СИНТЕЗ НАДЕЖНЫХ АВТОМАТОВ ДЛЯ СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Технические науки
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ДИСКОВОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ МЕХАНОАКТИВАТОРЕ (ЭДМА)
Беззубцева М.М., Волков В.С.
Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, Санкт-Петербург, e-mail: vol9795@yandex.ru
В результате теоретических и экспериментальных исследований выявлено, что механоактивация вторичного сырья в дисковом электромагнитном механоактиваторе O^^A) позволяет интенсифицировать технологический процесс, улучшить качество продукции при одновременном снижении энергетических затрат и ресурсосбережении.
Повышение энергетической эффективности производства обеспечивается за счет создания в ЭДМА [1, 2] равномерных энергетических и силовых нагрузок на обрабатываемый материал.
В результате исследований физико - механических процессов в рабочем объеме ЭДМА [3] выявлено, что диспергирование и механоактивация вторичного сырья в ЭДМА осуществляется в средней зоне рабочего объема - в «слое скольжения». При этом силовое взаимодействие между ферроэлементами определяется величиной индукции в рабочем объеме и может быть определено из выражения, полученного на основании развития гипотезы Максвелла.
Для определения силы воздействия двух сферических ферромагнитных элементов в однородном магнитном поле, применяется формула:
F = —
256 (|1-1)
где д - магнитная проницаемость шаров; Н - напряжённость магнитного поля, принимающая значение Н1 во внешней части камеры измельчителя, либо значение Н2 - во внутренней части измельчителя; R0 - радиус шаров; ф - угол деформации структурной цепочки.
Анализ показывает, что сила взаимодействия будет принимать максимальное значение при величине угла деформации ф = 0:
з ((13ц+11)+ 9(3|x+5)cos 2ф)), F(0) = -^-H2%
(Ц- I)2
(1)
(5(Х + 7). (2)
л. (ц+ 2)3
При определении сил следует, однако учесть, что взаимодействия ферроэлементов в цепочках происходит через прослойку обрабатываемого продукта. Если исходный размер частиц продукта принять равным г , то формула (1) примет вид:
356 " " (Ц + 2)3
н——((29 + 67д) + (171- 117|а) cos2tp )).
(3)
2^
Равномерность распределения силовых нагрузок обеспечивается созданием в зоне «слоя скольжения» индукции от 0,25 до 0,3 Тл. Условия равномерности подтверждены моделированием и оптимизацией процесса измельчения и механической активации в среде программного комплекса А№У8 с использованием метода конечных отношений.
Разработанная методика использована при проектировании ЭДМА, отвечающего требованиям производства. В результате исследований выявлено соответствие разработанной конструкции ЭДМА поставленной цели рационального использования вторичных ресурсов посредством измельчения и механоактивации, путем создания эффективных способов измельчения и механоактивации с разработкой оборудования нового типа, обеспечивающего интенсификацию и автоматизацию процессов, улучшение качественных показателей продукции при одновременном повышении энергоэффективности и ресурсосбережении.
Список литературы
1. Беззубцева М.М. Электромагнитные измельчители. Теория и технологические возможности: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. - СПб.: СПбГАУ, 1997. - 24 с.
2. Беззубцева М.М., В.С.Волков. Теоретические основы электромагнитной механоактивации. - СПб: Изд-во СПбГАУ, 2011. -250 с.
3. Электромагнитный измельчитель: патент 84263 Российская федерация, МПК6 В02С19/18. / Волков В. С.: заявитель и патентообладатель Волков В.С. № 2008151900/22; за-явл. 23.12.2008; опубл. 10.07.2009, Бюл. № 19. - 11 с.
СИНТЕЗ НАДЕЖНЫХ АВТОМАТОВ ДЛЯ СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
Мухопад А.Ю.
Иркутский государственный университет путей сообщения, Иркутск, e-mail: jcmg@mail.ru
Дан сравнительный анализ МПА Мура и оригинального автомата авторов с выделяемыми логическими условиями. Предложены новые эффективные методы контроля, реализуемые в МПА с новой структурной организацией.
Информационно-управляющие системы
(ИУС) реального времени составляют основу средств автоматизации для мехатроники, летательных аппаратов, навигационных комплексов, технологических процессов и др.
Вопросы обеспечения безотказности ИУС не могут решаться без обеспечения надежности микропрограммных автоматов управления (МПА), которые в структуре ИУС могут составлять порядка 50 % в виде БИС и СБИС. Наиболее результативны структурные методы повышения надежности, связанные не только со снижением числа логических элементов на функциональном уровне, но и на использовании встроенных подсистем динамического контроля.
Анализ ИУС и самих автоматов управления целесообразно проводить на основе структурных моделей сложных систем. Используем
модель ИУС Ю.Ф. Мухопада в виде пяти взаимосвязанных блоков: функционального, информационного, адресного, логического и управляющего [1, 2].
Структурная организация автоматов управления Типовая структура МПА с правилом функционирования автоматов Мура [3] включает следующие блоки:
ОУ - операционное устройство (объект управления), выполняющее для МПА роль логической подсистемы, т.к. именно к ней отнесены датчики и схемы формирования двоичных сигналов {а}, которые являются входными сигналами МПА.
При проектировании МПА стремятся в первую очередь упростить А- подсистему за счет
минимизации системы т булевых функций ^ и реализации их на ПЛМ или ПЛИС с конкатенацией входных переменных {а}{х} или представления системы Г параллельно последовательной структурой комбинационных схем (декомпозиция), в которой каждая из подсхем имеет число переменных на входе меньше чем (т + д).
Первый подход эффективен для СП и ПА автоматов, но для СЛ и ВС автоматов снижение сложности А-блока не превосходит 15 %]. Второй подход отличается высокой наукоемкостью, т.к. при проектировании необходимо в графе переходов найти несовместимые подграфы, решить задачу оптимальной раскраски графов
И - регистры памяти, составляющие основу информационного блока МПА;
А - комбинационная схема Г для определения кода У -ут---уу1 состояния автомата а(/ + 1) по коду X- х .хх состояния а(р) и логическим условием { а} - а1а2... ад. ^ - адресный блок МПА;
Самым простым методом реализации ^ является считывание кода У по конкатенации а1а2. ахт.х2х1, которая рассматривается как адр ес ПЗУ При реализации адресного блока на ПЗУ или ПЛМ условный объем памяти V = т2т + д.
Ф - комбинационная схема Е2 для формирования управляющих команд А1А2...Ак по коду состояния а(/). - функциональный блок.
У - блок синхронизации (БС), формирующий по сигналу «Пуск» с периодом Т импульсы синхронизации т1 и т2, причем х1(/) л т2(/) = 0. Число состояний автомата Определяет разрядность (т) кодов X и У из соотношения N < 2т. Поэтому сложность МПА определяется значениями т, q для всех блоков (Ф, И, Л, А) при фиксированной структуре БС классических МПА Мура [1].
По степени сложности адресного блока в соответствии с инженерной классификацией [4] МПА подразделяются на сверхпростые (СП), простые (ПА), средней сложности (СА) и высокой сложности (ВС) автоматы. В табл. 1 дана оценка объема ПЗУ в килобитах. Как видно из табл. 1 для СА автоматов величина V может приближаться к мегабиту, а для ВС составляет десятки мегабит.
и др. Однако эффект для СЛ и ВС автоматов также не значительный.
Эффективный метод декомпозиции МПА предложен в работах [5,6], основанный на разделении не графов переходов, а самой исходной граф-схемы алгоритма (ГСА). Метод снижает объем ПЗУ (ПлМ) в 1,5-1,7 раза для ВС и СЛ автоматов. Кардинальный подход предложен в работах [4, 7, 8], основанный на использовании оригинальной структуры МПА с определением У по коду X при использовании всего одного логического условия аj 6 {а}. Номер. для а. определяется по коду а(/). Объем ПЗУ такого А-блока определяется величиной W = т2т + '. Значение W не зависит от числа логических условий д. Выигрыш в объеме ПЗУ, обозначенный символом Q, и величины W для всех типов авто-
Таблица1
Основные параметры автоматов
Тип т Ч т + ч т + 1 V Ш е
1 СП 3 4 7 4 0,384 0,048 8
2 ПА 4 8 12 5 16 0,128 125
3 СА 5 12 17 6 640 0,320 2000
4 ВС 6 16 22 7 24.000 0,768 31250
1 2 3 4 5 6 7 8
матов приведены в табл. 1. Для СЛ и ВС автоматов выигрыш составляет от единиц до десятков тысяч раз.
Вносимые в новую структуру МПА новые блоки в виде мультиплексора для выбора а. {а} и комбинационной схемы F3 для определения j по коду a(t) в сумме не превысят сложности новой комбинационной схемы F1 с (т + 1) переменной на входе.
Структурная схема МПА с выделенным мультиплексором не только оригинальна, но и отлична от типовых структур Мура и Мили. Поэтому новая структурная организация МПА определяет и принципиально новый подход к синтезу высоконадежных МПА и организации для них встроенных средств самоконтроля.
Новые методы самоконтроля
В работе [2] с целью уменьшения числа активных элементов в числовом блоке ПЗУ предложено использовать представление хранимого кода с фиксированным числом единиц как результат независимой дешифрации частей m-разрядного кода ДПК. Код назван геометрическим, т.к. публикация появилась до кодов kCn с фиксированным (к) числом единиц в n-разрядном коде. Более подробно метод изложен в работе [9]. Для контроля МПА использован модифицированный геометрический код (МГК), определенный в виде конкатенации трехразрядных групп с одной единицей в каждой, причем в общем коде (МГК) с разрядностью n = 2m, (m - разрядность ДПК) недопустимо соседство двух единиц в соседних разрядах между группами. Оригинальность метода [10] контроля МПА с МГК определяется тем, что код МГК используется только для представления a(t + 1), который по цепи обратной связи преобразуется в модифицированный двоичный код (МДК) по правилу:001 ^ 00, 010 ^ 01, 100 ^ 10. Тогда на входе F в коде a(t) в каждой группе из двух разрядов не должно быть комбинации «11», а на выходе F в каждой группе из 3-х разрядов допустима лишь единственная комбинация с одной «1».
По уровню контролеспособности предложенный метод эквивалентен методу kCn, однако, схемы определения наличия одной «1» в каждой группе из трех разрядов тривиальны в реализации в отличие от схем определения k произвольно расположенных «1» в n -разрядном коде. Для МГК ошибка (ERR) в каждой группе из трех разрядов обозначенных побитно a, b, с определяется выражением
ERR = (айс +abc + abc)-
Предложенный оригинальный метод самоконтроля [10] наиболее эффективен для новой структуры МПА, т. к. при использовании ПЗУ объем памяти вместо W = т2т + 1 станет равным W = (2т + 1)-2т + 2, здесь (т + 1) - разрядность МДК, а 2т - разрядность МГК. Для типового
МПА Мура при использовании МГК и МДК объем памяти W = 2т2т + д.
Для новой организации МПА становятся эффективными и другие методы контроля, в частности метод мажоритарного дублирования схемы Г. Применительно к МПА авторами этот метод модифицирован следующим образом. Используется также три комбинационные схемы однако две из них осуществляют пря-
мое преобразование а(0 =^г1°( ОСуа (( +1)), а третья схема реализует обратное преобразование . Причем в дублированных Г1 используется МГК, а в .Р|° используется МДК для представления а(/ + 1). Алгоритм проверки состоит из следующих действий:
1. Проверка отсутствия ошибок в МГК для каждых дублированных Г1 обозначенных как
и 2 Если в каждой схеме нет ошибок, то при равенстве выходов и код а(/ + 1) считается
верным.
2. При наличии ошибки в одной из дублированных схем производится преобразование а(/)=^ (ау.а^+1)) и сравнение полученного кода а(/)0 с исходным кодом а(/). При равенстве кодов результат считывается с исправной схемы Г1. Иначе фиксируется ошибка.
Предложенный метод контроля обеспечивает безопасный режим работы МПА при любой кратности ошибок в А-подсистеме. Очевидно, что такой метод контроля невозможен в МПА с классической структурой Мура, т.к. в таких автоматах нельзя построить Р^, р2, Е[°
В новой структуре МПА применим еще один вариант дублирования комбинационной схемы Г1. Структура МПА определяется следующими модификациями:
- в графе переходов МПА выделяется наиболее длинный путь, удовлетворяющий условию а(^+1)=1+°°а(^). Здесь °° признак безразличного выбора значения да.
- для этих переходов предусматривается счетчик с кодом Грея, который выполняет одновременно роль выходного регистра памяти а(/ + 1) в И-системе МПА;
- остальные переходы реализуются схемой
Г,;
- параллельно устанавливается дублирующая схема для вычисления кода а(/ + 1). В этой схеме ^ используется принцип независимого вычисления первой У1 и второй У2 половины У кода а(/ + 1) по первой Х и второй Х2 частям Х кода а(0 с учетом а. для первой и второй частей.
Поскольку при Х1 и Х2 используются только части Х единого кода х1х2.хт, то при вычислении У1 и У2 возможно появление неопределенности. Для ее ликвидации используется еще одна двоичная переменная Т, значение которой определяется в основной схеме Г1 совместно с кодом У = УУ2 ---Ут-
В предложенной схеме вычисления Y дублированная схема определения кода a(t + 1) требует меньших затрат, чем при полном дублирова-
нии F1.
і з
А0-ІА1а1'ІА2а2'ІА3А4-1-ІА5А6а3'ІА7А$ В работе [2] приведены правила перехода от ГСА к ЛСА. Представленная ЛСА получена после модификации ГСА за счет введения пустого оператора А2. Граф переходов МПА для ЛСА представлен на рисунке, на котором двойными стрелками отмечен непрерывный путь через состояния 0, 1,
2, ..., 15,0. Такому пути может быть сопоставлен счетчик, работающий в коде Грея (табл. 2), тогда схема Г реализует только 6 переходов по табл. 3. Заметим, что все переходы в Г реализуются по условию °°у., т.к. по да. для данного примера переходы осуществляются по счетчику. Для построения контролирующей схемы по табл. 3 строится табл. 4, в которой в первом столбце введена логическая переменная у для снятия неопределенности при некоторых кодах: х]х2 (00 ^ 01,00) и х3х4 (01 ^ 01,11). Булевы функции у1, у2, у3, у4 определяются по картам Карно на основании табл. 4. Реализация этих функций тривиальна.
У\ = (*1 *2 + Iх! )°°; 'У2 = (у*1 *2 )°°;
Уъ=1 (*4 + *3 )°°; У4 = 7*3*4 °°-
Таблица 2
0 0000 В 1100
1 0001 9 1101
2 0011 10 1111
3 0010 11 1110
4 0110 12 1010
5 0111 13 1011
б 0101 14 1001
7 0100 15 1000
Таблица З
a(t) а a(t + 1)
1 °°1 5
2 °°2 1
б °°3 5
В °°4 15
11 °°5 9
14 °°6 1
При реализации МПА Мура по традиционной схеме с дублированием Г при т = 4, д = 6 общий объем двух схем составит более 8 кб, т.к. для каждой схемы Ш = т2т+д. В новом автомате необходима одна схема с объемом Ш = т2т + 1 = 0,127 кб и тривиальная дублирующая схема для реализации уравнений У. При больших значениях т, д преимущество предла-
Синтез встроенных средств контроля рассмотрим на примере МПА с т = 4, д = 6, алгоритм работы которого представлен в виде логической схемы (ЛСА):
___ 4 5 5 __ 6 4
гаемого метода самоконтроля и новой структуры МПА будут еще более значимыми.
Таблица 4
Y N(t) а N(t + 1)
0 0001 0 0111
1 0011 0 0001
0 0101 0 0111
0 1100 0 1000
0 1110 0 1101
1 1001 0 0001
Y х4х3х2х1 а У4У3УЗУ1
В представленной статье в большей мере рассматривались автоматы Мура. Метод построения МПА Мили с новой структурной организацией предложен в работе [11].
Исследования новой структурной организации МПА только начаты, поэтому имеется резерв, как для модификации, так и для создания новых методов самоконтроля МПА.
Заключение
Предложенная авторами новая структурная организация микропрограммных автоматов дает возможность построения высоконадежных систем управления с оригинальными средствами самоконтроля, обеспечивающими режимы безопасной работы сложных технических систем реального времени при минимальных затратах специально встраиваемого оборудования.
Список литературы
1. Мухопад Ю.Ф. Теория дискретных устройств: учебное пособие. - Иркутск: ИрГУПс, 2010. -172 с.
2. Мухопад Ю.Ф. Проектирование специализированных микропроцессорных вычислителей. - Новосибирск: Наука, 1981. - 161 с.
3. Соловьев В.В., Климович А. Логическое проектирование цифровых систем на основе ПЛИС. - М.: Горячая линия - Телеком, 2008, - 374 с.
4. Мухопад А.Ю. Структурный синтез автоматов управления систем реального времени: автореф. дис. ... канд. - Братск, 2009. - 19 с.
5. Мухопад Ю.Ф. Микроэлектронные системы управления. - Братск: БрГУ, 2009. - 285 с.
6. Бадмаева Т.С., Деканова Н.П., Мухопад Ю.Ф. Синтез самоконтролируемой системы управления электроавтоматикой // Математические и информационные технологии в энергетике, экономике, экологии. - Иркутск: СЭИ СО РАН, 2003. - Ч. 1. - С. 88-92.
7. Мухопад А. Ю., Мухопад Ю. Ф. Микропрограммный автомат. - Патент на полезную модель № 82888. - БИ № 13, 2009.
8. Mukhopad Yr.F., Mukhopad А.Уг. Microelectronic controlling of realtime complicated technical systems // International journal of applied and fundamental research. -2009. - № 2. - P 26-29.
9. Сапожников В.В., Сапожников Вл.В., Кравцов Ю.М. Теория дискретных устройств ж.д. автоматики, телемеханики и связи. - М.: Транспорт, 2001. - 368 с.
10. Мухопад Ю.Ф., Мухопад А.Ю., Бадмаева Т.С. Само-контролируемый автомат управления. - Патент РФ № 63588. -БИ № 15, 2007.
11. Мухопад Ю. Ф. Мухопад А.Ю. Методы синтеза автоматов управления на больших интегральных схемах // Проблемы информатики. - Новосибирск: СОРАН, 2011. -№ 4. - С. 17-28.