Введение к работе
Актуальность. Задача, решаемая в работе по созданию технологии синтеза систем управления, относится к одной из задач по перечню «критических технологий» Российской Федерации (технологии информационных, управляющих, навигационных систем (Указ президента РФ от 7 июля 2011г. №899)) и является весьма актуальной на сегодняшний день. Это объясняется тем, что существующие подходы и методы проектирования цифровых систем управления, заложенные, например, в SCADA-системы, не являются эффективными во всех случаях, поскольку не являются универсальными, недостаточно визуализированы, не позволяют создавать системы логического управления (СЛУ) большой размерности, поскольку недостаточно эффективны методики для алгоритмического описания СЛУ и их программной реализации. В связи с этим на создание СЛУ требуются большие временные затраты.
Не облают универсальностью и достаточной эффективностью, в части синтеза СЛУ, и известные пять языков программирования, принятые стандартами МЭК (ШС-61131-3), в том числе в случае необходимости совместного применения как систем логического, так и аналогового управления. Решение подобных задач на одной математической базе, то есть на однородной платформе, так же весьма актуально.
Одним из наиболее прогрессивных для этого является подход, базирующийся на создании универсальной программы логического управления на основе матричного описания сетей Петри. Целесообразно продолжение работ по созданию СЛУ-технологии и её модернизации, которая позволит достичь большей универсальности и наглядности, чем используемые существующие языки логического программирования и существующие подходы. Современная аппаратная платформа позволяет создавать системы управления, как малыми объектами, так и их комплексами за счёт динамического изменения размерности матриц, а так же существенно продвинуться по визуализации технологии СЛУ, по дополнению технологии аналоговыми алгоритмами (на базе разработанных информационных сетей Петри) и сокращению времени проектирования.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка методики создания технологии программных систем управления с применением визуальных методов задания алгоритма в виде сетей Петри двух видов: помеченных и информационных (СП-технология) и её практическое применение в промышленности строительных материалов.
Для достижения поставленной цели был сформулирован и затем решён ряд задач исследования:
-
Анализ существующих методов построения систем управления техническими и технологическими объектами на базе промышленных контроллеров и сетевых подходов.
-
Разработка математического аппарата сетей Петри, пригодного для оперирования аналоговой информацией и динамической настройки её изменения.
-
Создание образца промышленного контроллера, использующего графическое представление алгоритма управления в виде помеченных и информационных сетей Петри.
-
Разработка методики построения систем управления промышленными объектами с использованием названных выше помеченных и информационных сетей Петри.
-
Получение математической модели трубной шаровой мельницы для её использования в адаптивной системе управления с эталонной моделью этим объектом.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
-
Разработан математический аппарат информационных сетей Петри (ИСП) как средство построения алгоритмов обработки аналоговой информации.
-
Предложен способ мультипроцессорной обработки алгоритма управления. Сформулирован критерий оптимального распределения вычислений.
-
Предложен подход к переходу от моделей звеньев структурной схемы к алгоритму, записанному в виде ИСП.
-
Разработана методика СП-технологии на базе 2-х видов сетей Петри.
-
Предложен ряд алгоритмов, использующих аппарат информационных и помеченных сетей Петри для реализации адаптивных позиционных законов управления, в том числе, трубной шаровой мельницей.
Практическая значимость работы. На основании проведённых работ был разработан программно-аппаратный комплекс логического контроллера, использующий аппарат информационных и помеченных сетей Петри. Контроллер и среда разработки были применены для разработки системы контроля освещения и управления подачей корма на птицефабрике. Предложен ряд программ и систем управления, использующих адаптивные алгоритмы управления, для управления трубной шаровой мельницей.
Внедрение результатов исследований. Опытно-промышленные испытания комплекса логического контроллера проводились на трубной шаровой мельнице ОАО «Осколцемент». Опытный образец логического контроллера использован для реализации системы автоматического управления цехом доращивания птицы на ЗАО «Вейделевский бройлер». Программно-аппаратный комплекс с использованием СП-технологии внедрён в учебный процесс на кафедре технической кибернетики БГТУ им. В.Г. Шухова.
На защиту выносятся:
-
Аппарат информационных сетей Петри;
-
Методика построения систем автоматического управления промышленными объектами с использованием алгоритмов, представленных в виде двух сетей Петри (СП-технология);
-
Способ организации мультипроцессорной обработки алгоритма управления, представленного в виде сетей Петри.
-
Адаптивная система автоматизации трубной шаровой мельницы с эталонной моделью с использованием ИСП.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты докладывались и обсуждались на XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-21)» (г. Саратов, СГТУ, 2008), XXXIV международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (г. Москва, МАТИ, 2008), XXII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-21)» (г. Псков, ПЛИ, 2009), XVII Международная конференция «Автоматика - 2010» (г. Харьков, ХНУРЕ, 2010), XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-24)» (г. Киев, КПИ, 2011), Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» (XX научные чтения) (г. Белгород, БГТУ им. В.Г. Шухова, 2011), второй Международной научно-технической конференции «КОМПЬЮТЕРНЫЕ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИИ» КНиТ-2011 (г. Белгород, БелГУ, 2011).
Публикации. Основные положения работы изложены в 15 печатных работах, из которых 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ по научной специальности диссертационной работы, получены 2 патента РФ на изобретение [3, 4], получено свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ [5].
Работа выполнялась в рамках:
-
Проекта № 2.1.2/1183 (№2.1.2 / 10008 с 2011 года) по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» по теме: «Программно-аппаратные приставки адаптивного позиционного регулирования для систем регулирования промышленных и бытовых объектов».
-
Гранта № 10107 в рамках программы «У.М.Н.И.К.» по теме «Технология создания программных систем логического управления (СЛУ-технология)»
Личный вклад. Все разделы диссертационной работы написаны лично автором. Результаты исследований получены им самостоятельно, либо при его непосредственном участии.
В работах, связанных с ИСП, написанных в соавторстве, автору принадлежит: введение нового вида сетей Петри - информационные сети Петри, рассмотрена их работа, изучены свойства. Автор провёл разработку
аппаратной реализации контроллера, включающую ряд тестовых образцов модулей логического контроллера. Разработка доведена до предсерийной стадии, на которой изготовлен промышленный образец контроллера (модель и комплект конструкторской документации, необходимый для её выпуска) и рабочий вариант среды разработки PetriCAD.
В патенте [4] автором предложена электронная схема устройства, а в [3] - способ адаптации зоны нечувствительности и идентификации объекта.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа, теории сетей Петри (СП), дискретной математики, линейных дифференциальных уравнений и их решений, методы теории подобия, методы синтеза модулей вычислительной техники и параллельных вычислений.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 118 наименований. Работа изложена на 171 странице, в том числе содержит 61 рисунка, 10 таблиц, и 15 приложений на 31 страницах.
Похожие диссертации на Технология синтеза систем управления для процессов производств строительных материалов на основе помеченных и информационных сетей Петри
