CC BY
8ISSN 1814-1196 Научный вестник НГТУ том 66, № 1, 2017, с. 53-62
http://journals.nstu.ru/vestnik Science Bulletin of the NSTU Vol. 66, No. 1, 2017, pp. 53-62
АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ AUTOMATIC CONTROL
И ИДЕНТИФИКАЦИЯ AND IDENTIFICATION
УДК: 658.:5:681.3
Контроль управляющих автоматов сложных
*
технических систем реального времени
Ю.Ф. МУХОПАД1, А.Ю. МУХОПАД2, Д.Ц. ПУНСЫК-НАМЖИЛОВ3
1 664074, РФ, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15, Иркутский государственный университет путей сообщения, доктор технических наук, профессор. Е-таИ: bts48@mail.ru
2 664074, РФ, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15, Иркутский государственный университет путей сообщения, доктор технических наук, и.о. доцента. Е-таИ: jcmg@mail.ru
3 634034, РФ, г. Томск, ул. Советская, 99, ООО «ХИМТЕХ-ЮКОС», генеральный директор, кандидат технических наук, доцент. Е-тай: dablttf@mail.ru
Рассматриваются методы динамического контроля управляющих автоматов (УА). Для сложных технических систем реального времени управляющие автоматы могут составлять большую часть оборудования средств автоматизации. Управляющие автоматы со структурной организацией Мура даже после минимизации не обеспечивают достаточного уровня безотказности и безопасности. Динамический контроль УА со специальными кодами наиболее эффективен для УА с выделением одного логического условия из всего множества условий по коду предыдущего состояния. Предложен метод контроля с нетрадиционным применением кодов Грея при разделении кодов на два множества, относящихся к счетчику и множеству вершин вне счетчика. Во втором множестве коды состояний делятся приблизительно пополам на группы старших и младших разрядов. Номер последующей вершины выбирается так, чтобы логическая сумма по модулю кодов соседних вершин младших разрядов соответствовала условию Грея. Коды старшей группы этих вершин доопределяются специальным образом для выполнения того же условия. Выведены правила принятия решений. Для реализации контроля к базовому составу блоков УА вводится только схема логического сложения и проверки правил принятия решений. Метод позволяет создавать высоконадежные, самоконтролируемые управляющие автоматы с минимальными объемами встраиваемых средств контроля.
Ключевые слова: алгоритм, управление, автомат, контроль, диагностика, кодирование информации, технические системы, математическая модель, логическая сумма
DOI: 10.17212/1814-1196-2017-1-53-62 ВВЕДЕНИЕ
Бортовые системы летательных аппаратов, распределенных нефтегазовых комплексов и средств мехатроники относятся к числу сложных технических систем (СТС) реального времени, работающих в экстремальных услови-
* Статья получена 30 сентября 2016 г.
ях. В ряде технологических процессов при отступлении от регламента могут возникать пожароопасные и взрывоопасные ситуации с катастрофическими последствиями. Поэтому необходимо обеспечить не только тестовый контроль, но и динамическую оценку состояния системы в процессе функционирования [1-3].
В спецпроцессорах СТС совместно с информационной подсистемой управляющая подсистема может составлять до 2/3 оборудования, поэтому контроль этих подсистем является первоочередной задачей. Безотказность управляющих автоматов должна быть на порядок выше СТС.
Управляющие автоматы разделяются на сверхпростые (СП), простые (ПА), средней сложности (СА), сложные (АС), высоко сложные (ВС), особо сложные (ОС) и ультрасложные (УС) автоматы. Методы синтеза ориентированы на минимизацию комбинационных схем как основы структурной организации управляющих автоматов Мура [4-7]. Их динамический контроль осуществляется в основном за счет применения равновесного и других типов контролирующих кодов [8-11].
Кроме СП автоматов для всех других типов УА эффективна новая структурная организация, предложенная в работах [12-16] и основанная на введении мультиплексора для выбора одного логического условия а/ е {а} по коду состояния а(?) на каждом периоде функционирования. Кроме мультиплексора в известную структуру УА Мура вводится также схема адресации (9) с регистром памяти Рг(10) адреса (/) в виде кода . Информационная подсистема УА организуется с регистром памяти Рг(6) состояния а(? +1), парафазно связанного через схемы «И»(7) со счетчиком Сч(8) состояния а (?). Причем признак у = (+1) к содержимому Сч(8) формируется также в ^(4).
Контроль нового УА целесообразно осуществлять по выходному коду У1,..., ут состояния а(? +1), формируемого комбинационной схемой ^(4) с регистром Рг(5) функциональной подсистемы, и коду л^,...,хт информационной подсистемы. Логическая подсистема в виде Рг(1), мультиплексора М(2), ДО-триггера (3) и адресная подсистема в виде схемы ^3(9) и Рг(10) значительно проще функциональной и информационной подсистем. Остальные блоки УА (Рг(5), дешифратор БС(11) и схема формирования команд (12)) для сокращения связей относят к объекту управления ОУ(13). Блок синхронизации БС(14) формирует управляющие сигналы Т1, Т2, Т3 .
Математическая модель нового автомата имеет вид
а(? + 1) = ^(а/Х1, Х2,..., Хт ); Л& + 1) = ^(уь..., Ут ); / = ^(уь..., Ут ) .
Разрядность двоичного кода информационной подсистемы и выходной код У1,...,ут для каждого перехода из предыдущего а(() в последующее а ((+1) состояние определяется по методике работы [13] через граф-схему алгоритма, функционально-тождественно преобразованную за счет ввода пустых операторов. На рис. 1 представлена преобразованная ГСА. Понятие «пустой» соответствует оператору без формирования управляющей команды.
По преобразованной ГСА определяются граф переходов (рис. 2) и таблица переходов (табл. 1) вне счетчика.
Конец^ 0
Рис. 1. Граф-схема алгоритма управления нового автомата
Рис. 2. Граф переходов
Условие прибавления единицы к содержимому счетчика (у) для ГСА имеет вид
у = а0 (аo + al + a2 + a6 + a8 + alo) + а^3 + а2a4 +азal2 + а4a5 + а5a7 + а6a8 .
Таблица 1
Переходы УА
Номер перехода a(t) а a(t + 1)
1 3 а1 12
2 12 а1 2
3 13 а0 1
4 4 а2 13
5 5 а4 11
6 11 а0 7
7 7 а5 14
8 9 а6 8
9 10 а0 0
10 14 а0 3
Система логических функций zr схемы определяется по табл. 2, а ее объем ¥3 < Ж /2, так как на выходе г = ]1о§2 переменных, а на входе количество переменных равно m. Здесь скобки ] [ обозначают целую часть числа с округлением до большего значения. Для данной ГСА (см. рис. 1)
в схеме нет логических элементов, так как все операторы действия
Ai е {А} формируются при разных a^ +1) состояниях УА (табл. 2).
Таблица 2
Выбор логических условий
а а (/) а а (/) а а (/)
1 3 3 13 5 7
2 4 4 5 6 9
Сравнительная оценка УА через объем комбинационной схемы F1(4) приведена в табл. 3 для двух вариантов реализации: через объем постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) в битах и через количество входов программируемой логической матрицы (PLA). При этом объем ПЗУ для УА Мура равен V = m2m+д , а для УА нового типа W = (т +1)2т+1. Эффективность Q = W / V, а для PLAK = (т + д)/(т +1).
Таблица 3
Сравнительный анализ УА
Номер перехода Тип т д т + д т + 1 V К W е
1 СП 3 2 5 4 128 1.2 64 2
2 ПА 4 5 9 5 2560 1.8 160 16
3 СА 5 8 13 6 48 ■ 103 2.1 384 128
4 АС 6 11 17 7 9 ■ 105 2.4 696 1024
5 ВС 7 14 21 8 16 ■ 106 2.6 2048 8 ■ 103
6 ОС 8 17 25 9 03 ■ 108 2.7 4608 6.4 ■ 104
7 УС 9 20 29 10 5 ■ 109 2.9 1-104 0.5 ■ 106
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Управляющий автомат с новой структурной организацией даже без средств контроля будет иметь более высокий уровень безотказности за счет значительного снижения логических элементов в комбинационных схемах по сравнению с одной схемой Fl УА Мура объемом V.
В новом УА появляется возможность существенного упрощения встроенных средств контроля. Например, код Грея может использоваться не только для контроля счетчика информационной подсистемы, но и для контроля переходов вне счетчика.
СИНТЕЗ ВСТРОЕННЫХ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ
Код >"1,...,ут делится пополам при четном значении т и с перекрытием одного разряда при нечетном т. Затем в графе переходов производится перенумерация состояний вне счетчика таким образом, чтобы логическая сумма а^) и а^ +1) по тос12 была равна единице как для младших, так и для старших разрядов. Если выполнение этого условия невозможно даже после изменения номеров (номер а^), относящийся к счетчику, не может быть изменен), то между а^) и а ^ +1) вставляется пустая вершина, номер которой по
специальной процедуре определяется так, чтобы условие кодов Грея выполнялось. По этой процедуре перед младшими разрядами и после старших разрядов добавляются дополнительные разряды, значение которых доопределяется так, чтобы условие Грея выполнялось как для младших, так и для старших разрядов независимо. Количество дополнительных разрядов для старшей группы (ст) и младшей группы (мл) зависит от величины m и определяется по табл. 4, где СД и МД - количество дополнительных разрядов старшей и младшей групп, а п /2 - разрядность групп.
Таблица 4
Разделение кода
m ст мл СД МД п/2
4 2 2 1 1 3
5 2 3 2 1 4
6 3 3 2 2 5
7 3 4 3 2 6
8 4 4 3 3 7
Для реализации процедуры контроля между каждыми двумя переходами графа вне счетчика ставятся пустые вершины (рис. 3), номера которых в двоичном позиционном коде (ДНК) определяются выбором конкретных значений (0 или 1) дополнительных разрядов. Для рассматриваемой граф-схемы рис. 1 в табл. 5 для каждого перехода приведены состояния a(?) и a(? +1), соответствующие им коды Грея N (?) и N (? +1) и ДНК дополнительных вершин. В табл. 6 для старших и младших разрядов кодов определены значения дополнительных разрядов.
Для реализации процедуры контроля в структурную схему УА нужно ввести схему сложения по mod2 разрядностью n/2 для определения признаков, где Pj = 1, если условие Грея выполняется для младших разрядов, а Р2 = 1 когда это условие выполняется для старших разрядов. Значения определяются за два такта и фиксируются независимыми триггерами. Исправность УА в зависимости от значения у фиксируется в двух случаях:
ERR = y(pJP2 +PiP2), ERR=^(PiP2).
Таблица 5
Кодирование состояний
№ a(t) - a(t + 1) N(t) N(t + 1) ДПК
1 12 - 2 1010 0011 23
2 13 -1 1011 0001 22
3 4 - 13 0110 1011 31
4 5 - 11 0111 1110 62
5 14 - 3 1001 0010 39
6 11 - 7 1110 1000 26
7 10 - 0 1111 0000 20
Таблица 6
Значения дополнительных старших и младших разрядов
a(t) 12 0 10 10 1 13 1 10 11 1 4 0 01 10 1
ДПК 23 010 111 22 010 110 31 011 111
a(t + 1) 2 0 00 11 0 1 0 00 01 0 13 0 10 11 0
a(t) 5 1 01 11 1 14 1 10 01 1
ДПК 62 111 110 39 100 111
a(t + 1) 11 0 11 10 0 3 0 00 10 1
a(t) 11 1 11 10 0 10 0 11 11 0
ДПК 26 011 010 20 010 100
a(t + 1) 7 0 10 00 0 0 0 00 00 0
Символы 0 и 1 обозначают значения доопределяемых разрядов.
Весь процесс синтеза самоконтролируемых автоматов нового типа представлен на конкретном примере ГСА (см. рис. 1). Предложенный метод позволяет осуществить контроль за счет ввода одной схемы сложения по mod2 половинной разрядности с малым числом дополнительных разрядов для осуществления контроля.
Анализ известных методов динамического контроля УА Мура и предлагаемого метода для УА нового типа позволяет сделать вывод о существенных
преимуществах метода как по затратам встроенного оборудования, так и по быстродействию.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предложенный метод контроля с нетрадиционным применением кодов Грея при разделении кодов предыдущего и последующих состояний на группы старших и младших разрядов позволяет создавать высоконадежные, самоконтролируемые управляющие автоматы с минимальными объемами встраиваемых средств контроля.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тоценко В.Г. Алгоритмы технического диагностирования дискретных устройств. - М.: Радио и связь, 1985. - 238 с.
2. КалявинВ.П. Основы теории надежности и диагностики. - СПб.: Элмор, 1998. - 172 с.
3. ЩербаковН.С., ПодкопаевБ.П. Структурная теория аппаратного контроля цифровых автоматов. - М.: Машиностроение, 1982.
4. Закревский А.Д., Поттосин Ю.В., Черемисинова Л.Д. Основы логического проектирования. Кн. 3. Проектирование устройств логического управления. - Минск: Беларусь, 2004. -226 с.
5. Соловьев В.В., Климович А. Логическое проектирование цифровых систем на основе программируемых логических интегральных схем. - М.: Горячая линия-Телеком, 2008. - 374 с.
6. Труды по теории синтеза и диагноза конечных автоматов и релейных устройств / под ред. В.В. Сапожникова и Вл.В. Сапожникова. - СПб.: Элмор, 2009. - 960 с.
7. Мухопад Ю.Ф. Микроэлектронные информационно-управляющие системы. - Иркутск: ИрГУПС, 2004. - 407 с.
8. Сагалович Ю.Л. Кодирование состояний автомата // Теория дискретных управляющих устройств. - М.: Наука, 1982. - С. 175-182.
9. СагуновВ.Г. Алгоритмы технического диагностирования дискретных устройств. - М.: Радио и связь, 1990. - 111 с.
10. Сапожников В.В., Сапожников Вл.В. Основы технической диагностики. - М.: Маршрут, 2004. - 322 с.
11. Согомонян Е.С., СлабаковЕ.В. Самопроверяемые устройства и отказоустойчивые системы. - М.: Радио и связь, 1989. - 208 с.
12. Мухопад Ю.Ф. Микроэлектронные системы управления. - Братск: БрГУ, 2009. -
285 с.
13. Мухопад Ю.Ф. Теория управляющих автоматов технических систем реального времени. - Новосибирск: Наука, 2015. - 176 с.
14. Патент 82888 Российская Федерация, G 06 F 9/00. Микропрограммный автомат / А.Ю. Мухопад, Ю.Ф. Мухопад; заявитель и патентообладатель Иркутский государственный университет путей сообщения. - № 2008149344/22; заявл. 15.12.2008; опубл. 10.05.2009, Бюл. № 13.
15. Патент 2527190 Российская Федерация, МПК G 06 F 9/00. Управляющий автомат / А.Ю. Мухопад, Ю.Ф. Мухопад, Д.Ц. Пунсык-Намжилов; заявитель и патентообладатель Иркутский государственный университет путей сообщения. - № 2013110986/08; заявл. 12.03.2013; опубл. 27.08.2014, Бюл. № 24.
16. Мухопад Ю.Ф. Теория дискретных устройств. - Иркутск: ИрГУПС, 2010. - 172 с.
Мухопад Юрий Федорович, доктор технических наук, заслуженный деятель науки РФ, профессор кафедры автоматизации производственных процессов Иркутского государственного университета путей сообщения. Основное направление научных исследований - микропроцессорные информационно-управляющие системы. Имеет более 350 публикаций. E-mail: bts48@mail.ru
Мухопад Александр Юрьевич, доктор технических наук, и.о. доцента кафедры автоматизации производственных процессов Иркутского государственного университета путей сообщения. Основное направление научных исследований - синтез и контроль управляющих автоматов. Имеет более 60 публикаций. E-mail: jcmg@mail.ru
Пунсык-Намжилов Даба Цыренович, кандидат технических наук, доцент, генеральный директор ООО «ХИМТЕХ-ЮКОС». Основное направление научных исследований - аналого-цифровые системы. Имеет более 70 публикаций. E-mail:dablttf@mail.ru
Control automata of complex engineering real time systems
Yu.F. MUKHOPAD1, A.Yu. MUKHOPAD2, D.Ts. PUNSYK-NAMZHILOV3
1 Irkutsk State Transport University, 15, Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russian Federation, D. Sc. (Eng.), professor. E-mail: bts48@mail.ru
2 Irkutsk State Transport University, 15, Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russian Federation, D. Sc. (Eng.), associate professor. E-mail: jcmg@mail.ru
3 OOO "HIMTEH-YUKOS", 99, Sovetskaya St., Tomsk, 634034, Russian Federation, director general, CHIMTECH-YUKOS, LTD, PhD (Eng.), associate professor. Е-mail: dablttf@mail.ru
Methods of dynamic control of control automata (CA) are discussed in the paper. In complex engineering real time systems CAs can be a big part of the automation equipment. CAs having the Moore structural organization even after minimization do not provide a sufficient level of reliability and safety. Dynamic control of CAs with special software is most effective for CAs separating a single Boolean condition of all conditions by the code of the previous state. A method of control with an innovative use of Gray codes in separating the codes on two sets relating to the counter and a multitude of peaks outside the counter is proposed. In the second set of state codes are divided approximately in half into groups of senior and junior categories. The number of the subsequent vertex is chosen so that of a logical sum of modulo codes of neighboring peaks of the least significant bits should be consistent with the Grey condition. Senior group codes of these peaks are defined n a special way to fulfill the same conditions. The rules of decision-making are derived. To implement control of the CA basis composition block sonly a scheme of logical addition and test rules of decision-making is introduced. The method enables you to create highly reliable, self controlled control automata with minimal embedded controls.
Keywords: algorithm, control, automata, diagnostics, coding information, engineering systems, mathematical model, logical sum
DOI: 10.17212/1814-1196-2017-1-53-62 REFERENCES
1. Totsenko V.G. Algoritmy tekhnicheskogo diagnostirovaniya diskretnykh ustroistv [Technical diagnostics algorithms of discrete devices]. Moscow, Radio i svyaz' Publ., 1985. 238 p.
2. Kalyavin V.P. Osnovy teorii nadezhnosti i diagnostiki [Fundamentals of theory of reliability and diagnostics]. St. Petersburg, Elmor Publ., 1998. 172 p.
3. Shcherbakov N.S., Podkopaev B.P. Strukturnaya teoriya apparatnogo kontrolya tsifrovykh avtomatov [Structural hardware verification of digital automatons theory]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1982.
4. Zakrevskii A.D., Pottosin Yu.V., Cheremisinova L.D. Osnovy logicheskogoproektirovaniya. Kn. 3. Proektirovanie ustroistv logicheskogo upravleniya [Logical design Basics. Bk. 3. Design of logical control devices]. Minsk, Belarus' Publ., 2004. 226 p.
* Received 30 September 2016.
5. Solov'ev V.V., Klimovich A. Logicheskoe proektirovanie tsifrovykh sistem na osnove pro-grammiruemykh logicheskikh integral'nykh skhem [Logical design of digital systems based on FPGA]. Moscow, Hotline-Telecom Publ., 2008. 374 p.
6. Sapozhnikov V.V., Sapozhnikov Vl.V. Trudy po teorii sinteza i diagnoza konechnykh avtomatov i releinykh ustroistv [Works on the theory of synthesis and diagnosis of finite state machines and relay devices]. St. Petersburg, Elmor Publ., 2009. 960 p.
7. Mukhopad Yu.F. Mikroelektronnye informatsionno-upravlyayushchie sistemy [Microelectronic information control systems]. Irkutsk, IrGUPS Publ., 2004. 407 p.
8. Sagalovich Yu.L. Kodirovanie sostoyanii avtomata [Encoding-state machine]. Teoriya dis-kretnykh upravlyayushchikh ustroistv [Theory of discrete control devices]. Moscow, Nauka Publ., 1982, pp. 175-182.
9. Sagunov V.G. Algoritmy tekhnicheskogo diagnostirovaniya diskretnykh ustroistv [Algorithms for technical diagnostics of discrete devices]. Moscow, Radio i svyaz' Publ., 1990. 111 p.
10. Sapozhnikov V.V. Sapozhnikov Vl.V. Osnovy tekhnicheskoi diagnostiki [Basics of technical diagnostics]. Moscow, Marshrut Publ., 2004. 322 p.
11. Sogomonyan E.S., Slabakov E.V. Samoproveryaemye ustroistva i otkazoustoichivye sistemy [Samoupravlenie devices and fault-tolerant systems]. Moscow, Radio i svyaz' Publ., 1989. 208 p.
12. Mukhopad Yu.F. Mikroelektronnye sistemy upravleniya [Microelectronic control system]. Bratsk, BrGU Publ., 2009. 285 p.
13. Mukhopad Yu.F. Teoriya upravlyayushchikh avtomatov tekhnicheskikh sistem real'nogo vremeni [Theory of control machines technical real-time systems]. Novosibirsk, Nauka Publ., 2015. 176 p.
14. Mukhopad A.Yu., Mukhopad Yu.F. Mikroprogrammnyi avtomat [Firmware machine]. Patent RF, no. 82888, 2009.
15. Mukhopad A.Yu., Mukhopad Yu.F., Punsyk-Namzhilov D.Ts. Upravlyayushchii avtomat [Managing automatic]. Patent RF, no. 2527190, 2014.
16. Mukhopad Yu.F. Teoriya diskretnykh ustroistv [Theory of discrete devices]. Irkutsk, IrGUPS Publ., 2010. 172 p.
ISSN 1814-1196, http://journals.nstu.ru/vestnik Science Bulletin of the NSTU Vol. 66, No 1, 2017, pp. 53-62
