) оценка проверяемости и наблюдаемости заданного класса исследуемых неисправностей на множестве тестовых воздействий или воздействий, определяемых "штатным" режимом функционирования системы;
4) построение алгоритма принятия диагностических решений по заданному протоколу испытаний на множестве входных воздействий путём анализа этой модели;
5) оценка разрешающей способности диагностирования системы структурно-функциональным методом и выбор дополнительного числа контрольных точек с целью обеспечения заданной разрешающей способности диагностирования.
Разработка устройства моделирования конечных автоматов
Воспользовавшись предложенным в главе 2 способом кодирования и интерпретации конечно-автоматных моделей, разработаем устройство моделирования конечных автоматов, позволяющее реализовать аппаратную реализацию закона управления объектом. При разработке устройства моделирования конечных автоматов технически реализована идея двухфазной интерпретации конечного автомата [87, 90, 91]. Г Разработанное устройство обладает следующими особенностями: - параллельное вычисление значений системы булевых функций, описывающих моделируемый конечный автомат; - возможность реализации раздельного способа настройки на моделируемый конечный автомат; - возможность исследования поведения автомата без учета «предыстории» его функционирования.
Устройство для моделирования конечных автоматов (рис. 4.2.1) содержит блоки памяти 1 и 2, первый коммутатор 3, адресные входы 4, первый регистр 5, дешифратор 6, второй регистр 1, мультиплексор 8, информационные выходы 9, второй 10, третий 11, четвертый 12 коммутаторы, третий 13, четвертый 14, пятый 15 регистры, блок управления 16, настроечные входы 17,18, входы подачи начального адреса 19, информационные входы 20, управляющие выходы 28 и 29, связи 30-45.
Разработанное устройство предназначено для использования совместно с внешними по отношению к нему средствами управления, например, с ЭВМ. Устройство работает в двух режимах. Значение «1» на управляющем входе 21 задается режим настройки, а «0» - режим моделирования.
Управляющие входы устройства 22, 23, 24 и 25 используются только в режиме настройки. Значение «1» на входе 22 сигнализирует о готовности информации для записи в блоки памяти 1, 2 и регистр 6. Выбор приемника информации определяется комбинацией значений на управляющих входах 23, 24, Комбинации (1,1), (1,0), (0,0 или 0,1) определяют в качестве приемника соответственно блок памяти 1, регистр 7, блок памяти 2. Появление единичного значения на входе 25 означает конец процедуры записи по выбранному приемнику.
Управляющие входы 26, 27 служат для запуска и установки устройства в начальное состояние. Управляющий выход 29 используется для выдачи внешним средствам управления признака готовности устройства к приему информации в режиме настройки. Единичное значение на управляющем выходе 28 устройства сигнализирует о завершении очередного такта моделирования.
Первый коммутатор 3, второй коммутатор 10, третий коммутатор 11 и четвертый коммутатор 12 в зависимости от значений на управляющих входах обеспечивают подключение соответствующей группы информационных входов к выходам первого регистра 5, входам второго регистра 7, адресным входам первого блока памяти 1 и адресным входам второго блока памяти 2. В табл. 4.2.1 показано соответствие между значениями на управляющих входах коммутаторов и подключаемыми группами информационных выходов.
Дешифратор 6 обеспечивает формирование стробов записи данных, снимаемых с выхода второго коммутатора, в заданный разряд регистра 7. Разрядность дешифратора выбирается такой, чтобы обеспечить дешифрирование п+г переменных.
В блок памяти 1 записывается закодированная информация о вігутренних узлах дерева автомата. Каждое слово состоит из четырех полей:
1) поле признака окончания прохода по дереву (используется для определения момента перехода ко второй фазе моделирования автомата);
2) поле базового адреса (используется для вычисления адреса перехода в блок памяти 1);
3) поле кода переменных, расположенных во внутренних узлах дерева (задает код переменной, значение которой определяет выбор направления движения по дереву);
4) поле внешнего адреса (указывает на начало описания в блоке памяти 2 информации, расположенной в соответствующей терминальной вершине). При организации прохождения по дереву адрес перехода вычисляется путем присоединения к базовому адресу (со стороны младшего разряда) значения переменной, находящейся в соответствующем узле дерева.
В блоке памяти 2 расположена информация из терминальных вершин дерева автомата. При этом каждое слово содержит четыре поля:
1) поле признака окончания информации, записанное в терминальной вершине (единичное значение соответствует завершению второй фазы моделирования);
2) поле значения выходных переменных и переменных, определяющих код состояния;
3) поле кода выходных переменных и переменных, определяющих код состояния;
4) поле адреса перехода в блоке памяти 2 (используется для определения значения следующей переменной из соответствующей терминальной вершины).
Для автомата (см. рис. 2.3.1), заданного своим бинарным деревом, в табл. 4.2.2 и 4.2.3 показан пример кодирования блока памяти 1 и 2.
Устройство работает следующим образом. Перед началом работы в блоки памяти 1 и 2, а также регистр 7 необходимо ввести исходную информацию о модели. Рассмотрим работу устройства в режиме записи информации в блок памяти 1. Для этого на входы 21, 23 и 24 подаются единичные значения. Затем импульсный сигнал на входе 27 устанавливает устройство в начальное состояние. После этого на управляющий вход 26 подается импульсный сигнал, который запускает устройство в работу. Блок управления дешифрирует значения на входах 21, 23, 24 и устанавливает на связях 30 и31 единичные значения. Коммутатор 11 подключает адресные входы устройства 4 к адресным входам блока памяти 1.
Одновременно на управляющем выходе 29 вырабатывается сигнал готовности устройства к приему информации. С приходом единичного значения на вход 22 устройства, означающего, что на адресных входах 4 и входах настройки 17 подготовлена информация, блок управления вырабатывает сигналы выборки кристалла и записи в блок памяти 1 (связи 32, 33). После этого определяется значение на управляющем входе 25. Если на входе единичное значение, то происходит остановка устройства с одновременной выдачей единичного значения на управляющем выходе 28, в противном случае на выходе 29 снова выставляется сигнал готовности устройства к приему информации, анализируется значение на входе 22 устройства и повторяется процедура записи в блок памяти .
Похожие диссертации на Система автоматизации технологического процесса производства керамического кирпича, обладающая свойством живучести
