автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированная система очистки технологических сред с использованием вихревого эффекта и ультразвука

На правах рукописи

Филатов Дмитрий Алексеевич

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОЧИСТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВИХРЕВОГО ЭФФЕКТА И УЛЬТРАЗВУКА

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 I ОК'Г 2015

005563616

Иркутск — 2015

005563616

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО ИрГУПС).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель

науки РФ Мухопад Юрии Федорович

Официальные оппонен- Асламова Вера Сергеевна, доктор технических наук, про-ты: фессор, ФГБОУ ВПО «Иркутский государствет1ый уни-

верситет путей сообщения», г. Иркутск, кафедра «Техно-сферная безопасность», профессор

Пудалов Алексей Дмитриевич, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Ангарская государственная техническая академия», г. Ангарск, кафедра «Промышленная электроника и информационно-измерительная техника», доцент

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет», г.

Братск

Защита диссертации состоится 26 ноября 2015 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.004.01 на базе ФГБОУ ВПО "Иркутский государственный университет путей сообщения" по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15, ауд. А-803. Тел. 8-(3952)-63-83-11, факс: (8-3952) 38-76-72; е-таПгтаП^тещк.ги.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО "Иркутский государственный университет путей сообщения", http://www.irgups.ru.

Автореферат разослан "12" октября 2015 г.

/ ./

Ученый секретарь /х-'У

/У /

диссертационного совета у Данеев Алексей Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одной из важнейших задач при создании сложных технических систем является обеспечение защиты окружающей среды на предприятиях, имеющих большую степень загрязнения. Важным технологическим процессом для защиты окружающей среды в промышленности является очистка воздуха от пыли с использованием высокопроизводительных прямоточных циклонов. В другой области, в частности в нефтяной промышленности, используют акустические газоструйные излучатели (акустические форсунки, ультразвуковые свистки и сирены), что исключает возможность возгорания. Кроме того, для опреснения морской воды, отопления производственных и жилых помещений, для очистки железнодорожных стрелок от снега и льда и в других технологических процессах могут быть использованы вихревые трубы. Вихревые трубы не требуют дополнительных источников энергии кроме подачи сжатого воздуха или воды под давлением.

Трудность автоматизации процессов управления и контроля сложных технических систем, состоящих из вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов, заключается в том, что на данный момент до конца не изучены процессы, протекающие в подобных системах.

Существенный вклад в моделирование, проектирование и совершенствование сложных технических систем, таких как система очистки технологических сред с применением вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов, внесли отечественные ученые: Б.А. Агранат, Г.Н. Абрамович, В.П. Алексеев, B.C. Асламова, Ю.Я. Борисов, В.Ц. Вапчинков, В.Н. Гинин, А.Ф. Гуцол, B.C. Мартыновский, B.C. Марюхненко, А.П. Меркулов, Л.Д. Розеберг, а так же зарубежные ученые: П. Брэдшоу, J. Hartmann, В. Trolle, R. Hileh и др.

Создание таких сложных технических систем рассматривается как задача механики без учета управляющих подсистем. Анализ динамических процессов в сложных технических системах, только с позиции теории механизмов и машин, является недостаточным, так как не учитывает информационно-управляющего воздействия, приводящего к желаемому эффекту.

Кроме того, до сих пор отсутствуют работы по исследованию совместного действия ультразвуковых излучений и вихревых эффектов в воздушных и водных средах. Тем более отсутствуют работы по исследованию систем управления такими эффектами. Поэтому диссертационные исследования в этой области являются актуальными и востребованными как с научной, так и с практической точки зрения.

Целью представленных в диссертации научных исследований является исследование комплексной системы вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов и создание математической модели системы очистки технологических сред для синтеза автоматизированной систем!,I очистки технологических сред с применением вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Разработать систему вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов очистки технологических сред.

• Создать математическую и физическую модель комплексной системы исполнительных механизмов очистки технологических сред.

• Выявить закономерности, определить управляющие параметры исполнительных механизмов системы очистки.

• Разработать алгоритмы и аппаратную модель автоматизированной системы очистки технологических сред.

• Произвести экспериментальные исследования вихревых и ультразвуковых параметров, подтверждающих достоверность результатов математического моделирования системы очистки технологических сред, работоспособность конструкции и достоверность исследований.

Объект исследования. Физические процессы в системе очистки с комплексным взаимодействием вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов, и методы информационно-управляющего воздействия в автоматизированной системе очистки технологических сред.

Предмет исследований. Методы управления и контроля системы очистки технологических сред с комплексным взаимодействием вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов.

Методы исследований. Системный анализ, физическое и математическое моделирование, экспериментальное оценка параметров, моделирование с использованием сетей Петри, методы представления динамических процессов управления автоматными моделями.

Научная новизна состоит в том, что в диссертации впервые получены следующие положения, которые выносятся на защиту:

• Новая система очистки технологических сред с комплексным взаимодействием вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов.

• Методика сопоставления математических моделей динамических процессов и универс&тьных сетей Петри.

• Структурная организация автоматизированных систем очистки технологических сред с автоматным управлением.

• Алгоритм работы автоматизированной системьг очистки технологических сред, обеспечивающий управление и контроль технологическими процессами очистки в режиме реального времени.

• Модификация методики синтеза управляющего автомата с внутренним мультиплексором и стековой памятью, позволяющая снизить объем памяти комбинационной схемы переходов в автомате, приблизительно в 2 раза.

Достоверность и обоснованность научных результатов, представленных в диссертации, подтверждается совпадением расчетных данных предложенных математических моделей с экспериментальными данными системы исполнительных механизмов для очистки технологических сред в пределах от 92,5 до 98,5%.

Практическая значимость. На основе полученных в диссертационной работе результатов возможно решение следующих практических задач:

• Впервые показаны возможности создания вихревых и ультразвуковых механизмов для очистки воздушно-полевых и полных сред (заявка на патент на полезную модель РФ №2015112888) для широких областей в промышленности для очистки воздуха от пыли, очистки загрязнений и обеззараживания различных поверхностей, и на транспорте для очистки автодорожных и железнодорожных путей от снега и льда.

• Разработано программное обеспечение автоматизированной системы очистки технологических сред с комплексным взаимодействием вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015615404), обеспечивающее управление и контроль технологическими процессами очистки в режиме реального времени.

• Модифицированная методика синтеза управляющего автомата использована для создания подсистемы управления и контроля автоматизированной системы очистки технологических сред с комплексным взаимодействием вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов.

• Результаты исследований подтверждают достоверность предложенных методик, что дает возможность проектировать с требуемыми параметрами и автоматизировать процессы в вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмах для различных типов технологических процессов.

Реализация результатов работы. Результаты исследований:

1) внедрены в учебный процесс Иркутского государственного университета путей сообщения, при чтении дисциплин "Интеллектуальные системы управления" и реализованы в виде лабораторных работ по данным дисциплинам;

2) использованы в бюджетной НИР, № госрегистрации 01201251780;

3) практические методы проектирования переданы в ООО "ХИМТЕХ-КЖОС" для реализации температурного разделения попутных нефтяных газов при добыче нефти.

Апробация работы. Научные результаты, полученные в процессе диссертационных исследований, обсуждались на следующих научных конференциях: научно-технической конференции с международным участием «Проблемы транспорта Восточной Сибири», г. Иркутск, 2011 г.; научно-технической конференции с международным участием «Проблемы транспорта Восточной Сибири», г. Иркутск, 2012 г.; научно-технической конференции с международным участием «Проблемы транспорта Восточной Сибири», г. Иркутск, 2013 г.; XVIII Байкальской Всероссийской конференции "Информационные и математические технологии в науке и управлении" г. Иркутск, 2013 г.; VIII Международной научно-практической конференции «Перспективные разработки науки и техники - 2013», г. Перемышль, 2013 г.; II Международной научно-практической конференции «Проблемы и достижения в науке и технике», г. Омск, 2015 г., научно-технических семинарах кафедры УТС и АПП ИрГУПС 2011-2014 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе пять статей в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования диссертационных исследований, в отчете о научно-исследовательской работе, заявка на патент на полезную модель РФ и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. В работах с соавторами соискателю принадлежит от 25 до 50% результатов. Положения, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.

Структура и объем работы. Диссертация включает введение, четыре главы основного текста, заключение, библиографический список из 124 наименований, приложения. Общий объем диссертации 146 страниц, в тексте содержится 36 рисунков и 12 таблиц. В приложении приведены результаты математического моделирования и материалы о внедрении результатов работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы и приведена общая характеристика диссертации с изложением основных положений и результатов работы, обозначены цель и задачи исследования.

В первой главе приведен обзор существующих систем очистки технологических сред, существующих вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов, методик разработки математических моделей динамических процессов данных исполнительных

механизмов. Определены назначение, структура, состав и задачи разработки автоматизированной системы очистки технологических сред с использованием вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов.

Применение систем, состоящих из комбинации вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов для очистки технологических сред, способствует высокой эффективности, надежности и экономичности в использовании, за счет отсутствия необходимости в дополнительных источниках энергии, кроме энергии сжатого воздуха. Очистка технологических сред от загрязнений за счет применения ультразвука для дробления загрязнений и обеззараживания очищаемых поверхностей и за счет применения вихревого эффекта для обдувки очищаемых поверхностей горячим сжатым воздухом, исключает все промежуточные ступени очистки.

Во второй главе приведено математическое моделирование динамических процессов, протекающих в системе очистки технологических сред с использованием вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов.

Общий вид экспериментальной ультразвуковой системы очистки технологических сред с применением вихревого эффекта приведен на рис. 1.

Рис. 1. Общий вид ультразвуковой системы очистки технологических сред с применением вихревого эффекта, где 1 — сопло вихревой трубы, 2 - гладкая цилиндрическая труба, 3,4,9- штуцер, 5 - дроссель, 6, 7 - стыковочный элемент, 8 - пневмо-обдувка, 10 - сопло ультразвуковой сирены, ! 1 - резонатор, 12 - стержень, 13 - рефлектор, 14 - отверстия для выхода отработанного сжатого воздуха, 15 - отборная камера отработанного сжатого воздуха, 16 - элемент крепления системы, 17 - элемент рабочей поверхности

Система работает следующим образом:

Сжатый воздух поступает в вихревую трубу с пневмомагистрали и регулируется дросселем. В вихревой трубе сжатый воздух делится на два потока (горячий и холодный), выходит через горячий и холодный выход вихревой трубы и регулируется дросселем на холодном выходе. Часть горячего сжатого воздуха поступает в ультразвуковую сирену, а другая часть - в пневмообдувку. Горячий сжатый воздух регулируется дросселем на входе в ультразвуковую сирен}' и дросселем на входе в пневмообдувку. После прохождения через ультразвуковую сирену отработанный сжатый воздух на 99% возвращается в пневмообдувку, а сгенерированные им ультразвуковые волны в сирене, наряду со сжатым горячим воздухом пневмообдувки поступают на обрабатываемую поверхность. Датчики температуры и давления установлены на каждом дросселе системы очистки.

Приведена математическая модель динамических процессов, протекающих в системе ультразвуковой очистки технологических сред с применением вихревого эффекта, состоящая из комбинации классических уравнений модели вихревой трубы (ВТ), разработанной Меркуловым А.П., и модели ультразвуковой сирены, разработанной Борисовым Ю.Я.:

1. Уравнения движения:

„ = (1)

дг„ г„ Р„ Зг„

„ ^ = (2)

где и, - радиальная скорость сжатого воздуха в ВТ, и, - тангенциальная скорость сжатого воздуха в ВТ, р — давление сжатого воздуха в ВТ, г„ - радиус ВТ, р1т — плотность сжатого воздуха в ВТ.

2.Уравнение сплошности:

d(p„-r„-ur)

= 0. (3)

3. Уравнение энергии:

дТ = 1 др ^

8гп р„ - ср дгШ!'

где Т - температура сжатого воздуха в ВТ, ср - изобарная теплоемкость сжатого воздуха.

4. Уравнение состояния:

Р = г-Р„-Л-Г, (5)

где g - ускорение свободного падения, /? - газовая постоянная.

5. Уравнение пульсации температуры:

дТ (зг"

дТ' = L

дг„

(6)

где /пс - длина пути смещения.

6. Уравнение пульсации скорости при изотропной турбулентности:

= . (7)

7. Уравнение местной скорости звука:

t

где s - индекс, указывающий на изоэнтропичность процесса.

8. Уравнение длины волны пространственной осцилляции струи:

b = г (9)

где А - коэффициент, изменяющийся для разных типов сопел ультразвукового излучателя в пределах от 0,77 до 1,22, dc - диаметр сопла, Лср - среднее значение, принятое Эмде-ном.

9. Уравнение частоты генерации излучателя:

г _

4-К +0,4-/„ +(< -£/„) (0,4-0,2-Лр/<)]' (,0)

где Ар - глубина резонатора, /„ - длина стержня, с!р - диаметр резонатора, ¿¡„ - диаметр стержня.

10. Уравнение интенсивности звука:

• р с-с

;2-я-Л-/2-Р.-С= Р -С

(И)

(12)

I = -£—--

Рс-С 2

где о0 - амплитуда колебательной скорости, Д, — амплитуда смещения, Р - радиационное давление.

11. Уравнение акустической мощности:

IV | -вта-аа.

где гс — радиус сопла, ра — эффектив!юе значение звукового давления, а — угол сдвига фаз.

Согласно математической модели разработаны основные зависимости параметров вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов (рис. 2-4).

На рис. 2-4 основным управляющим параметром системы очистки технологических сред является давление [\ сжатого воздуха на входе в вихревую трубу, а второстепенным управляющим параметром является давление Рк сжатого воздуха на горячем выходе из вихревой трубы.

500 400 300 200 100 0

1ЩР1

Тс(Р ¿) ---- ---

6.5

6.6 6.7

Р, эти

6.8

Рис. 2. Зависимость температуры горячего и холодного потоков сжатого воздуха на выходах из вихревой трубы от входного давления сжатого воздуха

10 8

5 6

ь

л

о.- 4 2 О

Рис. 3. Зависимость давления ¡\ сжатого воздуха на входе и давлений сжатого воздуха Рс, Ри, Рз], Ра,, Р, - соответственно на горячем и холодном выходах из вихревой трубы, на входе в ультразвуковую сирену, на входе н выходе из пневмообдувки,

[ати]

12 10 8

Н

га 6 аГ

4 2 0

Рис. 4. Зависимость давления Рн сжатого воздуха на горячем выходе и давления сжатого воздуха , /',, Р!П, Р, - соответственно на холодном выходе из вихревой трубы, на входе в ультразвуковую сирену, на входе и выходе нз пневмообдувки,

[ати]

Согласно математической модели динамических процессов и зависимостям (рис. 2-4) разработан направленный граф сетевой модели подсистемы управления и контроля системы очистки технологических сред с применением вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов (рис. 5).

РЬ( Р1)

Я(Р ЦР1

-- -- — -/г- У — р€ 1 /Р1 1 ------ —----

_ у' Рс( ?1)

0 2 4 6 8 10

Р1. ати

Рс( •И),

РЬ)

Р^ (РИ]

/ / /

/ /■. - - " " Рв1 РН)

у у ' У У

0 2 4 6 8 10

РИ,ати

В графе состояния устройства обозначены: I - обслуживание модуля 1 - управление и контроль давлением Р1 сжатого воздуха на входе в вихревую трубу; 2 - обслуживание модуля 2 - управление и контроль давлением Рс сжатого воздуха на холодном выходе вихревой трубы; 3 — обслуживание модуля 3 — управление и контроль давлением Рл сжатого воздуха на горячем выходе из вихревой трубы и на входе в ультразвуковую сирену; 4 - обслуживание модуля 4 - управление и контроль давлением Ря1 сжатого воздуха на горячем выходе из вихревой трубы и входе в пневмообдувку, дугами с11-с1ип с1]2, с!п обозначены переходы между указанными состояниями. Дуги с/и, с1ы, с!)ъ, й?16 обозначают завершение работы соответственно модуля 2 (при избыточном давлении Рс или его отсутствии на холодном выходе вихревой трубы), модуля 1 (при избыточном давлении Р, или его отсутствии на входе в вихревую трубу), модуля 3 (при избыточном давлении Р:1 или его отсутствии на горячем выходе вихревой трубы или на входе в ультразвуковую сирену) и модуля 4 (при избыточном давлении РхП на горячем выходе вихревой трубы или на входе в пневмообдувку).

Рис. 5. Сетевая математическая модель процессов, протекающих в подсистеме управления и контроля системы вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов

После завершения работы одного из четырех модулей следует завершение работы системы управления и контроля и отключение системы очистки. Управление и контроль модулями осуществляется по информации от датчиков. Датчики расположены в каждом из модулей. С помощью дросселей подсистема меняет параметры давления до рабочего состояния устройства очистки при малейшем изменении любого из приведенных выше параметров давления.

Разработаны списки условий (табл. 1) и событий (табл. 2) согласно математической модели (рис. 5) подсистемы управления и контроля системы очистки технологических сред с применением вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов. Разработан общий список предусловий и постусловий (табл. 3), сеть Петри с запрещающими дугами (рис. 6), состоящей из основного маршрута обхождения всех ребер сети Петри (рис. 7) и обратного маршрута обхождения всех ребер сети Петри (рис. 8).

Таблица 1. Список условий

Обозна чение Условия Наличие начальных условий

ь. Обслуживание модуля 1 (принят запрос с датчика Ц ) Есть

Ь2 Вывод данных входных и выходных параметров модуля 1 Нет

Ь, Обслуживание модуля 2 (принят запрос с датчика П2) Есть

К Вывод данных выходных параметров модуля 2 Нет

К Обслуживание модуля 3 (принят запрос с датчика П3) Есть

К Вывод данных выходных параметров модуля 3 Нет

ъ, Обслуживание модуля 4 (принят запрос с датчика £>4) Есть

К Вывод данных выходных параметров модуля 4 Нет

Таблица 2. Список событий

Обозна чение Событие

¿, Переход от модуля 1 к модулю 2 (Сравнение и Р,, /, и 7|)

Переход от модуля 1 к модулю 3 (Сравнение р, и Р,, (, и Г,)

¿3 Возврат из модуля 2 к модулю 1 (Сравнение рс и Рс, 1с и Тс)

¿4 Возврат из модуля 4 к модулю 1 (Сравнение р!П и Р,а, и Тгп )

¿5 Возврат из модуля 3 к модулю 1 (Сравнение и Р5,. Л, и Тз1)

Переход от модуля 1 к модулю 4 (Сравнение р] и Р,, и 7|)

¿7 Переход от модуля 2 к модулю 3 (Сравнение рс и Рс, 1с и Ге)

¿з Возврат из модуля 4 к модулю 2 (Сравнение ря1 и Ра1, и Гм[)

Возврат из модуля 3 к модулю 2 (Сравнение и Рх1, /,, и Тл)

(110 Переход от модуля 2 к модулю 4 (Сравнение рс и Рс, /с и Тс)

¿п Переход к завершению работы микропроцессорной системы на стадии прохождения сжатого воздуха через вихревую трубу.

¿12 Возврат из модуля 4 к модулю 3 (Сравнение ря1 и Р1П, /„, и Т5П)

¿и Переход от модуля 3 к модулю 4 (Сравнение /51 и Р51, и Тл )

¿14 Переход к завершению работы микропроцессорной системы на стадии подачи сжатого воздуха в вихревую трубу.

¿15 Переход к завершению работы микропроцессорной системы на стадии подачи сжатого воздуха в ультразвуковую сирену.

¿16 Переход к завершению работы модуля 4.

Таблица 3. Список условий и событий

Предусловие Событие Постусловие

ЬА ЪфА

ЬА с12 ЬфА

ЬА ¿3 ЬАЬ4

ЬА ¿4 ЬФА

ЬА ¿5 ьрА

ЬА ¿6 ьАк

ЬА ¿7 ЬАК

ЬА ¿8 ЬФА

ЬА ЪъЪА

ЬА ¿ю ь4ьА

ЬА ЬА

ЬА ^12 ЬАА

ЬА ¿13 КЪА

ЬА ¿14 ЬА

ЬА ¿15 ЬА

ЬА ¿16 ЬА

гических сред с применением вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов

Рис. 7. Основной маршрут обхождения всех ребер сети Петри

Я

___'*и

А''--------( ^ Г }

х / ' \ ~Ысг1„/] -

ч6хЧ

\\\

1 \

\ к, ) -___' "У

//!

___ж.

/Г*4,

V А

Ь, )

■ •■ .1 !

'Ч / / ; / У

/ /ч!°А / ■ / Гх

"ч

; / // ( К ;

«_________ч*!/

Г -^—.Х-^Д

Рис. 8. Обратный маршрут обхождения всех ребер сети Петри

Приведено исследование по графу достижимости сети Петри для исключения ошибок логического проектирования для дальнейшего определения стратегии тестирования системного уровня управляющей подсистемы системой очистки технологических сред с применением вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов.

В третьей главе приведена разработка автоматизированной системы очистки технологических сред с использованием вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов. Выявлены особенности управления и контроля автоматизированной системы очистки технологических сред с использованием вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов. Разработан алгоритм работы автоматизированной системы очистки технологических сред с использованием вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов (рис. 9).

ф@

С|Г]@ (к;

Рис. 9. Алгоритм работы автоматизированной системы очистки технологических сред с включенными пустыми операторами, где а0-сс18 — логические условия, Аа-

A¡s - микрокоманды

Такая модификация граф-схемы алгоритма позволяет использовать наиболее экономичную схему микропрограммного автомата, в которой сложность основной комбинационной схемы переходов из состояния а (У) в a.(t +1) уменьшается в 2я'1 раз.

Приведена программная реализация управляющего автомата методом структурного автоматного программирования А.Ю. Мухопада. Для этого алгоритм работы (рис. 9) переведен в граф переходов (рис. 10).

è ^ ..........................................►ф.«,

Л'Ч - Ï

Ла>

Ф ¿5)

\

¿Ьг® (у)

и

•20;

Л '^71

—-g,

А?-'

t-ч ; ¿СЦ — *

V, tw7

30.-К"

■л -т

¿dp — *

А*. а,. .'V

À"" N

35.

-28 "»¿Л.^ 15 >16''

-.-'а,,

ап,1 ?32

7 >°1>

Рис. 10. Граф переходов

\13

ш

По методике синтеза программного кода выполнена следующая последовательность действий:

1) составлена таблица адресации, которая выполняет функции определения адреса для выбора нужного <з, <— {а} по коду а(/ + 1), определения а,(/ + 1) —>аа(0,

а, (Г +1) —> Ра(/) и а, (1 +1) -> уа(0;

2) составлена таблица соответствия кодов а, <- {а} микрокомандам Д <- {•-<}, отвечающая за формирование выходного действия;

3) включение соответствующей исполнительной команды А, {л} определяется по таблице соответствия кодов а, {а} микрокомандам Д <— {л}

4) Проверяется условие на завершение команды А {А};

5) Считываются значения а, {а} по результату исполнительной команды 4 <-{/«};

6) Передача обновленного логического слова а,а2...ая осуществляется на информационный вход мультиплексора.

Программный код реализован на языке С++ в среде программирования Borland С++. Программа была проверена по таблице тестов с выводом результатов в зависимости от входного воздействия (рис. 11).

Рис. 11. Тестирование программы управляющего автомата

Использование автомата с мультиплексором по методике А.Ю. Мухопада позволяет уменьшить объем требуемой памяти в 2'" раза по сравнению с использованием управляющего автомата Мура. В диссертационной работе предложен метод дополнительного уменьшения объема памяти комбинационной схемы автомата, приблизительно в 2 раза, за счет включения в его структуру стековой памяти первого рода, состоящей из пяти регистров, и объединения четырех подграфов с одной структурой в один подграф.

В предложенной структурной организации автомата для рассматриваемого применения из 38 переходов 50% переходов реализуются суммирующим счетчиком, и только 19 переходов реализуются комбинационной схемой. В режиме работы со счетчиком одновременно повышается быстродействие работы автомата. Для этого алгоритм работы (рис. 10) переведен в граф переходов алгоритма с применением стековой памяти (рис. 12) за счет ввода дополнительных вершин 5, 10, 15, 19, 26 и отнесения однотипных подграфов (5, 20-23; 9, 24-27; 13, 28-31; 32, 33-36 рис. 10) в конец графа переходов в виде типовой структуры (21-25 рис. 12). Обращения к этой структуре из вершин 5, 9, 13, 32 (рис. 12) потребует замены микрокоманд Д <- {а}, соответствующих объединенным подграфам 20-23, 24-27, 28-31, 33-36 (рис. 10).

Реализацию замены а1 и кода возврата х,х2..-хт - 5, 10, 15, 19, 26 целесообразно

осуществить через кольцевую стековую память (рис. 13).

Графу переходов соответствует схема управляющего автомата со стековой памятью (рис. 14).

X

и)

'Г'

а, х — •

В,Х

(5;

Л «,

■V......

(10)

А «и

И2>-

@ -

/

!18К38Г

а.

;19)

"X «Л

\ V2! У23)

•(26)

Рис. 12. граф переходов алгоритма с применением стековой памяти

: • 6 15: : .........*........

; • -и :10'

! -Г'..'.16 |15|

[••>■......20 119;

: ........*........

с \

Рис. 13 Стековая память смены

а,

-{а}

а,

ПЗУ

+ А

X.

. Уб

Уг

СТ

П 1

ГС

гг

X Ж"

I •••! Т

НИ

Рг

-г

ОУ

1 . - <

4, а2 4,

ОС

4 ап

Рг_„

"ЖЖ I

ЛС

V у

Ее

-т,

си

Ег.

, г у

Рис. 14. Управляющий автомат автоматизированной системы со стековой памятью

Для рассматриваемой автоматизированной системы т—6; </-19, тогда

АГ = -2'4 =1,7-10' бит. 3

Реализация систем булевых функций и ^ в МУА (рис. 14) возможна на ПЛМ или ПЛИС. Однако верхняя оценка сложности функций !■] и Р] производится по объему ПЗУ, который для МУА равен IV =т- 2™*'=8-27 = 1 кбит, а для УА Мура У = т-2т*' =8-2Ы9 =256 Мбит. Сокращение объема в (2 раз определяется соотношением <2 = ^у = 2'н = 218 раза для [■]. Функции Рг в УА нет, поэтому следует определить объем

К = *?/„ = —= 4бита, где 2""' +2" =3-2" = 192 бита. /Я 192

В четвертой главе приведено экспериментальное исследование системы очистки технологических сред с использованием вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов (рис. 15, 16) и определены возможности применения автоматизированных систем очистки технологических сред в задачах железнодорожного транспорта и промышленности.

Анализ зависимости (рис. 15) позволяет сделать вывод о степени расхождения расчетных и экспериментальных результатов, которая не превышает 1,5%.

Анализ зависимости (рис. 16) позволяет сделать вывод о целесообразности выбора экспериментального уровня звука близким к максимуму функциональной зависимости. Степень расхождения расчетных и экспериментальных результатов не превышает 7,5%.

Анализ зависимостей (рис. 15, рис. 16) подтверждает высокий уровень соответствия математической модели реальному процессу, так как степень расхождения с экспериментальными данными не превышает 1,5-7,5%.

Очистка поверхности асфальта от снега и льда с использованием вихревой трубы позволила очистить, помимо верхнего не утрамбованного слоя снега, утрамбованные слои снега и льда частично полностью до поверхности асфальта. Очистка поверхности асфальта от снега и льда с использованием только сжатого воздуха позволила очистить только верхний слой не утрамбованного снега по сравнению с очисткой с применением вихревой трубы. Очистка глыбы льда от снега с применением ультразвуковой сирены позволила очистить глыбу льда от снега и отполировать обработанную часть ее поверхности.

6

4

Й з аГ

2

О

Рис. 15. Зависимость РЬрасч расчетного и РЬэкс экспериментального давления горячего сжатого воздуха от давления Р1 входного потока сжатого воздуха в вихревой

трубе

100 95 90

Ш

85

2

80 75 70

I

Иэкс [Р1)

г

0.987 1.973 2.96 3.947 4.934 5.92

Р1, ати

Л экс( ч

! !

Мр асч( >51)

! !--

0.987 1.973 2.95 3.947 4.934 5.92

Р51, ати

Рис. 16. Зависимость ^асч расчетного п Г\экс экспериментального уровня звука от давления Рэ1 входного потока сжатого воздуха в ультразвуковой сирене

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

На основе проведенных исследований решена актуальная проблема разработки и исследования комплексной системы вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов, и создания математической модели динамических процессов вихревой и ультразвуковой очистки технологических сред для синтеза автоматизированной системы очистки технологических сред с применением вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов.

В процессе исследований получены следующие научные результаты:

1. Предложена новая система очистки технологических сред (заявка на патент на полезную модель РФ №2015112888) путем комплексного взаимодействия вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов.

2. Впервые предложена аппаратная реализация систем очистки технологических сред путем комплексного взаимодействия вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов.

3. Впервые предложено сопоставление математических моделей динамических процессов и универсальных сетей Петри.

4. Предложена методика разработки автоматизированных систем очистки технологических сред с комплексным взаимодействием вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов, и определения алгоритмов работы микропрограммного управления и контроля автоматизированной системы.

5. Предложена модификация методики синтеза управляющего автомата с внутренним мультиплексором и стековой памятью, позволяющая снизить объем памяти комбинационной схемы переходов в автомате, приблизительно в 2 раза.

6. Разработано программное обеспечение новой автоматизированной системы очистки технологических сред с комплексным взаимодействием вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015615404).

7. Проведено экспериментальное исследование вихревых и ультразвуковых параметров исполнительных механизмов в системе очистки технологических сред. Анализ результатов экспериментального исследования подтверждает высокий уровень соответствия математической модели реальному процессу, так как степень расхождения с экспериментальными данными не превышает 1,5-7,5%.

8. Автоматизированные системы очистки технологических сред с использованием вихревых и ультразвуковых исполнительных механизмов могут найти применение в задачах железнодорожного транспорта для очистки стрелочных переводов и рельс от снега и льда; в промышленности для очистки металлических, деревянных, каменных и бетонных поверхностей от различных загрязнений и покрытий в строительстве при очистке панелей и зданий; обеззараживания различных поверхностей; промежуточной ступени очистки сточных вод; опреснения морской воды; температурного разделения попутных нефтяных газов при добыче нефти; очистки воздуха от вредных примесей; создания специальных систем отопления помещений.

Материалы диссертации используются в учебном процессе на кафедре «Автоматизации производственных процессов» ИрГУПС.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

— в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Филатов Д.А. Математическое описание процессов в системе ультразвуковой очистки железнодорожных стрелок с применением вихревого эффекта // Системы. Методы. Технологии. -Братск: БрГУ, 2012. -№4(16). - С. 82-86.

2. Филатов Д.А., Мухопад Ю.Ф. Методика контроля и управления турбо-механизмами // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. — Иркутск: ИрГУПС, 2012. -№4(36). - С. 117-125.

3. Мухопад Ю.Ф., Филатов Д.А., Модель системы контроля и управления турбо-механизмами // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. -Новосибирск: Hl'ГУ, 2013. -№2(51)-С. 3-12.

4. Мельников A.B., Мухопад Ю.Ф., Филатов Д.А. Математическое моделирование сложных механических систем // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - Иркутск: ИрГУПС, 2013. - №2(38). - С. 157-163.

5. Мухопад Ю.Ф., Мухопад А.Ю., Филатов Д.А., Мельников A.B. Анализ меха-тронных систем ударного действия // Фундаментальные исследования. — М.: 2013. — №8. Часть 6.-С. 1337-1344.

— авторские свидетельства и патенты:

6. Филатов Д.А., Мухопад Ю.Ф., Ванников В.Ц., Пунсык-Намжилов Д.Ц., Ма-рюхненко B.C. Устройство ультразвуковой очистки технологических сред с применением вихревого эффекта. Заявка на патент полезн. модель РФ №2015112888 от 10.04.2015.

7. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015615404. Программа управляющего автомата автоматизированной системы очистки технологических сред с применением вихревого эффекта и ультразвука / Филатов Д. А., Марков Р.Ю., Мухопад А.Ю. -2015.

— в зарубежных изданиях:

8. Филатов Д.А. Модель динамических процессов в системе ультразвуковой очистки технологических сред с применением вихревого эффекта. Перспективы разработки науки и техники - 2013: материалы VIII Международной научно-практической конференции. — Перемышль, 2013. — Вып. 36. — С. 29-33.

— в других изданиях:

9. Филатов Д.А. Микропроцессорные системы управления турбо-механизмами. Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте: сб. науч. трудов/под редакцией Ю.Ф. Мухопада. - Иркутск: ИрГУПС. - 2011. - Вып. 19. -С. 118-121.

10. Филатов Д.А. Микропроцессорные системы управления турбо-механизмами. Проблемы транспорта Восточной Сибири: материаты научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов электромеханического факультета ИрГУПС. — Иркутск: ИрГУПС. - 2011. - С. 117-120.

11. Филатов Д.А. Структура микропроцессорной системы управления турбо-механизмами на базе микроконтроллера семейства НС08. Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте: сб. науч. трудов/под редакцией Ю.Ф. Мухопада. - Иркутск: ИрГУПС. -2011. - Вып. 20. - С. 53-60.

12. Филатов Д.А. Применение сирены, как ультразвукового излучателя на железной дороге. Проблемы транспорта Восточной Сибири: материаты научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов электромеханического факультета ИрГУПС. - Иркутск: ИрГУПС. -2013. - С. 64-66.

13. Филатов Д.А., Мухопад Ю.Ф. Микропроцессорные системы управления и контроля турбо-механизмами. Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте: сб. науч. трудов/под редакцией Ю.Ф. Мухопада. — Иркутск: ИрГУПС. - 2013. - Вып. 22. - С. 144-148.

14. Мухопад Ю.Ф., Филатов Д.А. Математическое моделирование системы управления турбо-механизмов. Проблемы транспорта Восточной Сибири: материалы научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов электромеханического факультета ИрГУПС. - Иркутск: ИрГУПС. — 2013. - С. 103-108.

15. Мухопад Ю.Ф., Филатов Д.А. Математическое моделирование сложных механических систем. Информационные и математические технологии в науке и управлении // Труды XVIII Байкальской Всероссийской конференции "Информационные и математические технологии в науке и управлении". Часть I. — Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2013. — С. 203-208.

16. Филатов Д.А. Математическое моделирование динамических процессов в системе ультразвуковой очистки железнодорожных стрелок с применением вихревого эффекта. Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте: сб. науч. трудов/под редакцией Ю.Ф. Мухопада. — Иркутск: ИрГУПС. — 2013. — Вып. 23.-С. 121-127.

17. Филатов Д.А. Математическое моделирование сложных технических систем и технологических процессов. Структурное проектирование информационно-управляющих систем реального времени: отчет о научно-исследовательской работе. — Иркутск: ИрГУПС. -2013. -№ госрегистрации 01201251780. - С. 119-165.

18. Филатов Д.А. Экспериментальные исследования управляющих параметров в системе ультразвуковой очистки железнодорожных стрелок с применением вихревого эффекта. Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте: сб. науч. трудов/под редакцией Ю.Ф. Мухопада. - Иркутск: ИрГУПС. - 2015. -Вып. 25.-С. 121-127.

19. Мухопад А.Ю., Филатов Д.А. Автоматическое управление турбо-механизмами // Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции «Проблемы и достижения в науке и технике». — Омск, 2015. — №2.-С. 13-22.

Подписано в печать 28.09.2015. Бумага офисная белая. Печать RISO. Тираж 100 экз. Заказ №338686.

Отпечатано в ООО «Оперативная типография Вектор» 664025, бульвар Гагарина, 74. т.: (3952) 48-53-35 e-mail: dc@siline.ru