автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка и исследование методов, анализа и реализации алгоритмов логического управления автоматизированными технологическими комплексами конвейерного типа

оВ Оо 9Й

Министерство электротехнической Академия наук СССР промышленности и приборостроения СССР

Одоена Ленина йгетитут проблем управяания (автоматики и телемеханики)

На правах рукописи УДК 62-504,

Г

Имвнхов Леонид Алакоеавмч

Разработка к кс еле до юте методов, вмдеиэа и реализации алгоритмов Логического управления автоыатази-роьантваи гешодотаческвдн ковпявявами ивмвэйврного типа

Автореферат

диссертации на соискание учтой. стоп«« кандидата технических наук

(Специальность 05.13.05 - элементу и устройства вычислительной техники а систем упрввлв! ш)

Москва - 1950 р.

Гроота выполнена в Ордена Ленина Институте проблей управления (автоматики и телемеханики)

официальные оппоненты: доктор технических неук

Цупырев Е.И.,

кандидат технических неук Василенок 5.К.

Ведущее предприятие: Ыосковский Станкоинструментальный институт (ИОССТАННИН).

Защита состоится

1990 г# в /^час. на заседании специализированного совета * «с Д 002.Gb.01 Института проблем управления по адресу:

117606, Москвч, Профсошная ул., 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблей управления.

Автореферат разослан * ^ к иСШу3^ 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук,• профессор В.В.Игнатущенко

г

и йг;

ВЙ

(■тдел

¡З^сеа-киий,

за, й. л , з»ЕЗ I общая характеристика работы

а^^ЩК&Ьность темы. В ряду современных проблем автоматизации производственных процессов одной из важнейших является проблема обеспечения согласованного функционирования дискретного технологического оборудования при реализации производственных процессов. Оно традиционно осуществляется с помощью устройств логического управления. Проектирование таких устройств осуществляется как при создании нового технологического оборудования, так и при модернизации (перекомпановке) существующего оборудования с целью перехо да на выпуск новых изделий (с варьированием параметров изделий в пределах заданной номенклатуры).

Большинство известных методик проектирования устройств логического управления исходит из того, что уже сфорадлировано задание на проектирование в виде формального описания алгоритма управления на том или ином входном языке; далее предусматривается анализ корректности и отладка алгоритма, синтез и реализация устройства. Однако в рамках упомянутых методик остается недостаточно формализованным начальный этап проектирования, связанный с составлением и анализом исходных алгоритмов, требующий совместной работы специалистов, по логическое управлению и технологическому оборудованию. Вместе с тем, сроки и качество выполнения этого этапа существенно влияют на конечные сроки и качество получаемых проектных решений.

Указанные трудности могут быть преодолены путем формализации (и последующей автоматизации) начального этапе проектирования, включающего разработку теоретических основ и методики составления, а такке-анализа алгоритмов логического управления технологически- • ми комплексами.

Эту задачу естественно решать применительно к определенному классу переналаживаемых технологических комплексов. Ь работе рассматривается класс автоматизированных технологических комплексов конвейерного типа, широко используемых в массовом и крулносерийт ном производстве. Комплексы такого типа представляют собой систему взаимодействующих переналаяшваек.ок автоматических линий, конфигурация которой определяется выполняемыми технологическими маршрутами. При этом незавершенные изделия с одной линии (например, металлообработки) могут передаваться на другую (например, термообработки) и после з'азершения операций на второй возвращаться на первую линию и т.д.

Принимая во внимание особенности рассматриваемых процессов в качестве математической.модели алгоритмов логического управления целесообразно использование помеченных сетей Петри - графов операций, обеспечивающих наглядность при описании процессов и конструктивный формализм при проведении анализа и реализации устройств управления.

целью диссертационной работы является теоретическое обоснование и разработка методики построения, анализа и реализации алгоритмов логического управления технологическими комплексами конвейерного типа, основанной на применении графов операций и направленно^ на расширение границ формализации начальных этапов, сокращение трудоемкости и сроков проектирования, повышение "дружественности" к пользователям-специалистам по технологическому оборудованию.

Ь соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие задачи.

1. Определение характерных признаков структурной организации и функционирования технологических комплексов конвейерного типа.

2. Определение специального класса сетей Петри как адекватной модели рассматриваемых процессов, определяющей методы составления, анализа и реализации алгоритмов логического управления комплексами конвейерного типа.

0. Разработка на базе выделенного класса сетей Петри методов построения и анализа корректности описаний функционирования технологических комплексов (отражающих множество вариантов протекания процесса" и недетерминированность выбора конкретных вариантов) а также - методов построения описаний алгоритмов логического управления и синтеза соответствующих устройств.

4." Разработка методических рекомендаций по практической реализации алгоритмов логического управления технологическими комплексами конвейерного типа, содержа чих начальный этап составления и анализа формального недетерминированного описания функционирования управляемого комплёкса..

Методы исследования базируются на применении аппарата сетей Петри, конечных автоматов, теории множеств, теории графов.

Научная новизна работы состоит в создании на основе введение го класса сетей Петри новых эффективных методов составления, анализа и реализации алгоритмов логического управления, базирующихся на использовании формальной недетерминированной модели функционирования управляемого комплекса. В частности: - введен и исследован класс сетей Петри - М -сети;

«базе формального аппарата AV -сетей разработана система понятий, моделей и методов составления и анализа описаний алгоритмов функционирования ксшлексов конвейерного типа и управления ими;

- разработаны методы синтеза устройств управления с блочной структурой, определяемой блочным представлением управляемого комплекса.

Практическая ценность диссертации определяется разработкой методических рекомендаций по составлению, анализу и реализации алгоритмов логического управления технологическими комплексами конвейерного типа, позволяющих расширить границы формализации начальных этапов проектирования, повысить "дружественность" к пользователям-специалистам по технологическим комплексам, повысить качество, сократить трудоемкость и сроки создания устройств управления.

Практическая реализация полученных в диссертации результатов осуществлена при проектировании устройств логического управления в ШЮ "Станкостроительный завод им. С.Орджоникидзе", ШЮ "11невмо-аппарат", ОКБ точного литья (г. Тирасполь), КНШД (г. Красноар-мейск), что подтверждается актами о внедрении.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуздались на научных семинарах в Институте проблем управления, в Институте кибернетики АН БССР, в ВЦ АН СССР, на международной конференции "Надежность и диагностика ЭШ и систем" (Варна, 19Ь7г) и ДР.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 ра($от.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 118 работ отечественных и зарубежных авторов и приложения, содержащего материалы, подтверждающие внедрение полученных результатов.

Объем диссертации: 162 стр. текста, 21 стр. рисунков, список литературы на II стр. и приложение на 8 стр.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи, характеризуется научная новизна и практическая ценность работы, дается ее краткая характеристика по главам.

В первом разделе главы I рассматривается проблема автоматизации в массовом и крупносерийном производстве. Отмечается, что в

последнее время она осуществляется прешдоественно на базе специального класса высокопроизводительного технологического оборудо-' вания - переналаживаемых автоматизированных технологических комплексов конвейерного типа. Такие комплексы строятся из конструктивно и функционально завершенных компонентов и представляют собой совокупность переналаживаемых автоматических линий А= {А0,Аг,,.,А\,-1} Бее линии имеют однотипную структуру, в которой кошоненты оборудования расположены на рабочих позициях (в принятой последовательности технологических операций)" вдоль синхронизирующего их работу транспортного средство. Линии состыкованы друг с другом так, что в. процессе изготовления изделия с одной линии. А^ ( I €. 0,1г-/ могут передаваться на другую линию А^' и после окончания операций на второй Ау возвращаться на первую А;. и т.д. Поэтому бся совокупность линий А = {Ао,А,г.., АV-/ } на модельном уровне представлена в виде иерархической системы вложенных друг в друга линий, где на единственную лини» верхнего уровня Ао поступает заготовка, а с ее выхода снимается готовое изделие.

Комплексы данного типа ориентированы на реализацию сложных технологических прСцессов, включающих в себя отдельные подпроцессы различной природы (например, ыеу.- о-, термо- и гальванообрабог-ку); при атом отдельному подпроцессу соответствует "своя" линия. Обработка изделий на комплексе осуществляется партиями, параллельно на всех рабочих позициях, так, что все изделия проходят одну и ту же последовательность рабочих позиций. Для обработки каядой новой партий изделий необходима переналадка комплекса (в пределах фиксированной партии допускается варьирование параметров изделий) Установлено соответствие компановки комплексов и структуры реализуемых в них технологических процессов. При этой процесс представляется в виде иерархической систсчы вложенных друг в друга подпроцессов, которые имеют типовую с. оуктуру, отражающую последовательно-параллельное выполнение операций и их синхронизацию.

Необходимость частой сиены номенклатуры выпускаемых изделий и возможности обеспечения такой смены рассматриваемыми комплексами:,; дутсм их лореномпановки (переналадки) требует соответствув-щого развития устройств логического управления и средств проектирования таких устройств, включая методическое обеспечение.

На втором разделе главы I проводится краткий обзор методов, лежаиих 2 основе ряда известных систем проектирования устройств логического управления (в качестве универсальной базы которых пре имущественно используются программируемые логические контроллеры)

При этом рассматриваются языки, на которых формулируются задания на проектирование, условия корректности заданий и методы анализа этих условий, а такжо методы преобразований исходных заданий, завершающихся получением управляющих программ для контроллеров.

Выбор языков определяется тем, что они должны точно- и однозначно списывать алгоритмы и в то же время бить хорошо формализованными для удобства последующей машиннйй обработки. Кроме того, языки и методы преобразований должны быть доступны для пользователей - специалистов в предметной области, которые могут не знать, как алгоритмы реализуются в ЭВМ; иначе говоря, методы должны быть "дружественны" к таким пользователям.

В обзоре особое внимание уделено способам выполнения семантического анализа алгоритмов (выявления "тупиков", "ловушек",.несанкционированных запусков операций и т.д.), причем методы разделены на две группы. В первой, наиболее многочисленней группе, семантический анализ проводится в два шага. На первом таге исходное ■ описание алгоритма (сфорнулированное на специальное входном языке) преобразуется а адекватную сеть Петри, в терминах которой формулируются свойства корректности алгоритма (отсутствие "тупиков" и "ло-вуЕ01г' соответствует свойству "живости" сетей Петри, отсутствие несанкционированных запусков операций ~ ее "безопасности." и т.д.). В методах второй группы семантический анализ проводится непосредственно по исходному описанию алгоритмов логического управленияузо-даваемызфапржер.на языке ГРА®)В 01ШРАЦИЯ ("нагруженных" сетей Натри). Это позволяет сократить вычислительную сложность семантического анализа и повысить его наглядность.

На основе рассмотрения известных методов делается вывод о целесообразности развития методов второй группы с учетом особенностей технологических комплексов конвейерного типа.

Известные методы проектирования устройств логического управления исходят из того, что каким-то способом уже составлено исходное формальное описание алгоритма. Составление этого описания ..осуществляется в ходе взаимодействия специалистов по технологическому объекту и по логического управлению и сопрякено со значительными трудностями.

В диссертации показано, что указанные трудности могут быть преодолены путем формализации начальннх этапов проектирования, включавшей разработку методов составления и анализа корректности алгоритмов функционирования управляемых комплексов, на основе выделения специальных классов сетей Петри,, адекватно отрагадющих

рассматриваемые процессы и использования этих классов для создания модифицированных графов операций.

Ь главе II введен специальный класс сетей Петри (автоматные сети с параллельными ветвями - АV -сети), адекватно отображающих рассматриваемые процессы; исследована связь между АУ сетями и известными классами сетей Петри; разработаны одноуровневое и многоуровневое представления • АУ -сетей; предложен метод идентификации -сетей.

Как известно, сеть Петри формально определяется как пятерка:

М-ЧР.ТЛ.О.^.), где Р={р<,р»,...,рп} - конечное множество позиций; Т 5 {^.¿е,..., "Ь/п} - конечное множество переходов; Р*Т, 05 Т*Р - бинарные отношения инцидентности;

Р — Е начальная маркировка сети, которая каждой позиции ставит в однозначное соответствие элемент иа множества неотрицательных целых чисел Е1 {0.).2,... }.

/|У -сеть строится из элементарных сетей двух типов: автоматных блоков ( А -блоков) и блоков с параллельными ветвями ( V -блоков). Напомним, что блоком называется сеть Петри, име ющая по меньшей мере один переход-источник (не содержащий входнь/л дуг) и по меньшей мере один переход-сток (не содержащий выходных дуг). А -блоком называют такой блок, в котором:

- все переходи являются автоматными (имеют не более одной входящей и не более одной исходящей дуги);

- любая позиция достижима хотя бы из одного источника и из любой позиции достижим хотя бы один сток.

Для определения V -блока используется понятие "связка переходов", под которой понимается множество переходов, срабатывающих. одновременно и только одновре» энно. Вводятся вспомогательные операции над переходами (запись Ь;, ' означает, что переход ^ имеет К входящих и £ исходящих дуг):

- расщепление перехода ; К,С >0 заключается в преобразовании его в связку переходов, состоящую из источника ^ и стока , т.е. . »/«, .

};

4 Ч

- склеивание источника к и стока н , находящихся в связ-

, ________________ .._____.________ ,. Л I , т.е.

- расщепление источника (стока \,-ы ) заключается в преоб'

разовании исходного ибточника (стока) в связку из 6 (из К ) автоматных источников (стоков), т.<>.

({£.....<£}=»* Л, .

- склеивание ^связки ^втоматных источников { ,... }■

(стоков Г "Ь:.....) ) заключается в их объединении в один

ИСТОЧНИК .Тч, (один СТОК Т/1 ), т.®.

ей,.., ((С.....

. V -блоком называется такой блок, в котором:

- все источники и все стоки имеют равное число К дуг;

- если к каждому источнику и каждому стоку применить операцию расщепления и преобразовать их в соответствующие связки

автоматных источников и стоков т то в результате образуется совокупность, состоящая из несвязанных друг с другом блоков (каждый такой блок называется ветвью).

АУ -соединением называется пара, состоящая из А -блока и V -блока, где для каждого источника У -блока существует зток Л -блока, образующий с ним "связку", и для каждого стока

V -блока существует источник А -блока, образующий с ним "связку". Если при этом А -блок имеет источники (стоки) не вхо-цящие в связки со стоками (источниками) V -блока, то

АУ -

соединение называется открытым, В противном случае оно называется закрытым.

В диссертации рассматриваются только такие А\/ -соеди-1бния, в которых каждая ветвь является либо А -блоком,

шбо открытым АУ -соединением с ветвями 1/:, , ,..., [в последнем случае будем говорить, что ветви ч^,, эложены в ветвь ^ ). Аналогичное может иметь место для каждой 43 ветвей , для вложенных в них ветвей и т.д. Счи-

тается, что если ветвь имеет ранг Ь , то вложенные.в нее зетви имеют ранг Ц + -* (Ь -О,1,..КН ) .В этом случае будем наг зывать ветвью нулевого ранга такую, которая не вложена ни в одну зетвь, а ветвью максимального К- -го ранга такую, которая не :одержит ветвей.

А\/ -сетью называется закрытое АУ -соединзиие, в соторои ветви всех рангов (кроме максимального) являются открыты-<и М -соединениями, а ветви максимального ранга являются А. -блоками.

Для удобства описания реальных процессов и проведения анали-»а в работе введено многоуровневое представление А\/ -сетей

. в виде иерархической системы, состоящей из конечного множества А V -соединений П=-{51}, I - 0, п-1 , Множество П . частично упорядочено так, что можно графически изобразить его в виде дерева отношений. Корню этого дерева сопоставляется закрытое М-соединение, образующее нулевой уровень представления, остальным вершинам сопоставляются открытые АУ -соединения, листьш (концевым вершинам) дерева сопоставляются такие АУ -соединения, ветви которых являются А -блоками. При этом в любом ^М -соединении ¡, = 0,п-< (кромо сопоставленных листьям дерева) имеется по крайней мере одна ветвь, содержащая специальную позицию-дублер (¿г , которой сопоставляется А V -соединение следующего (С-к)-го уровня. Между входными (выходными) переходами дублера и источниками (стоками) АУ -соединения (с') -го уровня имеет место взаимнооднозначное соответствие. При этом каадый входной (выходной) переход дублера и сопоставленный ему источник (сток) в дублируемой сети входят в одну связку переходов. Начальные маркировки согласованы таким образом, что фишка в дублере находится тогда и только тогда.когда не все позиции дублируемой сети пусты.

В классе А V -сетей Петри ь _аботе выделен подкласс правильных А\/ -сетей, для которых:

- во всех А\/ -соединениях ¿ =0,^....п-1 каждая ветвь, содержащая позицию-дублер, состоит только из этой позиции;

- в начальной маркировке в АУ -соединении содержится одна фишка в позиции, не входящей в состав параллельных ветвей, а все остальные М -соединения являются пустыми.

В работе показано, что правильные А(/ -сети являются, в свою очередь, подклассом известных иэ литературы циклических сетей Петри. Для циклических сетей Петри было показано, что они являются живыми и безопасными. На основании этоАо делается вывод о том, что любая правильная АУ -сзть жива и безопасна.

Установленные свойства позволяют решение задачи анализа правильных АУ -сетей на живость и безопасность свести к решению задачи идентификации правильных АУ -сетей. В диссертации изло кен алгоритм идентификации, позволяющий относительно любой предъявляемой сети Петри установить,принадлежит ли она классу правильных АУ -сетей. Этот алгоритм одновременно .дает возможность

М -сеть в одноуровневом представлении преобразовать в АУ сеть в многоуровневом представлении.

В главе III изложены исследования, развивающие предложенную йдицким С.А. многоуровневую систелс моделей и методов построения устройств логического управления, применительно к технологическим комплексам конвейерного типа (на основе формального аппарата AV -сетей). Упомянутая иерархичесная система включает: модель производственного объекта, базовую модель дискретного процесса, абстрактную, и структурную модели устройства лоЬшеского управления и предусматривает проведение соответствующего поэтапного анализа этих моделей. Основные результаты главы касаются развития базовой модели процесса и заключаются в обосновании и определении формального недетерминированного описания алгоритмов функционирования технологических комплексов, в расширении перечня условий корректности алгоритмов, в разработке процедур анализа рFeденных условий. •

В первом разделе главы рассматривается модель производственного объекта (состоящего из агрегатов технологического комплекса конвейерного типа). Комплекс характеризуется множеством линейно упорядоченных технологических величин = /,tr} ; область

определения каадой величины бс может быть разбита на конечное число участков 6£j таких, что

.0, е^ = di , бу, л 6Чг Ф , j.j,Ф£ £Г» Каждой величине взаимооднозначно сопоставляется элементарный

агрегат Ai. .В любой фиксированный момент времени каждая величина тлеет единственное значение из фиксированного множества возможных. Элементарный агрегат представляет собой совокупность исполнительного органа, датчиков, фиксирующих значения величины , устройства связи со средствами управления, имеющего двоичные входы для подачи управляющих воздействий и двоичные выходы для выработки контрольных воздействий. Для простоты изложения принято, что каждому значению величины €н. соответствует единственный двоичный выход: если имеет место некоторое значение величины g-, , то соответствующий ецу выход имеет единичное значение, а все остальные - нулевое (аналогичное-соответствие установлено между множеством управляющих воздействий и состояний входов). С уче- , том' принятых допущений элементарный агрегат Ai, представляется в форме нагруженной автоматной сети Петри:

F^^U' GU1, Г>

где Mi=<P;T'^Ii',Ol,Mi> -сеть Петри;

••• | ^m }" - множество состояний входов;

- ».тожество внутренних состояний; которое взаимооднозначно сопоставлено множеству маркировок сети М" , (т.е. О*" ) и содержит выделенное началь-

ное состояние = МЬ ; при этом с^Т1"-» 2"; й1"; М*5* ^ \ 2" -- множество всех подмножеств множества и" , так что , .

Г [Мв.и;] , если [(Иг £ и';) * ^'МЗ

Моделью технологического комплекса является параллельная ком пооиция из агрегатов А»,А*,.», в которой агрегаты не-

посредственно друг с другом не связаны;.в силу этого комплекс пре дставляется такой параллельной композицией графов ГЧР»,^,..., р-»-гДе позиция (переход) одного графа ^ не может быть позицией (переходом) другого графа ^, £. 1,7/ . При этом взаимодействие агрегатов А<, Ад,.хг осуществляется через устройство логического управления в такое, что все входы (выходы) всех агрегатов комплекса А отождествлены с выходами (входами) устройства ь .

Во втором раздело главы определяется расширенная базовая модель процесса, представляющая недетерминированное описание функци онирования технологического комплекса конвейерного типа. Недетерминированность описания понимается как наличие множества альтернативных вариантов протекания процесса функционирования комплекса (без указания механизма выделения отдельных вариантов) и реализуется за счет свойства сетей Петри: если разрешено срабатывание двух либо более переходов, то может быть запущен любой из ни? Расширенная базовая модель строится на основе введенных ранее пра вильных АУ -сетей и результатов данного раздела по формализации понятий "агрегатная операция", "объектная операция" и исследованию их свойств. Для определения операций используется понятие незамкнутого маршрута "V на грзфе агрегата , под которым понимается чередующаяся последовательность позиций и перехс дов графа ^ , завершающаяся позицией; в этой последовательности содержится не менее двух позиций и совпадающими могут быть то; ко последняя и предпоследняя позиции (т.е. "петля" на графе может быть только последним переходом в маршруте 1" ).

Агрегатной операцией Ъ"т> гп- 4,2Г5 называется любой маршрут на графе агрегата \„ , в котором все переходы нагружены одним и тем же состоянием входов Ц* ; Примером записи агрегатной операции является запись вида:

где 6 0 ) Ц - состояние входсв агрегата, при подаче которого агрегат А1 , находящийся' во внутреннем состоянии ^ , осуществляет последовательную смену состояний ^Ч"0^ Пара "состояние входов - внутреннее состояние агрегата" называется состоянием агрегатной операции; выделяются начальное^ и*', конечное (и(•, и промежуточные (ИЦ (Щ', (£)

состояния (в числе промежуточных выделяется предконечное состоя-» ние (и^; ^

Агрегатная операция, в которой конечное состояние совпадает с предконечным, называется устойчивой; в противном случае - неус-т тойчивой операцией. Агрегатная операция, содержащая два и более различных состояний, называется операцией движения; если же опера»-ция состоит из двух совпадающих состоянии, то она называется операцией останова. В работе показано, что для любого агрегата множество различных агрегатных операций конечно; при атом считается, что длительность каждой из них конечна. Любая последовательность из двух агрегатных операций "Сп одного агрегата АI называется согласованной, если для конечного состояния(Чр первой и начального состояния (Ы?О/ь ) второй имеет место равенство

Объектной операцией для комплекса А М">»—»^^азывается ЦУ -компонентный набор ... Ъе ^ , образованный

из агрегатных операций; объектная операция называется полной, если 1£Г-V , и неполной операцией, если . Объектная опера-

ция называется простой, если в наборе образующих ее агрегатных операций содержится не более одной операции движения; в противном случае последняя называется сложной операцией. Объектная операция называется устойчивой, если она образована только из устойчивых агрегатных операций; в противном случае она наг.геается неустойчивой операцией.

Как уже говорилось ранее, для каздой агрегатной операции фиксируются начальное и конечное состояния. Соответственно, для любой объектной операции определяется начальное и конечное состо-

яния как набор Л/ь , образованный из начальных состояний, и набор Къ , образованный из конечных состояний составляющих ее агрегатных операций. Введенные представления позволяют выделить четыре вида объектные, операций: простая устойчивая; простая неустойчивая; сложная устойчивая; сложная неустойчивая. Показывается, что' для первых трех видов объектных операций обеспечивается синхронизация по начальным и конечным состояниям; для четвертого ей-

да объектных операций достижение конечного состояния не гарантируется. На основе выявленных особенностей объектные операции первых трех видов считаются допустимыми, а четвертого вида - недопустимыми. Допустимые объектные операции детерминированы в том смысле, что, если объектная операция началась, то при любых соотношениях продолжительностей образующих ее агрегатных операций она будет завершена. Любая последовательность из двух допустима« объектных операций /?п задает некоторое множество последователе ностей агрегатных операций; если все последовательности этого множества согласованы, то исходная пара объектных операций называется согласованной.

Расширенной базовой моделью процесса функционирования технологического комплекса А а{Й»,А«,..., Ачг) конвейерного типа называется правильная АУ -сеть, позиции которой нагружены допустимым:! объектными операциями. При этом: любая пара объектных операций, сопоставленных соседним позициям, согласована; множество агрегатов А корректно сопоставляется А И -соединениям, образующим AV -сеть. Последнее условие заключается в следующем. Например, А V -соединение ^ -го .ранга состоит из А -блока.и V -блока, содержащего "о ветвей. А\/ -соединению в целом и его А -блоку сопостаиляется подшохсество агрегатов

А . Множество А* в свою ^очередь, разбито на множество непересекающихся подмножеств А' = ^ ¿V", К£. и каждое подмножество А4*' сопоставляется "своей" К -ой ветви + )-га ранга. Позиции К -ой ветви нагр.укены объекгными операциями "полными" относительно подмножества А114 . V -блоку всегда предшествует позиция-предшественник и за ним непосредственно следует позиЦия-последовательность, которое входят в состав А -блока и нагружены объектными операциями , "полными" относительно кно&сетва агрегатов Аа .

Введенные представления открывают новые возможности для фор-малы< >го анализа моделей комплекса и процесса е^с функционирования. Результаты указанного аналиаа используются в дальнейшем составлении алгоритмов управления комплексом. Так, на уровне задания модели комплекса определяется; дли каждого агрегата - множества устойчивых и неустойчивых аг^гатных операций, множества агрегатных операцу.. движения и с-танова, множество пар согласованных агрегатных операций.; комплекса в целом и отдельных подкомплексов - множа"'-допустимых объектных операций различных видов. На модели процесса функционирования комплекса ана-

лизируются: принадлежит ли сеть Петри, лежащая в основе модели к классу правильных к V -сетей;"все ли объектные операции, которыми нагружены позиции А V -сети, являются допустимыми; правильность соответствия А -, V ^-блоков и А V -соединений подмножествам агрегатов, образующих подкомплексы; согласованность всех пар соседних объектных операций.

В третьем разделе гдааы определяется формальное описание ал- . горитмов управления комплексом А посредством устройства логического упрапл.ения В> в виде А\/ -графа операций.

А V -граф операций - это расширенная базовая модель процесса функционирования технологического комплекса А конвейерного типа, в которой каждый переход Т дополнительно' нагружен логической функцией вида , где аргументами яв-

ляются вводные переменные устройства & ( -функция от выходных переменных комплекса А , ^ -функция от внешних переменных устройства В }. При этом маркировка сети интерпретируется как внутреннее состояние устройства управления В . Динамика изменения внутренних состояний моделируется движением фишек в /V -сети. Когда устройство 6» находится во внутреннем состоянии, соответствующем маркировке М< , в комплексе А реализуются объектные операции К*., сопоставленные позициям р , соответствующим М <(р) * 1 После того как все объектные операции К < достигнут своих конечных состояний (что фиксируется соответствующими значениями выходных переменных комплекса), будет выполнено условие Щ * 4 . Если при этом Ч^«4 , то будет иметь место

4 . Это приводят к срабатыванию перехода ^ и переводу устройства Ь в новое внутреннее состояние, определяемое маркировкой М^У-М». . После этого в комплекс А с устройства & поступает соответствующий набор управляющих воздействий, что вызывает начало реализации объектных операций , сопоставленных позициям Р , для которых Ме(р) -4 , и т.д.

В работе рассматриваются процедуры анализа на полноту и непротиворечивость АУ -графов операций. Условие полноты состоит в том, что для любого перехода и сопоставленной ему фун-

кции /т найдется набор X значений входных переменных устройства В , при котором ?т - 4 . Условие непротиворечивости .состоит в том, что если для набора X входных переменных устройстваЕ> существует два перехода "ЬтэН,,; £. 0(р«) , которым сопо-

ставлены функции (т,/„ , то • и одновременно*

^14 - V И ) ^ Н'»» _

В главе 1У разрабатываются два метода блочного' синтеза устройств логического управления на основе А V -графа операций и дается краткое описание пакета пршсладкых программ, реализующего разработанные в диссертации методы составления и анализа алгоритмов логического управления.

Необходимость создания первого из двух методов определяется целесообразностью применения для управления рассматриваемыми комплексами устройств, реализуемых в виде совокупности асинхронно взаимодействующих управляющих блоков (на базе программируемых ло-хических контроллеров), где каждый блок сопоставлен ''своецу" компоненту комплекса (агрегату, группе агрегатов), Второй метод разрабатывался в целях повышения адаптируемости упомянутых выше управляющих блоков в случае многократного использования одного и того же компонента в различных комплексах с различным функционирр-ышиен.

В первом разделе глава излагается первый м«од, обеспечивающий проектирование устройств логического управления с блочной структурой (определяемой блочным представлением управляемого технологического коышакеа), где упр&влпжиз воздействия на каждый выделенной компонент- комплекса поступает только со "сгсего" управляющего блока (контроллера). При этом, согласно методу, задаются: комплекс А= {А<(Аг,~., Ак- } ; разбиение А' мнокесгва А такое, что к-У, к\ , ¿- V, А1 п А] 1 0, ь ; алгоритм управления в виде -графа операций о . Результатом преобразований явля-

ется: система взаимодействующих А V -графов операций

^й**, б С- ■» ^ ч)> гДе каждый граф СГ* сопоставляется "своегду" клас су разбиения и реелизуется в "своем" блоке £><■ , входящей в состав устройства управления В>.

Синтез начинается с того, что исходный граф У "размножается1' на V грьфов , какцый из которых , сопос-теалб! "своевд" классу Ас разбиения А' . В каждом графе кокдо». позиции р| сопоставляется двоичная переменная ^ , име-пася единичное значение, когда фишка находится в позиции Р; , и

6/ 9

и в

исходном графе С ) каждой позиции п] сопоставлена объектная ' операция (?£, , представляющая собой полный набор агрегатных операций. Затем греф преобразуется в граф С-и за счет того, чт< каждой позиции вместо Н™ сопоставляется неполная объектная операция Кт , которая отличается от. исходной тем, что в ней исключены агрегатные операции тех агрегатов, которые не включены в кла!

Аь . При этом.возможно, что некоторые позиции могут оказаться непомеченными (пустыми), т.е. (^т ' - Ф . Это означает, что при маркировке ) - 4 з блоке В^ внутренние состояния агрегатов

класса Ас, сохраняются неизменными. Это является основанием для того, чтобы далее "пустые" позиции и инцидентныэ им переходы исключить из' графов ; в результате получаются графа С; с меньшим числом позиций и переходов. При этом в полученной системе Б ** графов их взаимосвязь обеспечивается путем использования переменных ^ в качестве аргументов функций, сопоставленных переходам.

Во втором разделе главы с учетом результатов применения первого метода для проектирования устройств логического управления технологическими комплексами конвейерного типа предлагаются новая структура управляющих блоков отдельных компонентов и метод синтеза таких блоков. Для ".лучая, когда в качестве компонента рассматривается агрегат А , предлагается стандартная структура управляющего им блока В , состоящая из двух подблоков: "ядра" Н , неизменного при. любом функционировании агрегата А > и подблока адаптации 1) , который проектируется (и перепроектируется) вза-висимости от реализуемого функционирования агрегата А с учетом наличия "ядра" Н. При этом число внутренних состояний подблока.® может быть меньше числа состояний подблока Н . Еыходы (входы) агрегата А отождествлены с входами (выходами) "ядра" Н ; "ядро" Н > в свою очередь, имеет дополнительные входы (внходы), которые отождествлены с выходами (входами) подблока 1> ; подблок 1> имеет также дополнительные входы, которые отождествлены с упомянутыми выходами агрегата А , и входы для подачи внешних воздействий. Достоинство такой структуры заключается в том, что при изменении требуемого функционирования агрегата А перепроектированию подвергается только блок адаптации Х> ("ядро" Н остается неизменным).

Основные положения метода состоят в следующем. Задается агрегат А в виде помеченной автоматной сети Петри и последовательности агрегатных операций, которая должна быть в нем реализована1 посредством синтезируемого устройства управления В . Для заданного агрегата А определягтея множество различных агрегатных операций, которые могут быть в нем реализованы; и все возможные переходы от операции к операции, что представляется автоматной сетью Петри. Затем строится автоматная сеть Петри "ядра" Н -, определяющим признаком которого является то, что для любого пути на сети операций найдется путь на сети "ядра" Ц . При этом воз-

«окно, что построенная сеть "ядра" не будет удовлетворять условна непротиворечивости. В этом случае противоречивость устраняется введением дополнительных входных переменных, внешних по отношении к агрегату А и,ядру" Н • Переходы сети "ядра" Н помечаются произвольным образом при условии устранения непротиворечивости. Введенные дополнительные входные переменные "ядра" Н одновремен но являются выходными переменным:.! блока , который имеет в качестве входных переменных: выходные переменные (отождествленные с внутренними переменными) "ядра" И и выходные переменные агрегата. '

3 заключении определена область эффективного применения устройств управления предложенной структуры в зависимости от длины реализуемых вхс^-ськодных последовательностей и их количества.

В третьем разделе главы деется краткое изложение методики построения анализе и реализации алгоритмов логического управления технологическими коуллепсаш конвейерного тына и описание пакета прикладных программ, реализуемого (частично) оту методику, Методика рогламентирует выполнение прозххиых процедур, начиная с составления агрогатированной модели комплекса и алгоритма его функ-■ ционкро^'шшя и кончея составление!« упраглаюцих программ для контроллеров. Пакет реализован не УВК СМ-1420 б операционной системе реального времени ОС РВ 3.0, организован на ксдульлом принципе. Приводится пример использования пакета прикладных программ.

Заключение

В диссертации проведено теоретическое обоснование, разработка и исследование методов описания, анализа к реализации алгоритму в логического управления автокатизчроЕанными технологическими комплексами кенаейернего типа. Основное внимание при этом обращено на начальный этап проектирования, оакясчезкиийся Ь построении и пг/'г>ерке корректности формального недетерминированного описан;« ългз вдиоп функционирования комплекса (на базе введенного в дис-сср;.. «иа класса сетей Петри); результаты этого начального этапа £'|4--зктибно используются иа последующих стадиях проектирования. Разработанное методы обеспечивают расширенно границ формализации, сокращение трудоемкости и срокоа проектирования, повышение "дружественности" -к пользователям - специалистам по технологическим комплексам. Основные теоретически« и практические результаты диссертации состоят в следуыуем.

I. Определена характернее свойства структурной организации

и процессов функционирования технологических комплексов конвейерного типа; установлено соответствие между структурой комплекса и процессом.

2. Выделен и .исследован специальный класс сетей Петри ( . И/сети), используемый как; адекватная модель процессов, реализуемое

в комплексах конвейерного типа, и как основа для создания методов описания, анализа и реализации алгоритмов логического управления. В классе А У -сетей выделен подкласс правильных -сетей и установлена его взаимосвязь с известным классом циклических сетей Петри. Показано, .что правильные -сети являются живыми и безопасными. Разработан алгоритм распознавания правильных А V -сетей, предложено их одноуровневое многоуровневое представление и даны процедуры преобразования одного представления в другое'.

3. Разработаны и исследованы (на базе формального аппарата М -сетей) методы построения и анализа корректности алгорит-.

мов логического управления технологически,™ комплексами конвейерного типа. Методы основываются на введенной в раоотй расширенной базовой модели процессов функционирования комплекса, представляющей собой обобщенное недетерминированное описание множества вариантов протекания процесса без указания механизма выделения отдельных вариантов. При этом формализованы понятия агрегатной и объектной операции; введены и исследованы свойства 'этих операций (устойчивость-неустойчивость, допустимость-недопустимость, согласованность-несогласованность и др.); предложены методы распознавания этих свойств.

4. Разработаны два метода блочного синтеза устройств логического управления на основе А V -сетей. Первый метод позволяет проектировать устройства в виде совокупности асинхронно взаимодействующих управлявших блоков (на базе программируемых логических контроллеров), где каждый блок сопоставляется "своему" компоненту а блочном представлении комплекса (агрегату, группе агрегатов) . Второй метод разработан с целью повышения адаптируемости . /поияну-тых выао управляющих блоков п слуга з многократного исполь зования одного и того же компонента в различи« коглпсксах с раз-яичным функционированием.

5. Разработана и прозли апробацию в ряде проех^ных организаций методические рекомендаций по реализации аягорлтмос логического управления технологическими комплексами конвейерного чипа Методика поддержана пакетом прикладных программ, рсаддгонэнного

- Ш -

на УШ СМ 1420.

Основное содержание диссертации отражено в следующих опубликованных работах.

I. >;вче.чков Л.А. Об эффективности доопределения частичных автоматных операторов. - ЫНИТИ.депон. & 5530-81. 1981.2. Тагаевская A.A.«Ивченков Я.А..Вайсблат Д.С. Синтез устройств управления роботами-манипуляторами. - Материалы XX Международной конференции Яблонна - 86.М.: Энергоатомиздат.1986.,

3.Ивчеиков Л.А. Анализ структуры системы управления агрегв-тированным объектов. - Изв. АН СССР,Техническая кибернетика.3,-I9B6.

4.Ивченков Л.А. Проектирование управляющих программ повышенной контролепригодности. - Материалы 10-й Международной конф. "Надежность и диагностика йШ и систем". Взрна;Изд. H5TC.I987.

5.Юдицкий С.А. .Белоусов 0.0.,Ивчеикоз J1.A. Логическое управление роботизированными технологическими комплексам.Препринт - М.; Институт проблем управления, 1987.

Личный вклад автора. Все результаты,составляющие основное содер жание диссертации,получены автором самостоятельно.В работах,опубликованных в соавторстве,личный вклад состоит в следующем: pa6oTa/2j - в постановке и решении задачи,в работе^Ь/ -в разраСотк некоторых процедур анализа корректности алгоритмов с учетом специфики комплексов.