CC BY
36
Начальный этап
Программа_А
Программа_В
Программа_А_1
Программа_А_2
Прогромма_В_1
Программа_А_2_1 Программа_А_2_2 Программа_А_2_3 _____ nporpaMMa_Z_1_.._N
Программа_г
nporpaMMa_Z_1
Программа_А_2_.._1
Рис. S. Схема представления комплекса упражнений
Прогресс ребенка сохраняется в виде последовательности пар «упражнение - результат». Анализ прогресса дает информацию для сотрудника детского учреждения: насколько продвигается развитие речевого аппарата ребенка, это может быть как прогресс, когда результаты улучшаются, так и стагнация, когда результата нет. Регресс здесь маловероятен, поскольку с возрастом речь ребенка улучшается естественным образом совместно с развитием самого малыша.
Если ребенку по каким-либо причинам надоело общаться с системой, программа автоматически сохранит текущий результат в базу данных и попрощается с ребенком.
Выводы. В статье приводится описание системы анализа и обработки речи ребенка в возрасте 4 - 7 лет. Рассмотрены основные этапы разработки системы, а также дано их детальное описание. В модуле анализа речи приведен предлагаемый алгоритм обработки речевого сигнала, адаптированный под речь
ребенка указанного возраста. Особое внимание необходимо уделить разработке качественного интерфейса приложения, поскольку от этого зависит, насколько востребовано будет приложение у детей.
Литература
1. Ершов, Е.В. Анализ процесса чтения детьми как этап для построения систем распознавания детской речи / Е.В. Ершов, Н.Е. Сивков // Вестник Череповецкого государственного университета. - Череповец, 2008. - № 4. -С. 134 - 137.
2. Зеленое, И.Н. Алгоритмы фонетического анализа при обработке речевой информации / И.Н. Зеленов, О.В. Юдина // Череповецкие научные чтения - 2011»: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции. - Череповец, 2011. - С. 65 - 68.
3. Мельников, С. Точность распознавания речи доходит до 90 % / С. Мельников // CNews Analytics. - М., 2007.
- URL: http://www.cnews.ru.
УДК 669
ЕА. Маслов, К.А. Харахнин
СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УСТРАНЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ НАТЯЖЕНИЯ ПРОКАТЫВАЕМОЙ ПОЛОСЫ ПРИ ВИБРАЦИЯХ НА СТАНАХ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ
Авторами предложена система автоматического устранения колебаний натяжения прокатываемой полосы при вибрациях на станах холодной прокатки за счет перенастройки контура регулирования натяжения полосы через гидронажимные устройства на резонансную частоту, совпадающую с частотой колебаний натяжения при вибрациях.
Натяжение полосы, вибрации, резонансная частота, гидронажимные устройства, регулятор натяжения.
The authors proposed the system of automatic elimination of tension fluctuations of the rolled strip at vibrations of cold-rolling mills by reconfiguration the control loop of strip tension through the hydraulic devices to the resonance frequency coinciding with the frequency of tension during vibrations.
Strip tension, vibration, resonance frequency, hydraulic devices, tension control.
Возникновение и развитие вибраций на станах бесконечной холодной прокатки сопровождается повышенным уровнем колебаний натяжения прокатываемой полосы с частотой от 6 до 20 Гц и относительными амплитудами от 20 до 100 % от заданных значений. Такие колебания натяжения могут приводить к порыву полосы и аварийному останову процесса прокатки [6], [8].
Для устранения колебаний натяжения прокатываемой полосы при возникновении вибраций скорость прокатки снижается, и прокатный стан выходит из зоны вибраций. Однако такой подход приводит к ограничению максимальных скоростей прокатки и производительности стана [2]. Решением этой проблемы может быть применение систем автоматического регулирования для подавления колебаний натяжения прокатываемой полосы.
Исследование диапазона регулируемого отклонения натяжения прокатываемой полосы замкнутых контуров регулирования по положению гидронажимного устройства (регулятор РН) и по скорости прокатки (регулятор РНК) для параметров прокатки, соответствующих вибрациям, показал, что регулятор натяжения РН является основным звеном подавления колебаний натяжения полосы [4]. Для подавления колебаний натяжения прокатываемой полосы характеристика контура РН должна обладать бесконечным усилением и нулевым фазовым сдвигом на частоте колебаний натяжения, поскольку управляющие воздействия генерируются через единичную обратную связь. Для реальных систем регулирования бесконечного коэффициента усиления разомкнутой системы на определенной частоте добиться невозможно, и для максимального подавления колебаний натяжения полосы коэффициент усиления должен быть максимальным для устойчивой системы.
Коэффициент усиления замкнутого контура регулирования может быть приближен к единице за счет применения полосового усилителя с полосой про-
пускания на эффективной ширине спектра колебаний натяжения прокатываемой полосы, при условии нулевого фазового сдвига на частоте колебаний натяжения. Нулевого фазового сдвига можно добиться введением в структуру регулятора колебаний натяжения прокатываемой полосы фильтра, осуществляющего одношаговые предсказания колебательного процесса с поворотом фазы до общего для системы нулевого сдвига. Блок-схема регулятора натяжения РН совместно с устройством подавления колебаний натяжения прокатываемой полосы представлена на рис. 1.
К регулятору колебаний натяжения прокатываемой полосы, состоящему из полосового усилителя, корректора сдвига фазы и системы вычисления параметров, не предъявляются требования к работе в стабильных режимах процесса прокатки. Поэтому оправдано использование совместно с регулятором колебаний натяжения прокатываемой полосы (ПУ, КФ, СВП) и классического ПИ-регулятора (РН) (см. рис. 1).
Переключение между режимами автоматического регулирования осуществляет блок идентификации колебаний натяжения прокатываемой полосы (БИКН) [2], который также осуществляет определение параметров колебаний натяжения. Обнаружив колебания натяжения и определив их параметры, он размыкает контур обратной связи системы РН и запускает систему вычисления параметров регулятора (СВП). Эта система по параметрам колебаний определяет настройки полосового усилителя и корректора сдвига фазы. После окончания вычислений параметров регулятора колебаний натяжения блок идентификации (БИКН) замыкает контур регулирования натяжения через этот регулятор до тех пор, пока возбуждения колебаний натяжения прокатываемой полосы не прекратятся и регулирование не перейдет на контур классического ПИ-регулятора РН.
АТ,
Рис. 1. Блок-схема устройства подавления колебаний натяжения (ДН - датчик натяжения; БИКН - блок идентификации колебаний натяжения; РН - регулятор натяжения; СВП - система вычисления параметров регулятора; ПУ - полосовой усилитель; КФ - корректор фазы; АТІ і +1 - натяжение прокатываемой полосы, Н;
А^.+1 - положение гидронажимного устройства, мм; і - индекс номера клети)
Нулевой фазовый сдвиг на частоте колебаний натяжения прокатываемой полосы для контура регулирования колебаний натяжения достигается введением в регулятор колебаний натяжения звена (КФ), которое удовлетворяет следующим условиям:
ФКФ,+1 ( 2Р /к.в.р.и )+ ф(4+1 т,,, +1 )РН (2Р /св.р.и ) +
' + ФДН,,,+1 (2Р /к.в.р.и ) = 00; (1)
^КФ, + 1 ( 2р ./к.в.р.и ) = 1,
где фКФ (2я/) - фазочастотная функция корректора фазового сдвига; ф( ) (2я/) - фазоча-
(" ,+1 Т,,, +1 )РН
стотная функция процесса прокатки со стороны воздействия на положение гидронажимного устройства (' + 1)-й клети; ФдН (2я/) - фазочастотная функция датчика натяжения прокатываемой полосы; ^4КФ (2я/) - амплитудно-частотная функция корректора фазового сдвига; /кври - основная частота
колебаний натяжения прокатываемой полосы, Г ц.
Исходя из условия моночастотности колебаний натяжения прокатываемой полосы [2], корректор сдвига фазы должен осуществлять линейные предсказания входного сигнала на время, соответствующее необходимому повороту фазы сигнала:
1 ф(с1 Т )РН (2я /к.в.р.и) + ФДН,,+1(2я Ук.в.р.и)
X =-----------' '+ '•'+;----------------------------:-■
' сдвКФ /к.в.р.и 3600
Ь |АТ,,+1(/)} = WКФM( Р )• !{АТ,+1(/-ХсдвКФ)},
где тсдвКФ - сдвиг сигнала о натяжении прокатываемой полосы, необходимый для выполнения условия
(1), с.
Передаточная функция корректора сдвига фазы WКФ (р) может быть найдена с применением рекурсивного метода наименьших квадратов и минимизацией ошибки следующего вида [1], [5]:
еКФ(ё А/с) = АТ,+и (я А/с) - АТ ,■+1КФ (я А/сX
где сКФ - ошибка коррекции фазового сдвига, выраженная в натяжении прокатываемой полосы, Н; АТ , + 1 - целевое значение натяжения прокатываемой полосы, Н; АТ + - значение натяжения про-
1,1 + 1КФ
катываемой полосы на выходе корректора фазового сдвига, как цифрового фильтра с линией задержки, Н; А/га - период дискретизации сигнала о натяжении прокатываемой полосы, с; я - номер шага вычисления.
Передаточная функция корректора фазового сдвига вычисляется в цифровом виде через адаптивную настройку рекурсивным методом наименьших квадратов и выражается через весовые функции
фильтра последовательно на каждом шаге поступления данных [1]:
АТ,г+1„(я А/е) = «Кф (ё А/с) ™кф ((я -1)А/ге,;);
К (А/ ) =______РКФ (( ё — 1) А/гс; ) «КФ ( ё А/гс;)_
КФ (ё гс; ) “ 1 + «Кф (я А/„,) Ркф ((я - 1)А/„,) «кф (я А/ге;)’
' РКФ (ё А/га ) = 1( РКФ (( ё - 1) А^гс; ) - ККФ (ё А/гс.; ) «КФ (ё А/га ) Х
X Ркф((я-1)Ас));
^КФ (ё А/гс; ) = КФ (( ё 1) А/гс;‘ ) + ККФ ( ё А/гс; ) СКФ (ё А/гс; X
(2)
где ,^Ф - вектор-столбец коэффициентов дискретного корректора сдвига фазы с нулевыми начальными значениями; иКФ - вектор-столбец линии задержки дискретного корректора сдвига фазы, Н; ККФ - вектор-столбец коэффициентов усиления дискретного корректора сдвига фазы; X - коэффициент экспоненциального забывания; Ркф - обратная корреляционная матрица дискретного корректора сдвига фазы с начальной оценкой в виде диагональной матрицы с элементами, 1/Н2; оАТ - стандартное от-
' Д + 1гс5
клонение входного сигнала АТ , +, , Н.
', ' + 1гс;
Вычисление Wкф производится итеративно на каждом шаге £ ; имитационное моделирование алгоритма (2) показало, что останов вычислений необходимо осуществлять, когда Wкф удовлетворяют следующему условию:
о^Кф (С А/гс;)] < |0,04М [wKф (С А/гс;)]|, (3)
где С - вектор-строка шагов вычисления (2), такой что (тах {в}-тт |в}) А/т = —
Л к.в.р.и
Условие (3) с ограничением количества шагов вычисления ё необходимо для создания передаточной функции корректора сдвига фазы и замыкания цепи обратной связи с регулятором колебаний натяжения прокатываемой полосы, поскольку имитационное моделирование показало, что рекурсивные вычисления (2) неустойчивы при использовании их в цепи обратной связи регулируемого процесса прокатки.
После того как условие (3) выполнено, финальные коэффициенты дискретного корректора фазового сдвига находятся следующим образом:
wKф = М [^Кф(С А/гс;)]. (4)
Имитационное моделирование процессов описанных выражениями (2 - 4) показало, что наиболее быстродействующим по выполнению условия (3) является корректор сдвига фазы с двумя элементами в векторе wKФ и коэффициентом экспоненциального забывания X = 0,9.
На рис. 2 представлен процесс вычисления коэффициентов корректора фазового сдвига ■^Ф и ошибка корректора фазового сдвига с текущими значениями коэффициентов. Весь процесс разделяется на зону настройки, где ,^Ф не удовлетворяет условию (3) и зону стабилизации, где ,^Ф удовлетворяет условию (3) и принимается равным среднему значению на этом периоде.
Расчет корректоров фазового сдвига для 277 случаев колебаний натяжения прокатываемой полосы показал, что время расчета вектора ,^Ф составляет в среднем 0,32 с и погрешностью коррекции сдвига не более 7°. Полосовой усилитель регулятора колебаний натяжения состоит из безынерционного усилителя и полосового фильтра, при этом коэффициент усиления разомкнутой системы должен быть близок к граничному усилению по запасам устойчивости с включенным в разомкнутый контур корректором фазового сдвига.
Максимальный коэффициент усиления может быть найден из условия устойчивости замкнутого контура процесса прокатки при соблюдении требований к устойчивости контура регулирования:
КП
-0,9
^(РНі+1 )общ.раз
(2п /к,)
(2п /„) = 00;
при ф
( РНі+1 )общ.раз
А(рНі +1 )общ.раз. (2п /кк ) тах {А(РНі+1 )общ.раз (2п^к.к )} ,
где КПУ - коэффициент усиления безынерционного усилителя (знак минус для отрицательной обратной связи), м/Н; /кк - критическая частота контура процесса прокатки с полосовым фильтром и корректором сдвига фазы, Гц; 1кк - вектор частот контура процесса прокатки со сдвигом фазы на 180 , Гц; А(Рнм)общ.раз (2п /) - амплитудно-частотная функция
процесса прокатки со стороны воздействия на положение гидронажимного устройства (' + 1)-й клети;
Ф(РН, ^)общраз (/) - фазочастотная функция контура
процесса прокатки с полосовым фильтром и корректором сдвига фазы, Гц.
Коэффициент 0,9 при определении усиления безынерционного усилителя характеризует смещение процесса регулирования в устойчивую область.
Имитационное моделирование процесса прокатки с различными типовыми полосовыми усилителями показывает, что максимальный коэффициент усиления разомкнутого контура, а соответственно, и максимальное подавление колебаний натяжения прокатываемой полосы (от 89 до 96 %), контуром с регулятором колебаний натяжения может быть достигнуто с применением в качестве полосового фильтра, фильтра Бесселя второго порядка. Это объясняется тем, что фильтры Бесселя имеют линейную характеристику фазового сдвига, а второй порядок фильтра обеспечивает низкую скорость смещения фазового сдвига к точке ±180° в полосе пропускания фильтра
[7].
і + 1
Время, с
Рис. 2. Изменение коэффициентов корректора фазового сдвига ШКФ (г) (сверху (1- мкФ (0) ; 2 - ^кФ (1)) и ошибки корректора фазы (снизу) для колебаний натяжения прокатываемой полосы на частоте 12,65 Гц и сдвига фазы на 30
Передаточная функция полосового усилителя на основе фильтра Бесселя второго порядка принимает следующий вид (порядок знаменателей передаточных функций полосовых усилителей равен удвоенному порядку фильтра):
+,(р) = к
ПУ +,5
ТПУі +11 р + ТПУі +12 р + ТПУі +13 р + ТПУі +14 р + 1
0,0147
ПУі+11 1555,387 /4в.
ПУ і+1 2 / 4
./ к.в.і
(0,0507 /кір, + 0,1095)
0,573
ПУ +13
/4
к.і
ПУ +14 2
/’
к.І
0,1095
ПУ +1 5 / 4
./ к.в.і
(5)
Для передаточной функции, определяемой выражением (5), максимум коэффициента передачи фильтра в полосе пропускания соответствует частоте
/к.в.р.и, ширина полосы пропускания фильтра соответствует эффективной ширине спектра сигнала колебаний натяжения прокатываемой полосы и составляет 1,2 Гц. В зоне заграждения представленный фильтр осуществляет снижение мощности сигнала на 18 дБ, также необходимо отметить, что на частоте
/к.в.р.и полосовой усилитель WПУ ] (р) имеет нулевой сдвиг фазы.
На рис. 3 представлены результаты имитационного моделирования работы системы регулирования колебаний для типовой реализации натяжения при вибрациях на стане холодной прокатки.
где ^ПУ (р) - передаточная характеристика полосового усилителя регулятора колебаний натяжения прокатываемой полосы.
Рис. 3. Результаты имитационного моделирования процесса прокатки с колебаниями натяжения на резонансной частоте 12,7 Гц и применением алгоритма автоматического регулирования натяжения для устранения колебаний натяжения: а, б, в - осциллограммы колебаний натяжения без систем автоматического регулирования (а), с регулятором РН (б), с регулятором колебаний натяжения (в), с переключением между регуляторами (г); д - диаграмма состояний цепи обратной связи (1 - замкнута на регулятор РН; 2 - разомкнута;
3 - замкнута на регулятор колебаний натяжения)
2
Применение системы устранения колебаний натяжения прокатываемой полосы на станах холодной прокатки с переключением между специализированным разработанным регулятором колебаний натяжения полосы и типовым регулятором натяжения по сигналу обнаружения колебаний с возможностью размыкания контура регулирования на время настройки параметров позволяет поддерживать заданное натяжение прокатываемой полосы в колебательных и стабильных режимах с отклонением не более ±1,6-104 Н. Такой уровень колебаний натяжения прокатываемой полосы дает возможность вести процесс прокатки без снижения скорости при возникновении вибраций, и, соответственно, повысить производительность стана.
По результатам исследования можно сделать следующие выводы:
- для устранения колебаний натяжения прокатываемой полосы при вибрациях в процессе прокатки в состав регулятора натяжения полосы по изменению положения гидронажимного устройства необходимо ввести регулятор колебаний натяжения, состоящий из корректора фазового сдвига, полосового усилителя и системы вычисления параметров;
- регулятор колебаний натяжения при идентификации вибраций будет настраиваться на частоту колебаний и гасить ее амплитуду за счет противофазных воздействий;
- применение системы устранения колебаний натяжения позволяет устранить в 85 % случаев колебания на станах холодной прокатки и повысить произ-
водительность стана, рассчитанную по методике [3], с применением разработанной системы на 2,14 %.
Литература
1. Уидроу, Б. Адаптивная обработка сигналов / Б. Уид-роу, С. Д. Стирнз. - М., 1989.
2. Харахнин, К.А. Разработка алгоритма идентификации вибраций в рабочих клетях станов холодной прокатки / К.А. Харахнин, А.В. Кожевников, Е.А. Маслов // Сталь. -2010. - № 10. - С. 38 - 40.
3. Химич, Г. Л. Оптимальная производительность станов холодной прокатки / Г.Л. Химич, А.В. Третьяков, Э.А. Гарбер, М.А. Макарова. - М., 1970. - C. 67 - 82.
4. John D. Higham, Colin J. McNaught Pat. 458842 U.S. Patent. Feed forward gauge control system for a rolling mill // Cupertino, California. - Apr. 8, 1974.
5. Glentis, G.O. Efficient Least Squares Adaptive Algorithms for FIR TransversalFiltering / G.O. Glentis, K. Ber-beridis, S. Theodoridis // IEEE Signal Processing Magazine. -1999. - № 4. - P. 13 - 41.
6. Ни, Р.Н. Stability Analysis of Chatter on a Tandem Rolling Mill / Р.Н. Hu, K.F. Ehmann // International Journal of Manufacturing Processes. - 2000. - № 4. - P. 217 - 224.
7. Rabiner, L.R. FIR Digital Filter Design Techniques Using Weighted Chebyshev Approximations / L.R. Rabiner, J.H. McClellan, T.W. Parks // Proc. IEEE. - 1975. - № 63. - P. 595
- 610.
8. Roberts, W. Third Octave - Mode Chatter in the Cold Rolling of Light Gauge Strip / W. Roberts // Proceedings of the International Conference on Steel Rolling. - 1980. - P. 1215 -1224.
УДК 519.87
Д.А. Мявря
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В.А. Кузнецов
ЗАДАЧА ТЕСТИРОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ МИКРОПРОЦЕССОРОВ С КОНВЕЙЕРНОЙ АРХИТЕКТУРОЙ
В данной статье рассматривается задача тестирования микропроцессоров, построена модель работы микропроцессора в виде детерминированного конечного автомата на графе состояний, проанализирована модель и предложены методы для уменьшения размерности полученного графа.
Тестирование микропроцессора, граф состояний, конечный автомат, обход ориентированного графа.
This article considers the problem of microprocessor testing. The model of microprocessor as a finite-state machine on its state graph is built and analyzed. The methods of reducing the graph dimension are presented in the paper.
Microprocessor testing, state graph, finite-state machine, directed graph pass-by.
Разработка современной контрольно-измерительной аппаратуры и систем управления технологическими процессами часто требует создания специализированных микропроцессоров, которые в целях снижения энергопотребления и стоимости отличаются от стандартных сокращенным набором команд, либо, напротив, наличием дополнительных команд, таких как: быстрое преобразование Адамара или автоматическое кодирование и декодирование информации.
Процесс разработки микропроцессора достаточно сложный и может отличаться на разных предприятиях, однако можно выделить некоторые стадии:
Написание спецификации. Как и любой другой программный или аппаратный продукт, создание микропроцессора предваряет написание полной спецификации его работы.
Создание модели работы микропроцессора. Обычно модель представляет собой программу на высокоуровневом языке программирования. Про-
