Алгоритмизация и программирование задач логического управления

Разработка алгоритмов и программ для СЛУ проводится в такой последовательности:

1. Формулирование требований к системе управления: выбор входных х_i и выходных u_j (управляющих) переменных.

2. Математическая формулировка задачи управления: составление таблицы истинности, представление зависимостей выходных переменных от входных в аналитической форме – логическими формулами u_j=f_j (х_i), где
х = (х₁, х₂,…х_n).

3. Минимизация логических функций.

4. При аппаратной реализации СЛУ синтезируется принципиальная электрическая схема на заданной элементной базе. При программной реализации системы логического управления составляется алгоритм и программа решения задачи управления в соответствии с системой команд выбранного МП или МК. Программирование осуществляется на языке МК либо на каком-либо макроязыке с последующим ассемблированием.

5. Отладка, испытание и ввод в эксплуатацию системы управления.

Расчётное задание выполняется для объекта управления, представляющего собой резервуар-смеситель, в котором при смешивании двух исходных материалов производится готовый продукт (рис. 1).

<

<

>

<

>

>

компонент 2

компонент 1

клапан 3

клапан 2

клапан 1

неиспр-ть концентра-томера

Рис. 1. Объект управления – резервуар-смеситель

 

Контролируемыми параметрами являются:

- Q₁ = x₁ – концентрация первого компонента в готовом продукте;

- Q₂ = x₂ – концентрация второго компонента в готовом продукте;

- L = x₃ – уровень готового продукта в резервуаре.

Задача системы управления состоит в поддержании определённого соотношения компонентов в продукте и запаса готового продукта, т.е. его уровня в резервуаре.

Для управления могут использоваться клапаны 1, 2 на трубопроводах подачи исходных материалов и 3 – на трубопроводе слива готового продукта.

Входные переменные x_1, x_2, x₃ системы управления рассматриваются как дискретные, принимающие значения «0» при нормальной величине соответствующего технологического параметра или «1» - при отклонениях от нормы. В зависимости от постановки задачи управления за единичное значение входной переменной может приниматься её величина ниже нормы или выше нормы. Очевидно, что если одновременно x₁ = 1 и x₂ = 1, то это означает неисправность одного из концентратомеров.

Управляющие переменные также принимают дискретные значения «0» или «1», им соответствуют сигналы прикрытия u₁, u₂, u₃  или приоткрытия u₂, u₄, u₆  клапанов.

Составление таблицы истинности

Рассмотрим вариант (в данном случае возможно 8 вариантов) составления таблицы, когда логическая «1» соответствует входным сигналам х₁, х₂, х₃  меньше нормы, а для управления используется клапан 1 в направлении «больше» (т.е. u₂) и клапан 2 (т.е. u₃ и u₄).

Если входные переменные не отклоняются от нормы (х₁ = х₂ = х₃=0), то не требуется управляющих воздействий (u₂ = u₃ = u₄ = u₇ = 0). Это состояние соответствует первой строке таблицы истинности (таблица 1).

Таблица 1

х3	х2	х1	u2	u3	u4	u7
0	0	0	0	0	0	0
0	0	1	1	1	0	0
0	1	0	0	0	1	0
0	1	1	0	0	0	1
1	0	0	1	0	1	0
1	0	1	1	0	0	0
1	1	0	0	0	1	0
1	1	1	1	0	0	1

 

При уменьшении концентрации компонента 1 (х₁ = 1) увеличиваем расход компонента 1 (воздействие u₂ = 1) и уменьшаем расход компонента 2 (воздействие u₃ = 1, строка 2) и т.д., перебирая возможные отклонения входных сигналов от нормы (последующие строки таблицы 1), записываем соответствующие значения управляющих воздействий. Строки 4 и 8 таблицы, соответствующие неисправности концентратомера используются для выработки аварийного сигнала u₇ = 1.

Далее записываются логические выражения для управляющих воздействий в совершенной дизъюнктивной нормальной форме (СДНФ) или совершенной конъюнктивной нормальной форме (СКНФ) по выбору разработчика системы.

Задание № 1. Синтез комбинационных логических схем.

Задача получения таблицы истинности функционирования СЛУ формализована. Исходная таблица истинности может быть получена из таблицы 2.

Таблица 2.

№ в журнале	№ управляющего воздействия	№ в журнале	№ управляющего воздействия	U1	U2	U3	U4	U5	U6	U7	U8
1	1, 3, 5, 7	17	2, 4, 6, 8	4E	1С	06	14	93	24	ED	F4
2	1, 2, 3, 8	18	4, 5, 6, 7	53	32	43	47	06	D4	F1	D7
3	2, 3, 4, 5	19	1, 6, 7, 8	17	31	61	CE	C4	AE	35	91
4	1, 5, 6, 7	20	2, 3, 4, 8	93	81	F9	AB	CD	E0	13	72
5	2, 3, 4, 8	21	1, 5, 6, 7	92	23	54	6С	D1	B2	49	60
6	1, 3, 5, 7	22	2, 4, 6, 8	4F	FC	А4	39	41	0D	С1	Е4
7	1, 6, 7, 8	23	2, 3, 4, 5	90	89	AF	С4	СЕ	D1	83	17
8	2, 3, 5, 8	24	1, 4, 6, 7	BD	1F	44	60	74	14	63	34
9	1, 4, 6, 7	25	2, 3, 5, 8	09	3D	FA	4С	ЕС	19	13	71
10	1, 3, 5, 8	26	2, 4, 6, 7	4F	AF	75	DC	С6	А4	АЕ	D8
11	2, 4, 6, 7	27	1, 3, 5, 8	22	49	С9	Е4	68	11	12	DC
12	2, 4, 6, 8	28	1, 3, 5, 7	4F	FC	А4	39	41	D0	С3	Е4
13	4, 5, 6, 7	29	1, 2, 3, 8	17	38	А1	СЕ	2С	98	CD	19
14	4. 5, 6, 7	30	1, 2, 3, 8	32	27	41	47	16	14	F2	8D
15	2, 3, 4, 8	31	1, 5, 6, 7	09	64	AF	С2	ЕС	D9	F1	1С
16	1, 2, 3, 6	32	4, 5, 7, 8	16	26	45	F2	3D	В7	18	Е5

 

Таблицы истинности составляют следующим образом:

- 3 левые столбца (таблица 3) содержат возможные комбинации входных воздействий в возрастающем порядке;

- 4 следующих столбца содержат потетрадную двоичную запись заданных управляющих воздействий, представленную в виде последовательности восьми двоичных разрядов (старший двоичный разряд записывается в первой строке). Например, для варианта №1 таблица истинности имеет вид (u₁ = 4Е, u₃ = 06, u₅ = 93, u₇= ED), таблица 3.

 

Таблица 3

х3	х2	х1	U1	U3	U5	U7
0	0	0	0	0	1	1
0	0	1	1	0	0	1
0	1	0	0	0	0	1
0	1	1	0	0	1	0
1	0	0	1	0	0	1
1	0	1	1	1	0	1
1	1	0	1	1	1	0
1	1	1	0	0	1	1

 

U₁ = 4Е записывается потетрадно в двоичном коде (4 = 0100, Е = 1110), далее записывается совместно

Заполнение столбца U₁ табл.3 осуществляется сверху вниз по стрелке, начиная с крайнего левого знака.

Аналогично заполняются столбцы для управляющих воздействий u₃, u₅, u₇.

При аппаратной реализации СЛУ комбинационная схема синтезируется в двух базисах: булевском и заданном.

В булевском базисе синтезируется общая принципиальная схема, имеющая 3 входа (аргументы х₁, х₂, х₃) и 4 выхода, указанные в таблице 3 (для рассмотренного примера U₁, U₃, U₅, U₇). Число входов логических элементов может быть любым.

В заданном базисе синтезируются 5 схем на логических элементах 2И-НЕ для нечётных номеров и на логических элементах 2ИЛИ-НЕ – для чётных. Первоначально синтезируются 4 схемы (по одной для каждого управляющего воздействия). Затем составляется общая принципиальная схема, в которой исключаются дублирующие входные инверторы и участки схем, формирующие одинаковые части логических выражений, описывающих разные управляющие воздействия.

 Теоретический раздел этой части работы включает:

1. Минимизацию логических выражений для управляющих переменных:

- табличным способом для первой переменной;

- алгебраическим способом для второй переменной;

- с помощью карт Карно для третьей переменной;

- любым из известных способов для четвёртой.

    2. Синтез схемы управления в булевском базисе.

    3. Синтез схем управления в заданном базисе.

Практический раздел этой части задания заключается в монтаже разработанных схем на лабораторном стенде и проверке их функционирования по таблице истинности.

При проверке работоспособности разработанных электрических схем на стендах комбинации переменных х₁, х₂, х₃ задаются переключателями на 8 положений. Значения переменных индицируются светодиодами зелёного цвета. Управляющие сигналы подаются на соответствующие гнёзда стендов и их значение индицируется светодиодами красного цвета. Светодиоды светятся при отображении уровня логической 1. Соединения элементов схемы, подключение входных и управляющих воздействий производятся проводами с однополюсными вилками.

Оформление расчётного задания должно включать:

1. Задание.

2. Таблицу истинности.

3. Минимизацию функций с пояснениями.

4. Принципиальные схемы в булевском базисе и заданном.

5. Перечень совершённых ошибок.

 

                                                            

                     Задание №2. Программная реализация СЛУ.

  Программная реализация алгоритмов логического управления основана на применении микропроцессорных средств. Преимущества такого подхода проявляются в повышении унификации алгоритмического уровня, точности работы аппаратуры, расширении возможностей по резервированию, гибком изменении функций и оперативной модернизации алгоритмов.

Характерной особенностью программируемого МК является выполнение логических операции, циклический опрос и ввод переменных, вычисление значений логических функций, формирование и вывод управляющих сигналов для включения и выключения исполнительных устройств.

Программы логического управления могут быть организованы различными способами в зависимости от типа применяемого микроконтроллера.

   При выполнении третьей части расчётного задания необходимо составить программу, обеспечивающую управление объектом, функционирующим по алгоритму, заданному таблицей 3, причём возможно использование любых микропроцессоров малой и средней степени сложности (PIC, AVR, МК51 и др.).

В лаборатории СЛУ реализована на МП серии MSP 430.

Также в лаборатории имеются описание аппаратуры стендов и правила пользования контроллером, необходимые для проверки работоспособности разработанной СЛУ.

Методические указания к выполнению 3 части РГР.

 

Создание принципиально новой элементной базы – микропроцессоров (МП) – послужило предпосылкой для реализации новой идеологии в построении приборов, систем обработки данных и управления. МП представляет собой универсальную полупроводниковую большую интегральную схему (БИС) с программируемой логикой. МП включает в себя средства обработки информации и управления процессом обработки и в настоящее время состоит из одной программно-управляемой БИС.

Для систем управления характерна значительная взаимоудалённость компонентов системы. Применение МП невысокой стоимости и малых габаритов позволяет устанавливать их непосредственно на управляемом оборудовании (встроенные МП средства). Такой подход вносит существенные коррективы в стратегию управления, что относится в первую очередь к созданию распределённых (децентрализованных) систем управления технологическими процессами (ТП) и производствами. Особенность таких систем заключается либо в рассредоточенном расположении средств управления, либо в разделении функций управления между несколькими МП комплексами, либо в том и другом одновременно. Основными чертами распределённых систем управления является их более высокое быстродействие, гибкость и адаптивность к решению задач, повышенная живучесть.

Основными средствами локального управления в настоящее время являются МП контроллеры или микроконтроллеры (МК), включающие в себя МП и различные аппаратные средства, необходимые для решения задач связи с объектом, отображения информации и др. Они решают практически любые задачи по реализации алгоритмов автоматического регулирования непрерывных и непрерывно-дискретных ТП, логического управления, могут встраиваться в контрольно-измерительные приборы, периферийные устройства, обрабатывающие станки, транспортные механизмы и др. Области применения МК и выполняемые ими функции непрерывно расширяются.