автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Исследование и разработка методов построения помехоустойчивых вычислительных процессов в микропроцессорных системах управления инерционными промышленными объектами

Введение.'.

1. Исследование методов построения помехоустойчивых микропроцессорных систем управления инерционными промышленными объектами.

1.1. Анализ специфики построения и эксплуатации МПСУ

ИП0 на примере промышленных роботов

1.1.1. Основные функции систем *управления промышленными роботами.

1.1.2. Архитектура МПСУ ПР. Типовые вычислительные процессы и структуры

1.1.3. Условия эксплуатации МПСУ ПР. Анализ поме-ховой обстановки.

1.2. Построение модели МПСУ ИПО.

1.2.1. Основные требования к модели

1.2.2. Показатели помехоустойчивости МПСУ ИПО. Обобщенная модель системы.

1.2.3. Воздействие помех на аппаратуру МПСУ ИПО. Слабые и сильные помехи.

1.2.4. Полумарковская модель МПСУ ИПО.

1.3. Анализ методов повышения помехоустойчивости МПСУ

1.3.1. Классификация методов повышения помехоустойчивости

1.3.2. Методы контроля и восстановления вычислительных процессов.

1.4. Выводы.

2. Разработка методов построения вычислительных процессов, уклоняющихся от сбоев ( FA -процессов).

2.1. Помехоустойчивость программных модулей. Предпосылки построения FA -процессов на основе минимизации динамических объемов памяти.

2.2. Метод минимальных динамических объемов в распараллеливаемых процессах.

2.3. Минимизация динамических объемов на основе МУПцикла.

2.4. Эффективность метода минимальных динамических объемов.

2.5. Выводы.НО

3. Разработка методов построения вычислительных процессов, нечувствительных к сбоям ( FT -процессов).

3.1. Метод уравновешенных сумм.

3.1.1. Предпосылки построения FT -процессов на основе контроля динамических контрольных

3.1.2. Структурная организация программ с уравновешенными суммами.

3.1.3. Контроль хода программ с уравновешенными суммами.

3.2. Контроль программной синхронизации.

3.2.1. Предпосылки построения FT -процессов на основе контроля программной синхронизации.

3.2.2. Синтаксический контроль слов программной синхронизации.

3.2.3. Синтаксический контроль предложений программной синхронизации.

3.3. Восстановление вычислительного процесса по состоянию фазы технологической программы.

3.4. Эффективность разработанных методов

3.5. Выводы.

4. Разработка методов построения вычислительных процессов с автовосстановлением ( FT А -процессов) на примере промышленных роботов.

4.1. Процесс итерационных вычислений и реконфигураций состояний Ш0 как FT А -процесс. Метод итерационной адаптации

4.2. Исследование процесса итерационной адаптации.

4.3. Эффективность метода итерационной адаптации

4.4. Выводы.

5. Разработка и экспериментальное исследование микропроцессорных систем управления инерционными промышленными объектами.

5.1. Разработки МПСУ ПР.

5.1.1. МПСУ ПР на базе микропроцессорного комплекта БИС К580.

5.1.2. МПСУ ПР на базе микропроцессорного комплекта БИС К589.

5.2. Экспериментальное исследование МПСУ ПР.

5.2.1. Исследовательский комплекс.

5.2.2. Исследование помехоустойчивости МПСУ ПР.

5.3. Выводы.

Решение задачи комплексной механизации и автоматизации производства приводит к необходимости внедрения в промьшленность микропроцессорной техники. Работы в этом направлении в настоящее время приобрели статз^ 'С ва^кнейших народно-хозяйственных, о чем свидетельствует ряд партийных и государственньк постановлений. В частности, в 11-й пятилетке и далее на период до 1990 года запланировано обеспечить широкое пршяенение микропроцессоров во встроенных системах управления различны1ли промышленньвш объектами, такими как промьш1ленные роботы, станки с числовьм программным управлением, технологическое оборудование. Конечной целью является создание гибких автоматизированных и безлюдных производств.Общей чертой упомянутых объектов управления является их инерционность. IIoaToiviy будем их идентифицировать как инерционные промьш1ленные объекты (ШО).В условиях крупномасштабного использования микропроцессорных систем управления (ШСУ) Ш О особую актуальность приобретает задача повьш1ения экономической эффективности таких систем.Повьшюние экономической эффективности может быть достигнуто путем сних^ения стоимости Ш С У Ш О и потерь от их ненадежности в процессе эксплуатации. Причем последний аспект приобретает в настоящее время все большую значимость, поскольку потери от нена^цежности HivieroT усто1'1чивую тенденцию к росту. Это связано с тем, что усложняются функции ШСУ, работа их становится все более автономной и трудно поддающейся контролю человека-оператора, отказы приводят к поломке дорогостоящего и порой уникального оборудования (собственно Ш О ) , Известно, что основной причиной отказов вычислительных систем являются сбои, возникающие, как правило, в результате воздей- б ствия помех. Поэтог^ лу важнеШей задачей повьшения наденшости ШСУ Ш О следует считать задачу обеспечения их помехоустойчивости.Поскольку функции МПСУ Ш О полностью определяются ее програгдмой, то помехоустойчивость системы во кшогом может быть достигнута за счет повьшения помехоустойчивости вычислительных процессов, протекающих в ШСУ. Предметом исследования настоящей работы являются вычислительные процессы, реализуемые в микропроцессорных системах локального управления инерционньши прожшленньми объектшш.Цель исследования состоит в выявлении закономерностей организации и в разработке методов построения помехоустойчивых вычислительных процессов Ш С У Ш О .Исследования проведены на основе теоретических и практических результатов, полученных в ходе осуществления работ по следующим научно-техническим направленитл: - микропроцессорная техника; - электромагнитная совместшлость вычислительных систем; - отказоустойчивые вычислительные систещ!. - 7 Методы исследований базируются на методах теории наде}кности, теории полу1У1арковских процессов, элементах теории графов, теории структурного прогрш.ширования. Использованы такх^ е современные методы экспери1\1ентального анализа и проектирования микропроцессорных систем.Применяемая терминология построена в соответствии с требованиями ГСЮТ, в частности: - ГОСТ 13377-75. Надеткность в технике. Термины и определения. - ГОСТ 20911-75. Техническая диагностика. Основные термины и определения. - ГОСТ 19542-83. Совместимость вычислительных машин электромагнитная.Диссертация состоит из пяти глав (рис. B.I), В первой главе на примере прогшшленных роботов изложен анализ современного состояния дел в области построения и эксплуатации Ш С У ИПО. Разработана полугларковская модель системы. Исследованы методы повьшюния помехоустойчивости систем и cфop:vIyлиpoвaны задачи дальнейших исследований.Во второй главе разработан и исследован метод организации вычислительных процессов, уклоняющихся от сбоев ( РА -процессов), - метод IшниIvIaльныx диншушческих объемов оперативной памяти.РТА /U.S.Рис. B>i. С/пр^л/пура с^<у<;сер/г}сгс<ии. - 9 В четвертой главе предложен и исследован метод построения вычислительного процесса с автовосстановлением, повышающий помехоустойчивость процедуры адаптации промышленного робота за счет пршленения итерационного принципа вычислений и реконфигураций состояния манипулятора - метод итерационной адаптации.В пятой главе приведены результаты разработок и экспершдентальных исследований Ш О У Ш О применительно к промышленньм робота.м; подтвер}кдается эффективность предложенных методов.По результатагд теоретического и экспериментального исследования на защиту выносятся следз^щие полол^ения: - математическая модель микропроцессорной систегш управления инерционньм про?шшленным объектом; - метод минимальных динамических объемов; - программная интерпретация метода контрольного сушшрования в классе меток операторов - метод уравновешенных cyim; - метод контроля прогршл1жой синхронизации; - метод восстановления вычислительного процесса по состоянию фазы технологической програшш; - метод итерационных вычислений и реконфигураций (итерационной адаптации) для процедуры адаптации про№Ш1ленных роботов.Работа над диссертацией проводилась автором в Андроповском авиационном технологическом институте. Начало работы - 1980 г., окончание - 1984 г. - 10

5.3. Выводы

По материала?/! пятой главы можно сделать следующие выводы:

1. Разработанные методы построения вычислительных процессов ШСУ ШО позволяют существенно повысить помехоустойчивость указанных систем.

2. Для осуществления указанных методов требуется минимальное количество избыточной аппаратуры для МПСУ ПР). При этом автоматы контроля имеют простую техническую реализацию.

3. Разработанные на основе предлагаемых методов управляющие программы могут быть использованы в проектах ШСУ ШО непосредственно в качестве прикладного программного обеспечения либо в качестве базовых прототипов при создании такового.

4. Высокая эффективность исследуемых методов и простота их технической реализации позволяет рекомендовать изложенные методы к применению в МПСУ ШО.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты диссертационной работы показали возможность создания нечувствительных к помехам микропроцессорных систем управления инерционными промышленными объектами путем построения помехоустойчивых вычислительных процессов.

В процессе выполнения работы были получены следующие основные результаты:

1. Путем анализа типовых вычислительных процессов, протекающих в микропроцессорных системах управления промышленными роботами, и анализа причин их нарушения построена математическая модель ШСУ ЙПО.

2. Разработан метод организации вычислительных процессов, уклоняющихся от сбоев ( ГА -процессов). Сущность метода состоит в минимизации динамических объемов оперативной памяти системы. Разработанный метод фактически является неизбыточным программным методом повышения помехоустойчивости микропроцессорных систем.

3. Предложена программная интерпретация метода организации вычислительных процессов, нечувствительных к сбоям ( FT -процессов) на основе контрольного суммирования в классе меток операторов - метод уравновешенных программных сумм.

4. Предложен метод построения FT -процессов на основе контроля программной синхронизации системы.

5. Разработан метод восстановления вычислительного процесса по состоянию фазы технологической программы.

6. Предложен метод итерационных вычислений и реконфигураций состояний (итерационной адаптации) для процедуры адаптации промышленных роботов. Метод позволяет построить вычислительный процесс с автовосстановлением ( FT А -процесс).

7. На основе разработанных методов осуществлен ряд проектов микропроцессорных систем управления промышленными роботами. Системы обладают простой технической реализацией и высокой помехоустойчивостью при минимуме избыточности аппаратных средств.

Простота предложенных методов и их высокая эффективность дают основание полагать, что результаты диссертационной работы имеют практическую ценность и их широкое применение в народном хозяйстве даст значительный экономический эффект.

Дальнейшее развитие исследований, явившихся предметом диссертационной работы, представляется наиболее интересным в плане расширения области применения предложенных методов. В частности, метод построения FA -процессов на основе минимальных динамических объемов оперативной памяти может найти применение в тех случаях, когда имеются жесткие ограничения на количество используемой аппаратуры и (или) не допускаются потери времени на проведение операций контроля и восстановления вычислительного процесса.

Метод организации FT -процессов на основе программ с уравновешенными суммами может быть положен в основу построения многих микропроцессорных контроллеров. При этом целесообразно рассмотреть вопросы автоматического синтеза кодов УСП. Что касается предложенных методов контроля программной синхронизации и восстановления вычислительного процесса, то указанные методы могут найти применение при построении микропроцессорных систем управления инерционными объектами непромышленного назначения со многими степенями свободы.

Представляет интерес и дальнейшее развитие методов организации процессов с автовосстановлением ( FT А -процессов), поскольку такие процессы могут иметь место (или быть организованы) в самых различных практических ситуациях, когда требуется, например, циклическая реализация вычислений.

Основные положения диссертации отражены в научно-технических отчетах /148, 149/ и опубликованы в работах /133-137, 142,; 143/. Ряд разработанных устройств защищен авторскими свидетельствами СССР /138, 139, 145/. Программно средства помещены в Московский фонд алгоритмов и программ /144/.

Результаты диссертационной работы были представлены в докладах:

- на Всесоюзном совещании "Научные принципы автоматизации проектирования, построения, алгоритмического обеспечения и эксплуатации РТС", Цахкадзор, 1983 г.;

- на научно-техническом семинаре "Микропроцессоры и их применение", Пенза, 1983 г.;

- на Всесоюзном семинаре "Механика и управление движением роботов с элементами искусственного интеллекта", Москва, МГУ, 1983 г.;

- на Всесоюзной конференции "Теория адаптивных систем и ее применения", Ленинград, 1983 г.;

- на региональном научно-техническом семинаре "Автоматизированные системы управления технологическими комплексами на базе микропроцессоров, микро и мши ЭВМ", Новочеркасск, 1983 г.;

- на городском семинаре "Гибридные вычислительные преобразователи" секции Вычислительной техники НТО РЭС им. А.С. Попова, Ленинград, 1983 г.;

- на 10 Всесоюзном научно-техническом совещании "Создание и внедрение автоматизированных и автоматических систем управления непрерывными и дискретно-непрерывными технологическими процессами", Алма-Ата, 1983 г.;

- на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и научных работников АнАТИ, г. Андропов, 1981,

1982 гг.;

- на Всесоюзном семинаре по робототехническим системам, Москва, МВТУ им. Н.Э.Баумана, 1982 г. и др.

Результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены на Андроповском производственном объединении моторостроения, на предприятии п/я А-3852 (г. Ростов-на-Дону), в Андроповском авиационном технологическом институте, на предприятии п/я М-5397 (г. Москва). Внедрение результатов подтверждается актами, приведенными в приложении 3.

1. Козырев Ю.Г. Промышленные роботы: Справочник. - М.: Машиностроение, 1983, 376 с.

2. Тимофеев А.В. Роботы и искуственный интеллект. М.: Наука, 1978, 192 с.

3. Мясников В.А., Игнатьев М.Б., Покровский A.M. Программное управление оборудованием. JI.: Машиностроение, 1974, 542 с.

4. Игнатьев М.Б., Кулаков Ф.М., Покровский A.M. Алгоритмы управления роботами-манипуляторами. -Л.: Машиностроение, 1977, 248 с.

5. Управление роботами от ЭВМ / Юревич Е.И., Новаченко С.И., Павлов В.А. и др. Л.: Энергия, 1980, 264 с.

6. Системы управления промышленными роботами и манипуляторами / Юревич Е.И., Андрианов Ю.Д., Новаченко С.И. и др. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1980, 184 с.

7. Попов Е.П., Верещагин А.Ф., Зенкевич С.Л. Манипуляционные роботы: Динамика и алгоритмы. М.: Наука, 1978, 400 с.

8. Ястребов B.C., Филатов A.M. Системы управления движением робота. М.: Машиностроение, 1979, 176 с.

9. Игнатьев М.Б., Гладштейн М.А., Сорока Р.А. Устройство программного позиционного управления промышленным роботом-манипулятором. В кн.: Промышленные роботы. Л.: Машиностроение, 1977, с. 86-91.

10. Майоров С.А., Новиков Г.И. Сттэуктута электронных вычислительных машин. Л.: Машиностроение, 1979, 384 с.

11. Фритч В. Применение микропроцессоров в системах управления. М.: Мир, 1984, 464 с.

12. Балашов Е.П., Пузанков Д.В. Микропроцессоры и микропроцессорные системы. М.: Радио и связь, 1981, 326 с.

13. Средства вычислительной техники. Номенклатурный каталог. -М., 1981, 94 с.

14. Вейцман К. Распределенные системы мини- и микро-ЭВМ. М.: Финансы и статистика, 1983, 382 с.

15. Cassia R., Mezzafi-ra L. AmuPUprodegSor system for the control of an industrial? robot. Prod. 7th Int. Symp. Ind. Ro8otjs!, Tokyo, pp. 235-242.

16. Свободно программируемая система управления Фесто. Проспект (Австрия). М., РАТЦ, № 2, 1981.

17. Соучек Б. Микропроцессоры и микро-ЭВМ. М.: Сов. радио. 1979, 517 с.

18. Клингман Э. Проектирование микропроцессорных систем. М.: Мир, 1980, 575 с.

19. Бедрековский М.А., Кручинкин Н.С., Подолян В.А. Микропроцессоры. М.: Радио и связь, 1981, 72 с.

20. GharEeS G.P., Weston R, И. М icJroprodeSSor control for limi ted fundtion roSotg.-Radto and E^edtron. ЕпЯ Ш2., Ы, N pp. 41-45.

21. Marce L., ^uEhere Mv Pade H. A £emi -autonomous remot con troEEecl rnoSi^e ro-8ot. Indusbr Rogot. ШО , 7, /v 4,pp. 232-255.

22. Пахомов Ю.А., Пилина Е.Ю., Сабинин О.Ю. Системы управления промышленными роботами с использованием микропроцессорных средств. Электромашиностроение и электрооборудование, 1980, вып. 31, с. 28-33.

23. Шубинский И.Б., Пивень И.Н. Расчет надежности ЭВМ. Киев: Техника, 1979, 232 с.24,25,26,27,28