CC BY
21
системным анализ и его приложения
©
Мухопад Ю.Ф., Пашков Н.Н., Пунсык-Нажилов Д.Ц.
УДК 681.3.01(031)
АДАПТИВНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ С ДИНАМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИЕЙ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
В задачах управления некоторыми процессами (радионавигация, транспорт, плазмохимия, биотехнологии) способы реализации процессов обработки информации и выработки команд управления могут меняться в зависимости от значений входных переменных (сигналов).
Типичным примером является задача самонаведения - управление подвижным объектом (робот, морское судно, летательный аппарат) с определением угла разворота в зависимости от входных координат цели и собственных углов крена и тангажа [1]. В этой задаче, чем меньше угол разворота, тем большую ошибку можно допустить в его определении. При малых углах крена и тангажа можно существенно упростить алгоритм обработки информации без снижения точности вычислений.
Высокая точность вычислений необходима лишь для больших значений соответствующих параметров (сигналов). Но для каждого из режимов определяющим является быстродействие получения результата и скорость исполнения команд управления. Быстродействие решения опосредовано определяет и фактор повышения точности за счет возможности большого числа накоплений в скользящем окне дискретного фильтра [2].
Ясно, что в системах подобного типа полезный сигнал по каждому из входных каналов есть аддитивная смесь полезного сигнала, низкочастотных и высокочастотных помех. Поэтому блок принятия решений такой системы не может выдать команду управления на основе «разовых» расчетов без извлечения полезного сигнала из смеси. В то же время, фактор реального времени и ограничения в количестве накоплений, за счет возможного устаревания информации и увеличения динамической ошибки, затрудняет применение сложных алгоритмов фильтрации и рекуррентного поиска оптимального баланса между точностью, вычислительными затратами и быст-
родействием системы, основанных на многочисленных выборках сигналов [3].
Рассмотрим в этих условиях задачу самонаведения. Пусть функция угла поворота объекта задана в виде:
в = ^(У1(х,у),/з(ф,у) ±4- /2(ф,у)), (1) где х,у - координаты цели, р,у - углы крена и тангажа, г = / (х, у) - нелинейная функция от х и У, /2, /3 - тригонометрические функции ф, у, 4 - логическая функция знаков х, у,р,у .
Х-
Уф*
8 ПЗУ
8 -%
8 (32)
8
е
>
(12)
Рис. 1. Вычислительный преобразователь (ВПИ 1)
Определим требования к вычислительному преобразователю информации (ВПИ 1), рассматривая его как модуль «черного ящика» (рис. 1).
В методе прямого считывания конкатенация кодов х, у, р, у задана таблицей связи адреса ПЗУ с ответом в. Разрядность (п) двоичного позиционного кода (ДПК), представляющего значения х, у , зависит от потенциальной точности датчика информации. Для оптоэлектронных матриц 256 х 256 величина п = 8. Этой же разрядности достаточно для представления р,у в связи с малым диапазоном изменений.
Для п = 8 выходную разрядность представления в ограничим т = 12. При развороте на угол ± 180°, точность исполнения команд составит 180°/2048 « 0,1° . Тогда объем ПЗУ определится
иркутским государственный университет путей сообщения
количеством комбинаций на входе (4п) и разрядностью выхода (т), т.е. V = т • 24п . В этом примере необходима емкость ПЗУ V = (8 + 4)- 232 = 3 • 234 бит.
Проведем более глубокий анализ функции (1). В силу того, что при 0 величина
0^ г, где г = Е(/1(х, у)), в зависимости (1) можно выделить линейную и нелинейную части (рис. 2).
Вычисляя поправку Я( г0,р,у) получим 0 = г ± £ • Я(г0, р, у), где г0 - старшие разряды г , £ - логическая функция знаков х, у,р,у .
Анализ зависимости Я от р или у (рис. 3) показывает существенную, почти экспоненциальную, нелинейность от этих параметров, что дает основание для снижения разрядности р и у с 8 до 4-х за счет неравномерного квантования.
Рис. 2. График функции 0 = 0(г, р, у) для максимальных значений р, у
я*
логический блок, 8х, 8у, 8р, 8 у - знак, соответствующей индексу переменной, МПА - микропрограммный автомат управления вычислениями, РгА - регистр адреса ПЗУ.
Структура ВПИ 2 (рис. 4), содержит функциональную (Ф), информационную (И), логическую (ЛБ), адресную (жесткие информационные связи между блоками) и управляющую (МПА) подсистемы. Структура предлагаемого ВПИ отличается от системной модели Ю.Ф. Мухопада [1, 3, 6] тем, что информационная (РгА 1, 2, 3, 4; Е) и функциональная (ПЗУ 1, 2, 3, 4; Е) подсистемы, обе содержат сумматор Е, который принадлежит функциональной подсистеме и одновременно совмещает функции регистра памяти, являясь накапливающим сумматором. На блок-схеме ВПИ 2 рис. 4 связи МПА со всеми регистрами адреса, ПЗУ, сумматором и логическим блоком показаны упрощенно.
эх ву бф бф
ИИ
Рг А1
Хо_ 8 (16) -Ч ПЗУ 1
2 /
900 Уо_ 8
РгА 2
8 (8) ПЗУ2
-7
РгА
8 (8\ ПЗУ 3
0(12)
г (12)
Р(8)
Рис. 3. Зависимость поправки И от у при максимальном значении г
Тогда структурная схема ВПИ 2 может быть представлена в виде рис. 4. На рис. 4 обозначено: р, у - нелинейные коды р, у, Е - накапливающий сумматор, (п) - разрядность переменной, ЛБ -
Рис. 4. Вычислительный преобразователь информации ВПИ 2
Сложность ВПИ 2 (без учета Е и МПА) определится объемом всех ПЗУ, т.е. V = 12 • 216 + 2(4 • 28) + 8 • 216 « 5 • 217 бит. При более высокой точности представления х, у ( п > 10) в структуре ВПИ 2 резко растет объем не только ПЗУ 1, 4, но и ПЗУ 2, 3 за счет необходимости более точного представления углов крена и тангажа
ру.
В этом случае ВПИ 3 (рис. 5) реализуется типовой структурной организацией микропроцессорной системы со встроенными нелинейными
ф
1©1
системным анализ и его приложения
©
функциональными преобразователями для выполнения тригонометрических операций и операций умножения и деления.
Микропроцессор в этом случае выполняет функцию арифметико-логического устройства и микропрограммного автомата. Тогда точность вычисления в может быть определена 16 разрядами ДПК. Отпадает также необходимость в нелинейном кодировании р и у .
турная организация вычислений с динамической перестройкой (рис. 6) позволяет в реальном масштабе времени управлять ВПИ 3 с минимизацией динамической ошибки за счет адаптивного выбора параметров настройки фильтров и «точек» считывания результата обработки информации. 7.
С1о С2о
I
С2 С4
С5
Рис. 6. Структурная организация ВПИ с динамической самонастройкой
Рис. 5. Микропроцессорный преобразователь информации (ВПИ 3)
Выработка исполнительных команд управления разворотом на угол в не может осуществляться на основе «разового» расчета, т.к. сигналы датчиков х, у, р, у искажены низкочастотными и высокочастотными помехами. В реальных системах, особенно по координатам х и у, амплитуды помех могут превышать значение полезных сигналов. Однако реальный масштаб времени обработки затрудняет применение сложных статистических процедур фильтрации с большим числом накоплений из-за возможности устаревания информации и роста динамических ошибок.
В структуре рис. 6 предусмотрено гибкое переключение результатов расчета в накопителе простого усреднителя (БФ) и адаптивного фильтра (АФ), предложенного в работе [2]. В этом случае блок принятия решений (БПР) реализует подключение управляющими сигналами с1, с2, с3, с4, с5 выходов в и г преобразователей информации ВПИ 2 и ВПИ 3 к фильтрам БФ или АФ и мультиплексору К в зависимости от уровня сигналов г, р, у, в.
Вектор Ж от БПР осуществляет настройку параметров АФ по результатам анализа выходов ВПИ. Алгоритм работы БПР задан рис. 7. Струк-
Выч© \«2 с3 С5
впиз
Рис. 7. Блок-схема алгоритма работы БПР: аг = 1, если г < в1 (в1 = 15); а2 = 1, если а1 = 0 и р,у ^ 0 ; а3 = 1, команда на исполнение разворота
Цель данной статьи заключается, конечно, не в том, чтобы показать возможности реализации ВПИ, относящихся к задачам самонаведения, с конкретной оценкой эффективности предлагаемых решений (по объему ПЗУ 5 - 217 вместо 3 - 234 бит) за счет снижения разрядности промежуточных преобразователей информации. Пример дан как конкретная иллюстрация методологического приема проектирования систем реального времени.
Структуры подобного типа для задач реального времени могут быть реализованы в технологических системах не только на основе микропроцессорной техники, но и с использованием время-
иркутским государственный университет путей сообщения
импульсных преобразователей информации [5], на элементах струйной техники [6] и других технологий [7].
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Мухопад Ю. Ф. Микроэлектронные информационно-управляющие системы. Иркутск : Ир-ГУПС, 2004. 404 с.
2. А. с. 14408. Адаптивный аналого-цифровой фильтр / Ю. Ф. Мухопад, Е. А. Кучина 1980, Бюл. № 5.
3. Пашков Н. Н. Алгоритмы адаптивно-модального разрывного управления с эталонной моделью и стационарным наблюдателем // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2005. № 6. С. 62-65.
4. Мухопад Ю. Ф. Проектирование специализированных микропроцессорных вычислителей. Новосибирск : Наука, 1984. 193 с.
5. Пунсык-Намжилов Д. Ц. Динамические перестраиваемые аналого-цифровые преобразователи информации для автоматизации технологических процессов : автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук / [Томск. ин-т ав-томатизир. сист. упр. и радиоэлектроники]. Томск, 1986. 16 с.
6. Пат. 70380. Российская Федерация. МПК5 . U1 G 058 19/045. Программно-перестраиваемый пневматический оптимизатор / А. З. Комков, Ю. Ф. Мухопад, Н. Н. Пашков ; заявл. 10.09.2007 № 2007133878/22 ; опубл. 20.01.2008, Бюл. № 2. 2 с.
7. Мухопад Ю. Ф. Анализ и синтез информационно-управляющих систем // Информационные технологии и проблемы математического моделирования сложных систем. Иркутск : Ир-ГУПС, 2004. Вып. 5. С. 33-46.
Кобзов Д.Ю., Усова С.В. УДК 69.002.51.192:621.225.2
ЭКСПРЕС-ДИАГНОСТИКА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ГИДРОЦИЛИНДРОВ МАШИН
Увеличение единичных мощностей машин подразумевает, применительно к гидроцилиндрам привода рабочего оборудования, повышение уровня давления рабочей жидкости гидросистем, увеличение скорости перемещения штока, и его хода, а также размеров гидроцилиндров и, зачастую, интенсивности использования их во времени [1, 2].
Негативным проявлением этого, является резкое увеличение эксплуатационных нагрузок, ухудшение условий и режима функционирования гидроцилиндров, а вслед за этим, неизбежное снижение их надежности - в лучшем случае. В худшем - не исключена вероятность создания заранее неработоспособного гидроцилиндра [1].
В настоящее время в качестве гидродвигателей возвратно-поступательного действия гидро-фицированного рабочего оборудования дорожных и строительных машин (ДСМ) широко применяются гидроцилиндры двустороннего действия с односторонним штоком [1]. Их классификация и назначение, устройство и виды исполнения, прин-
цип действия и условия применения, а также схемы кинематического включения и гидравлического подключения достаточно подробно изложены в трудах отечественных [1, 3, 4] и зарубежных ученых [5-8].
Параметры гидроцилиндров оговариваются стандартами ГОСТ 6540-68, ГОСТ 12445-80, ГОСТ 12447-80 и ГОСТ 16516-80. При этом, ГОСТ 6540-68 и ГОСТ 12447-80 соответствуют международным стандартам ISO 3322 и ISO 2944 в части номинальных давлений, ГОСТ 6540-68 -ISO 3320 в части диаметров цилиндров до 400 мм по основному ряду и в части диаметров штоков до 360 мм, ГОСТ 6540-68 - ISO 4393 в части ходов поршня по основному ряду. Основные значения диаметров цилиндров и штоков, а также ходов поршня, выходящие за пределы указанных рядов, следует выбирать в соответствии с требованиями ГОСТ 12445-80 и ГОСТ 6636-69.
В процессе анализа эксплуатационной надёжности гидроцилиндра ДСМ были выявлены следующие повреждения [1]:
