автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Теоретические и методологические основы анализа и синтеза цифровых логических автоматов для судовых электроэнергетических комплексов

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИИ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О.. МАКАРОВА

На правах рукописи

МИХАИЛОВ Сергей Анатольевич

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ . . ОСНОВЫ АНАЛИЗА И СИНТЕЗ/! ЦИФРОВЫХ ЛОГИЧЕСКИХ АВТОМАТОВ ДЛЯ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Специальность 05.13.07. - Автоматическое управление и. регулирование, управление технологическими процессами (на морском транспорте)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени ^ доктора технических наук

Санкт-Петербург - 1992

Работа"выполнена в Государственной ордена Октябрьской революции морской академии,имени адмирала С. О. Макарова. ■

Научный консультант - Заслуженный деятель науки и техники-.

- России, 'Член-корреспондент Российской

Академии наук,_ доктор технических наук, профессор САЗОНОВ А. Е. •

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор НЕЛЕ1ШН Р. А. .

- доктор технических наук, профессор ПОПОВ С. к.

- доктор технических наук, профессор РУМЯНЦЕВ И. А.

Ведущая организация - Институт проблем транспорта . Российской Академии наук

Защита состоится " 18 " июня 1992 г. в 14.30 на заседании специализированного совета Д. 101.02.01 ' по прису удению ученой степени доктора технических наук в Государственной морской академии имени адмирала С. 0. Макарова (199026, г. Санкт-Петербург, ул. 21-я линия, д. 14-а, ауд. 21).

С диссертацией можно ознакомиться в-.библиотеке Государственной морской академии имени адмирала С. 0. Макарова. . ■

Автореферат разослан " 16 " • мая 1992 года.'

Ученый секретгрь специализированного совета,

доктор технических наук, ■ профессор О/^л^оЛ., НАДОБИН Н. Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. УроЕень электрификации абсолютного большн-. ства современных судов чрезвычайно высок, поэтому работой судовых электроэнергетических комплексов (СЭЭК) во многом определи- . етса эффективность технической эксплуатации морского транспортного флота в целом. Источником энергии в СЭЭК являются, обычно, автономные многоагрегатные электростанции, наиболее часто - с синхронными дизель-генераторами. Среди большого общего' числа потребителей энергии, как наиболее мощные, в СЭЭК выделяются судовые электрические приводы (СЗП). Повышение эффективности функционирования СЗЭК связывается, презде всего, с совершенст-Еованием систем управления компонентами СЭЭК, как со стороны генерирования, так и со стороны потребления электроэнергии. При этом считается целесообразным обеспечение высокого уровня автоматизации управления СЗЭК за счет широкого применения средств .интегральной 1/икроэлектронной техники, в частности цифровых логических автоматов.

Перспективной элементной базой при реализации цифровых автоматов являются большие и сверхбольшие ' интегральные схемы С СБИС)среди которых молено выделить, в частности, такой их тип, как базовые матричные кристаллы (БМК), а также микропроцессоры и мультиплексоры-селекторы.

Однако, создание эффективно работающих цифровых систем управления (ЦСУ)- на микроэлектронной элементной базе требует разработки соответствующей теории и методологии проектирования,: анализа и синтеза цифровых логических автоматов. Причем актуальной становится разработка таких алгоритмов, которые могут . быть реализованы программными средствами в компьютерных система^ автоматизированного проектирования (САПР), моделирования и документирования проектов цифровых автоматов.

Эффективность использования САПР во многом определяется заложенными в них алгоритма»« синтеза цифровых логических схем, от качества этих алгоритмов в дальнейшем зависят фактически все' основные технике--эксплуатационные параметры создаваемых цифровых автоматов: быстродействие, надежность, компактность, помехоустойчивость, тестопригодность, стоимость, простота техничв-

оких решений и другие. В то же время актуальной является разработка таких методов синтеза и минимизации, которые бы, с одной стороны, обладали достаточной эффективностью, а с.другой - были пригодны для проектирования цифровых автоматов реальной степени (сложности, с практически существующей размерностью и сложностью реализуемых алгоритмов функционирования.

Важность и актуальность развития основ теории и методологии проектирования цифровых логических автоматов подтверждается включением этих задач в тематику исследований, рекомендуемую рядом отдельных Государственных научно-технических программ, в частности, целевой комплексной программой 0. Ц.С26 "Автоматизация управления технологическими процессами, производствами, машинами, станками и оборудованием с применением мини- и микроЭВМ", отраслевыми комплексными научно-техническими программами Минморфлота П 05.6 "Разработка и освоение в эксплуатации систем и средств автоматизации судовых процессов и оборудования на базе микропроцессорной техники" и Минсудпрома "Разработка комплексных систем управления транспортных судов с применением микропроцессорных средств".

В диссертационную работу включены результаты ряда НИР, выполненных при непосредственном участии автора, как руководителя и члена творческих коллективов; номера государственной регистрации этих работ: 01825063290, 01850014158, 01860012757, 01870032710 , 01880008548, 01880085730. '

Цель и задачи исследований. Целью диссертационных исследований является разработка эффективных методов и машинных алгоритмов проектирования интегральных цифровых автоматов, создание-гибких, многофункциональных, и надежных систем управления судовыми электроэнергетическими комплексами на современной микро-электрокной элементной базе. Названная проблема имеет комплексный характер и ее . решение достигается посредством'анализа и алгоритмизации СЭЭК, как технологического объекта управления; логического описания.и формализации задач управления элементами СЭЭК; формирования рациональных структур систем управления компонентами СЭЭК; . проектирования и реализации цифровых систем управления, образованных из распределенных по локальным- устройствам и механизмам СЭЭК логических систем (комбинационных и посЯедова'/ельюсхных конечных автоматов); описания соответству-этим системам 'коммуникационной среды. - бортовой вокальной

Сэти; оценки возможностей применения и алгоритмов .функционирования систем диагностики и тестирования.

Для достижения цели исследований в диссертационной работе решены следующие основные задачи:

1. Выполнен анализ степени автоматизации управления СЭЭК, выделены обобщенные структуры и уровни иерархии управления, проведена конкретизация составлявших частей СЭЭК, установлены их взаимосвязи.

2. Осуществлен анализ и алгоритмизация типовых объектов СЭЭК: автономной многоагрегатной' судовой электрической станции _ (СЭС), ее наиболее модных потребителей, судовых электроприводов/ и их систем управления. Проведен анализ переходных режимов СЭЭК' при соизмеримых мощностях источника (СЭС) и потребителей (СЭП) энергии и цифровом управлении, предложена методика, алгоритмы и программы компьютерного анализа

3.. Разработана классификация элементной базы цифровых автоматов и предложен алгоритм ее рационального выбора при проектировании управляющих систем. Обосновано применение цифровых логических автоматов высокой степени интеграции (как по числу элементов в кристалле, так и по сложности выполняемых функций) на основе матричных.СБИС для реализации операций автоматизации управления СЭЭК.

.4. Предложен класс комбинационных МЗ-автоматов, разработаны новые эффективные методы синтеза и минимизации цифровых логических автоматов в базисе мультиплексоров-селекторов. Предложен также метод построения и эквивалентных преобразований деревьев КС-автоматов, обеспечивающий минимальное или близкое к. нему число базовых ячеек в матричных СБИС. Введены понятия трех видов корней деревьев КБ-автоматов. Сформулирован и формализован алгоритм последовательных многоступенчатых эквивалентных преобразований деревьев с выделением корней-констант, корней-аналогов и корней-вентилей.

Предложен такта эвристический метод эквивалентных структур для минимизации последовательностних цифровых конечных автоматов на основе мультиплексоров-селекторов и типовых функциональных узлов.

.5. Проанализированы машинные алгоритмы автоматизированного проектирования, моделирования и тестирования высокоинтегральных цифровых автоматов на базовых матричных кристаллах, возможности

- 4 - .. .

средств компьютерной графики при автоматизированном проектировании. Разработан алгоритм и пакет программ САПР документирования ' проектов с выполнением требований ЕСКД по конструкторской документации.

6. Созданы конкретные альтернативные проекты цифровых логически автоматов для СЭЭК: на дискретной элементной базе, на логических вентильных схемах,* на микропроцессорах, на БИС и СБИС. Описаны структуры, архитектура, особенности и выделены целесообразные области применения каздого класса автоматов: ,

V. Проведены сравнительные испытания реализованных' проектов цифровых «¿томатов и программ для ЭВМ в лабораторных, заводских и судовых условиях,' в том числе ео время эксплуатации в условиях океанских рейсов.. Опытные образцы управляющих автоматов внедрены на ряде судов Миныорфлота и Шнрыбхоза.

8. Оценены перспективные направления развития теории и ые- ■ тодологиии проектирования цифровых логических автоматов на базе '. сверхбольших интегральных . схем. Выделены такие области, как применение экспертных систем и средств искусственного интеллекта, развитие языков программирования для САПР и архитектур су-, пер-ЭВМ, создание специальных видов технологий изготовления СБИС, развитие методов автоматизированного и автоматического проектирования'(кремниевой компиляции), диагностики неисправностей и тестирования проектов СБИС-автоматов.

Объемами исследований являются: судоеой элагароэнергетн- -ческий комплекс., состоящий из автономной многоагрегатной электростанции, ее наиболее мощных потребителей, судовых электриче-ош приводов и их систем управления. Исследуются, также эле- . ментная база, цифровых логических автоматов и методы проеютро-ваши систем управления для различной степени, интеграции: от -дискретных элементов до сверхбольших интегральных .схем. • .

Методы исследований. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов ц...результатов работы подтверждается кор- • ректным применением методов, базирующихся на использовании теории конечных автоматов, булевой алгебры . и переключательных схем. математического программирования и моделирования, а тзка» . экспериментальной проверкой .предложенних методов ■■ и алгоритмов,' моделей и схемотехнических решений и положительным зффегаом от ::>: внедрения. ' '" ' '

Алгоритмизация объектов автоматизации СЭЗК осуществлена средствами теории конечных автоматов, с использованием блок-схем алгоритмов, переключательных функций и таблиц состояний.

Разработка методов синтеза и минимизации цифровых систем выполнена на основе понятий универсальных логических модулей, с введением нового класса комбинационных М5-автоматов.

Анализ методов автоматизированного и автоматического проектирования управляющих систем на матричных СБИС и разработка пакетов программ САПР, моделирования и документирования осуществлены с использованием теории программирования и системного _ проектирования интегральных схем.

Лабораторные стендовые исследования и эксплуатационные судовые испытания проводились по методикам и программам, согласованным и одобренным Государственной инспекцией Морского Регистра.

Научная новизна. Обосновано, что совершенствование судовых электроэнергетических комплексов связано с развитием систем автоматизации уйравления компонентами СЗЭК, как со стороны генерирования, так и со стороны потоебления энергии. Предложена классификация и алгоритм выбора элементной-базы судовых средств автоматизации. -Доказана целесообразность и перспективность применения цифровых систем управления на основе БМК.

Проведен анализ и алгоритмизация типовых компонентов СЭЗК; предложим и обоснованы алгоритмы функционирования локальных управляющих автоматов.

Сведен класс Ш-автоматов, состоящих из комбинационных пе-. реключательных схем с мультиплексорами-селегсгорами в качестве базовых ячеек матричных кристаллов СБИС, для них разработаны _ методы и алгоритмы синтеза цифровых автоматов.

. Разработан метод минимизации цифровых ИЗ-автоматов путем построения и • последовательных многоступенчатых эквивалентных преобразований их деревьев. Введены понятия трех видов корней деревьев: корней-констант, корней-аналогов ч корней-вентилей. Выполнена формализация предложенного метода в виде конкретного' детального алгоритма, что обеспечивает возможность автоматизации его применения в САПР.

Предложен эмпирический метод эквивалентных структур для . минимизации последователыюстных цифровых конечных автоматов, позволяющий существенно упрощать схемотехнические решения на' базе'мультипле-сссроз-селекторсв и типовых функциональных узлов.

Предложен алгоритм и создав пакет программ для персональной ЭВМ САПР 'документирования проектов цифровых автоматов с учетом требований ЕСКД по конструкторской документации. . *

Разработаны математические модели, предложены ■ методика, алгоритм и программа для ЕС ЭВМ компьютерного анализа динами-, ческих характеристик СЭЭК при цифровом управлении. . . ■ .

Научная значимость результатов работы заключается в обоснованном выборе формального аппарата анализа, синтеза и минимизации цифровых логических автоматов для судовых алектроэнерге-тичеоких комплексов, а также в развитии соответствующих теоретических и методологических основ, создании алгоритмов и программ. Совокупность разработанных теоретических положений, ■ развитие основ теории и методологии анализа и синтеза цифровых логических автоматов для судовых электроэнергетических комплексов можно квалифицировать как решение научной проблемы, имеющей важное народо-хозяйственное значение.

Практическая ценность работы состоит в том, что степень детализации проектов цифровых автоматов доведена до возможности их практического использования на транспортном флоте и создаются предпосылки для разработки и использования аналогичных цифровых систем управления применительно к другим обшепромышленн! ;м '. электроэнергетическим комплексам. Практическое внедрение результатов исследований возможно как при создании перспективных , автоматизированных судов нового пополнения флота, так и при модернизации эксплуатируемых транспортных судов.

Инженерные методы анализа, синтеза, минимизации и пакеты пррграмм САПР интегральных логических автоматов могут быть внедрены в проектных, конструкторских и научно-исследователь- • ских организациях, а также в учебном процессе вузов.

Предложенные алгоритмы проектирования, моделирования и документирования реализованы инструментальными средствами современных ЭВМ, в том числе персональных и Единой Системы, что обеспечиваем совместимость разработанного алгоритмического и программного обеспечения с большинством используемых в стране ЭВМ и позволяет повысить эффективность исследований. Разработанные программные комплексы включены в отраслевой и в Государственный фонды алгоритмов и программ и могут быть применены для исследования и проектирования цифровых автоматов также и в ' общепромышленных о'т-.аслях.

Предложенная классификация и алгоритм выбора элементной базы судовых средств автоматизации позволяют.обоснованно проводить сравнение альтернативных вариантов реализации цифровых автоматов в зависимости от уровня интеграции элементов.

. Формализованные в обобщенном виде алгоритмы функционирования типовых компонентов СЭЭК - источника 'энергии, мощных потре-Л бителей, электроприводов и их систем управления - позволяют ' осуществлять их конкретную реализацию удобными в каждом отдельном. случае техническими средствами, от дискретных элементов до микропроцессоров и СБИС.

Разработанные ;..етоды синтеза и минимизации цифровых авто- / матов, конкретизованные в форме инженерных методик, позволяют существенно сократить время, затрачиваемое на проецирование и моделирование, способствуют упрощению схемотехнических решений. Предложенный метод .эквивалентных преобразований деревьев при синтезе комбинационных автоматов в - базисе мультиплексоров -селекторов является - полностью готовым конкретным инструментом проектирования цифровых логических автоматов.

Теоретические положения и практические- рекомендации диссертации явились научной основой для создания и внедрения ряда принципиально новых ЦСУ, объектами СЭЭК. Проведена полная научно-конструкторская разработка, организовано производство опытно-промышленных партий и осуществлено внедрение на морском транспорте новых перспективных типов цифровых логических автоматов. для судовых электроэнергетических комплексов. ■

Реализация результатов работы. Предложенные в диссертации методы расчета и проектирования, анализа, синтеза и минимизации, алгоритмы и программные комплексы, а также созданные конкретные цифровые логические автоматы реализованы в практической работе организаций Минморфлота, Минсудпрома, Минрыбхоза, Гособразования и других ведомств.

Подготовленная по результатам диссертационной работы.конструкторская и технологическая документация на новые цифровые-системы и программное обеспечение была внедрена в Одесском межотраслевом территориальном центре научно-технической информа- ' : ции И пропаганды (Ш 83-04-115 НТД; 84-36-115 НТД; 87-113-115 ЯГД; 87-127-115 НТГ; 83-125-115.НТД и 88-176-115 НТД). На данную документацию направили рвои запросы и, затем, подтвердили ее использование следующие предприятия и организации:

- 8 - .

• П/0 "Югрыбхолодфлот" г. Севастополь; ОКБ "Нефгехимавтоматика" г. Москва;

' СКТБ ШО "Тктан" г. Антрацит; СКТБ "Барс" г. Выборг; • ' • ЦОШГГБ ВНПО "Ремдеталь" г. Глеваха Киевской обл.; машиностроительные заводы г. Пенза и г. Комбарка; . организации п/я М-5729 г. Химки Московской обл., ri/я А-7615 г. ¡Орга Кемеровской обл. , п/я А-1321 г. Москва, п/я М-3712 г. Караганда;

учреждение ОУ S5/8 г. Симферополь; информационно-вычислительный центр г. Ашхабад; Азовское морское пароходство г. Мариуполь. Опытно-механическим заводом Южного НИИ морского флота изготовлены три опытно-промышленных партии электронных устройств, в разработке которых принимал участие автор и в которых воплощены отдельные результаты диссертационной работы: цифровые системы фазового управления вентильными коммутаторами судовых электроприводов (заказ N 334, 1984 г.) и электронные регуляторы напряжения судовых синхронных генераторов (заказы N НТС-797, 1986 г. и N ПТС-026, 1S87 г.).

Цифровые системы управления' вентильными коммутаторный из первой партии были внедрены в Черноморском производственном объединении "Антаргаика" в 1985 году при модернизации электроприводов на рыбоморозильных траулерах типа "Супер" (т/х "Гарпунер Прокопенко".).

Электронные регуляторы напряжения из второй и третьей партий были внедрены в Черноморском пароходстве в 1986-87 годах при модернизации электростанций на судах типа "Муром" и "Кошу-нист" в ходе выполнения НИР М 703 ОВИМУ (П ГР 01860012757). Три комплекта рзгулятороз установлены на т/х "Алексей .Толстой", два - на т/х "Ыарнеули" и один злэктоонный регулятор установлен на т/х "Борис Горбатов". Ргу5оты выполнялись в соответствии с "Планом внедре"ия достижений науки, новой техники и передовой технологии по ЧМП на 1986 год" (часть 2, раздел 3, п. 39), утвержденным приказом начальника ЧМП N 4Е2 от 05.12.85 г.

Отдельные пакеты программ для ЭЕМ внедрены в отраслевом (САПР- КД) и'Государственном фондах алгоритмов и программ ( Алгоритмы и программы. - IL: ГПНТБ. 1986, N 5, БД 014213» .

Программный комплекс автоматизации проектирования и доку-

ментирования для персональной IBKf-совместимой ЭВМ поело эксплуатационных испытаний внедрен на балкере типа "Владимир Гавриков" Черноморского пароходства.

Разработанные в ходе'диссертационных исследований программные средства для ЭВМ наш-.и свое внедрение в учебном процессе вузов Минморфлота при подготовке курсантов по специальностям 1613 "Электрооборудование и автоматика -судов" и 2103 "Автоматизация технологических процессов и.производств" - в Дальневосточном высшем инженерном морском училище, в Государственной морской академии (г. Санкт-Петербург), в Одесской государственной морской ' аклде:ми. Автор являлся руководителем творческих.' коллективы, и разработчиком , алгоритмического и программного обеспечения при 'выполнении НИР по договорам ОВИМУ от 15.03.89 г. И 4 с Лесосибирским филиалом Сибирского технологического института и N 9 от 01.10.89 г. с Новосибирским филиалом Московского технологического института, в учебном процессе этих вузов -также были внедрены"'разработанные в диссертации программные комплексы.

Кроме того, предложенные автором совместно со своим аспирантом технические решенйя цифровых автоматов используются в учеоном процессе Высшего технического университета в г. Варна (НРБ) в лабораторном практикуме по кафедре "Электроснабжение и электрооборудование промышленных предприятий".

■ Апробация. Диссертационная работа и отдельные ее разделы докладывались автором, обсуждались 'и были одобрены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского соста-. ва Одесской государственной морской академии ( 1980-1989 гг.) и Государственной морской академии (г. Санкт-Петербург, 1990-1992 гг.); на республиканском научно-техническом семинаре "Системы контроля параметров электронных устройств и приборов" (г. Киев, КИИ, 1973 г.); на семинарах научного совета АН Украины по проблеме "Кибернетика": "Математические модели функционирования автоматизированных систем" (Николаевский кораблестроительный институт, • 1981 г.), "Кибернетика . и автоматическое управление"' (Одесский политехнический институт, 1981 г.); на VI, VII и VIII Всесоюзных научно-технических конференциях "Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями" (г. Екатеринбург, УПИ, 1S83, 193G л 3989 гг.); на Есесоюзьом научно-техническом семинаре "Применение микропроцессорных устройств б промышленном алэгстропрнБЬде" ( г. Москва, ЩГГЛ, 19?5 г.); га V

Всесоюзной.научно-технической конференции "Технические средства изучения и освоения океана: ' ОКЕАЮТЕХНИКА-85" ( ЛШ, 1985 г.); на межвузовской научно-технической конференции "Разработка и моделирование в технических и социально-экономических проблемах освоения океана" (г. Владивосток, ДВПИ, '1985 г.); на Всесоюзной научно-техрической конференции ." Конструирование и технология . микроэлектронных устройств" ( г. Рига, п/о "VEF", 1986 г.); на конференции "ВклаД молодых ученых и специалистов в ускорение научно-технического, прогресса и интенсификацию народного хозяйства" (г. Севастополь, СФ РДЗНТП,. 1987 г.); на межвузовской на- , учно-технической конференции "Проблемы автоматизации, эксплуаг тации и проектирования сложных систем танкеров" ( г, Владивос-" ток, ДВВИМУ, 1987 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции "Логическое проектирование систем управления" (г. Севастополь, приборостроительный институт,' 1987 г.); на научно-методической конференции " Новые формы организации учебного процес-. са " (г. Николаев,' ШИ, 1987 г. ); на республиканской конферен-., ■ ции "Компьютерная технология.обучения в вьющей школе" (г. Сева-.'стстоль, СФ РДЭНТП, .1939, г.):; на IX и X Всесоюзных научно-методических семинарах "Инженерная и компьютерная/графика" ( г. Севастополе, СЗВИМУ, 1989 г. и 1990 г.); на VII Всесоюзном совещании "Автоматизация процессов управления техническими средст-, вами исследования мирового океана" (г. Калининград, 1989 г.).

Кроме того, • отдельные'.этапы работы ' обеуадались и были ■ одобрены на технических и экспертных Советах следугщих научных, . производственных . и эксплуатационных организаций: Черноморского . морского пароходства (1983, 1986,и.1988 гг.), , Опытно-механического завода Южного НИИ-Морского флота (1987 г.'); научно-техни-• . ческого комплекса "Институт ' кибернетики;, имени академика ЕМ.Глушкова" АН Украины"(1988 г.),' ЦНИИ "Румб" (1989 г.), ЦНИИ им.' академии А. Н. Крылова (* 1990 г.), НПО "Квант" (1990 г.), а также на заседаниях кафёдр "Судовых электрических машин и авто матизироианных приводов" 0Г1.1А (1985 г.), • "Электрических машин и судового электрообррудоЕания" ЛИВТ (1987 г.), "Автоматики и вычислительной техники" ГМА (1988, 1990-1092 гг.).

С зарубежными специалистами отдельные задачи ''и -разделы диссертации обсуждались на Юбилейных научных сессиях Высшего техничеот о университета" г. • Варна (НРБ, 1983 й'1987 гг.). - на I международной конференции "Обучение системам автоматизировано- .

'■'.-'.'' : 11 -го проектирования в инженерных вузах" (г. Тбилиси,, Грузинский технический университет, 1987 г.), в институте микроэлектроники Болгарской Академии наук (г. София, 1988 г.), на VI национальной научно-технической конференции с международным участием "Перспективы и проблемы- судовой электротехники и электроники" (НРБ, г. Варна, НИИ судостроения, 1989 г.).

Приоритет предложенных в работе технических решений защищен 15 авторскими свидетельства™ на изобретения, из которчх 10 воплощены в технической и конструкторской документации на вновь разработанные цифровые автоматы, а также в самих опытно-промыт- ' леннь'х образцах аьтоматов. '_ .

Партия опытно-промышленных образцов разработанных в диссертации электронных устройств прошла соответствующее освидетельствование Государственной инспекцией Регистра и получила Сертификат, допускающий их эксплуатацию на судах морского фло.а.

Две созданные в процессе диссертационных исследований цифровые системы'представлялись в экспозиции' павильона "Морской транспорт" на ВДНХ в г. Москве.

Публикации. По тематике диссертации опубликовано более 100 научных работ. . Из них 2 монографии, 15 авторских свидетельств на изобретения, 10 отчетов о выполненных научно-исследователь-, ских работах. На основе материалов диссертации под1 отовлено и издано 11 брошюр учебно-методических пособий, поставлен новый учебный курс. . '

Ряд науч..ых работ переведен и опубликован в Болгарии, Фин-. ляндии, США и Великобритании. Число зарубежных публикаций - '9. / Структура и объем работы. Диссертация состоит из- перечня . аббревизтур, введения, восьми глав, заключения, восьми приложений. Список литературы содержит 317 наименований, из них 119 -иностранные источники. Общий объем работы составляет 480 страниц, в том числе 103 рисунка и 32 таблицы. Основное содержание, исключая рисунки, таблицы, список литературы и приложения, представлено на 252 страницах машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ...

Вэ введении обоснована актуальность направления исследований; поставлены цель и задачи, выбраны методы и выделены объек- ' ты исследований; сформулированы научная новизна и значимость, практическая ценность работы. - ' ■ •'

В первой главе проанализированы особенности проектирования и условия функционирования судовых электроэнергетических комп- , лексов, выполке-н обзор способов управления-компонентами СЭЭК со стороны генерирования и со стороны потребления энергии и методов проектирования управляющих систем. Предложены классификация и алгоритм зыбора элементной базы судовых средств авто^тики, сформулирована концепция построения унифицированных.агрегатиру-' емых многофункциональных интегральных модулей для СЭЭК. Поставлены задачи дальнейших исследований.

Одним из путей повышения, эффективности функционирования СЭЭК является модернизация существующего судового оборудования с поэтапным переходом к связанной иерархической сети, управления СЭЭК с ориентацией на последующих этапах на выеокоинтегральгую ■микроэлектронную элементную базу. Второй путь состоит в совершенствовании . алгоритмов и системотехнических решений цифровых логических автоматов для СЭЭК.-.В диссертационной работе получили развитие оба данных подхода к решению поставленной проблемы.

В работах А. П. Баранова, Е Н. Константинова, Р. А. Нелепина, ' И. Р. Фрейдзона, А.Е.Сазонова, : Б. П Кутасина, . ,Г. А. Мелешкина, И. А. Румянцева, А. Н. Ткаченко, Г. С. Яковлева и• других1 советских и зарубежных ученых в разные годы были опублнкоБаны.результаты .проводимых'исследований в области построения автоыатизированых управляющих систем для.' судовых электроэнергетичесгам комплексов.

Исследованием и разработкой методов проектирования логи- -ческпх автоматов, в том числе в интегральном исполнении, зани-, мались такие отечественные ученые^ как Л. Б. Абрайтис , С. Я Бара- ■ нов. . КМ. Глушков,' А. Д.Закревский, В.Г. Лазарев, ЕЛ. Миаенко, ' Д. А. Поспелов, Е. И. РупыреЕ,- Э. А. Якубайтие, другие исследователи. -Отдельные вопросы' проектирования матричных интегральных автома- . тое рассматривались'- в работах •/Г;'Г.-'Кагеннова';,\ А. И.Петренко,';' М. & Пономарева- и Г. Г^Коноплева,.'. В. II ¿айзулаева и других.'.

- 13 -

Известны работы зарубежных ученых в области создания цифровых логических автокатов на базе сверхбольших интегральных ' схем. .Среди этих исследователей il Еатанабз, И. Изерман, IL Мид и Л. Конвей, С. Мурога, А. Фридман и IL Менон, Р. Эйрис и другие.

Однако, до недавнего времени многие теоретические результаты исследований, например, в области автоматического или оптимального управления СЭЗК, не могли быть реализованы из-за от. сутствия необходимых технических средств и соответствующей эле;-ментной базы. Развитие микроэдектронной технологии и усложнений алгоритмов функционирования объектов управления ведут к тому, что технические средства автоматизации ухе выполняются на базе / интегральных схем. При этом, наряду с использованием микропроцессорных систем, имеется тенденция к применению перепрограммируемых СБИС жесткой логики, позволя«!х создавать унифицированы-'; агрегатируемые шюгофункционадыше модули для разных, уровней иерархии рудовых управлякадах автоматов. При усложнении систем, при роете требований к их качественным и количественным характеристикам, требуются новые строгие математические методы проектирования, отрахакпцие и учитывающие специфику внсокоиитег-ральных микроэлектронних элементов, свойство их многофункциональности и ориентированные на. использование в система/, автоматизированного проектирования.

.Во второй главе рассмотрены основы теории интегральных матричных автоматов. .Изложена общая методология базовых матричных схем, •принципы построения систем на матричных СЕКС, пред- • ставлены'аналитические зависимости, соотношения и характеристики для основных параметров матричных кристаллов. Рассмотрены . такие основные виды технологи1: производства СБИС, особенности построения комбинированных, аналого-цифровых СБИС, матриц типа "море вентилей" и с изменяемой внутренней структурой. Особо выделены многофункциональные перепрограммируемые матрицы, как наиболее эффективная и перспективная элементная Саза для цифровых логических автоматов. Затронуты особенности расположения нолу-проводниковых кристаллов в корпусе, возникающие при этом у СБИС проблемы и возможные пути и методы их разрешения.

. Матричные СБИС на основе базовых матричных кристаллов 'представляют собой интегральные схемы, состоящие из многих элементарных вентилей, число входов, логические функции которых и соединения между собой и с выводами из корпуса опредс ля то о:;

требованиями потребителя. Набор логических элементен однотипных БМК может реализовать различные алгоритмы, необходимые резным' пользователям. Такой подход позволяет сократить, сроют проектирования и производства и создать многофункциональные схемы,. более чешевые в сравнении со специализированными. Этим решается и проблема минимизации , числа выводов из:корпуса кристалла: все необходимые схемные межсоединения осуществляются внутри корпуса; СБИС, а к имеющимся, выводам' подсоединяются только необходимые заказчику участки логической схемы. ..

Последовательность работы над проектом создаваемого автомата для матричных СБИС иная, чем для дискретных элементов; и схем меньшего уровня интеграции. Вначале производятся кристаллы- полуфабрикаты, ' -'содержащие тысячи гйтовых полупроводниковых транзисторов. После этого'следует зтйп проектирования, причем, для одного и того же кристалла результат проектирования разный у разных потребителей,- поскольку каждый из них желает сделать из "этой СБИС разные систечы для своих конкретных применений. После завершения проектирования программируются межсоединения СБИС и наступает этап применения. - ; ; . : - ' ;

Наиболее перспективное :из новых направлений производства и применения матричных СБИС ; - это создание перепрограммируемых • кристаллов. Они; позволяют многократно повторять цикл• "запись-стирание", что делает такие СБИС универсальными многофункциональными схемами. Для 1 стирания запрограммированных матриц . ультрафиолетовым облучением 'Требуется около 20 минут, в то вое-' мя,' как у матриц с электрическим стиранием время, цикла перезаписи не превышает 20 мс. Для программирования электрически сти^ раемых матричных СБИС мо.тно ^использовать стандартные программаторы логических матриц или запоминающих ^устройств, дополненные специальными вспомогательными пакетами программ' проектирования. .'Важным обстоятельством, кроме, того, является малая величина тока . программирования таких:'. СБИС; Это позволяет встраивать в кристалл схемы, генерирующие-сигналы, необходимые для перепрог-' раммирования этого же кристалла.; Становится возможным модернизировать системы,- уже находящиеся в эксплуатации. Сам процесс программирования имеет.неразрушаюший характер и может осуществляться неоднократно,- это, в'свою очередь, .позволяет проводить отладку систем и их глубокое.тестирование. '\ V ; •

.Регулярная внутренняя топологическая структура "матричного

*- 15 -

,1,6исталла создает предпосылки для использования цри -создании €ВИС-систем средств автоматизированного, а иногда и автоматического, проектирования. . 1

В третьей главе рассмотрены особенности автоматизации про-е'ктировашя интегральных шаровых автоматов. Изложена концепиия построения САПР цифровых автоматов для* судовых электрознергети-' ческих комплексов, выполнен обзор технических и программных средств САПР;СБИС, предложены классификации устройств ввода и вывода графической информации в САПР, рассмотрены требования в характеристикам технических средств САПР. Разработаны методика, математические модели, алгоритмы их решения и создан програм-/ миый комплекс компьютерного анализа режимов цифрового управле- ' ния СЭЗК. Разработан также пакет САПР документирования. проектов цифровых автоматов.

Наибольшая необходимость в САПР испытыва^тся в тех . областях техникч, где имеются требующие своего решения сложные.задачи значительной размерности. . Судовые электроэнергетические комплексы и матричные сверхбольшие интегральные схемы твляются в этом смысле весьма подходящими- объектами. При традиционном "ручном" проектировании трудоемкость решения задач их проекти-, рования может превысить срок морального старения проектов. Раз. работка цифровых СБИС-автоматов без привлечения средств САПР и 1 магчнной графики стала практически невозможной, .между тем потребность •в. их внедрении для комплексной автоматизации судов .нарастает быстрыми темпами. ' ;

. Требования к характеристикам технических средств САПР СБИС предусматривают, в частности, что систем:: экранной графики должны располагать чрезвычайно боль-там объемом оперативной памяти ЭВМ - до 4 Мбайт для одного кадра. Кроме того, различные технические и программные .средства машинной графики и САПР должны быть совместимы между собой, т.е. базироваться на существующих международных стандартах представления графической . информации в ЭВМ, например 6КЗ,' ШЕБ. Г

В области проектирования цифровых СБИС-автоматов для СЭЗК известны лишь <.диничнь,г примеры разрзб.лок комплексов САПР. 06-■ шим для всех проектов в разных областях является этап .документирования. Предложенный в диссертации пакет САПР-КД позволяет автоматизировать этот процесс с автоматическим соблюдением ьс.х • требований действующих ' ГОСТов ЕСКД. Еще один разработанный

- 16 - ■

программный комплекс предназначен докомпьютерного анализа переходных режимов СЭЭК при цифровом управлении. Оба пакета программ нашли внедрение в научных и учебных заведениях Ыинморфлота и некоторых других ведомств.

Четвертая глава посвящена описанию алгоритмов проектирования матричных СБИС, в ней формализована концепция построения Ш-автоматов и описаны методы синтеза комбинационных логических схем в базисе мультиплексоров-селекторов. Эти элементы (МЗ) об-, разуют Функционально полный базис и могут быть описаны моделью универсального логического мод/ля (УЛМ).' В этом случае переключательная функция обобщенного М-канального Ш имеет вид:

При использовании входа стрэбирования МБ переключательная функция (1) преобразуется к виду: . '

= ¡Г ( / (Вг I ЛД -

г до,- Я - логический сигнал на входе стробирования (обычно инверсный) . . -.

Уровень сложности.МЗ-автоматов, реализуемых с использованием данных методик синтеза, ограничен числом адресных и информационных входов применяемой элементной базы - .-мультиплексоров-селекторов. Один из способов 'увеличения возможного числа входных переменных- для МЗ-автоматов - это использование цепочечных и .древовидных структур соединения МЗ., Еще одним эффективным методом увеличения возможного числа переменных при синтезе слож- . ных КБ-автоматов.является введение кодирования с использованием шифраторов - СЮ. - ' - '-.'..

Одна из особенностей проектирования СШО- на основё базовых матричных кристаллов состоит в том, что разработка здесь начинается со специфического этапа, который отсутствует при традиционном проектировании заказных СБИС, - это выбор ЕЖ Алгоритм выбора базового матричного кристалла при синтезе матричных СБИС предусматривает оценку- подбираемых, базовых ячеек последующим критериям: ссответстьие функциональным еозмокностям проектируемого а!',томата и его электрический параметрам., 'достижение опти-мольных характеристик и удовлетворение; дополнитедьш.Гл • требова-.'.-

ний. Ео многих случаях в качестве базовых ячеек матричных СБИС целесообразно использование мультиплексоров-селекторов. При этом достигается унификация внутренней структуры автоматов и возможно применение в составе САПР СБИС методик • автоматизированного синтеза ЬБ-автоматов.' -

В процедуре проектирования матричных СВИС можно выделить такие крупные этапы, как схемное списание, формализация автомата в выбранной элементном , базисе, моделирование, временной контроль, разработка топологии, контроль проекта, доработка, документирование результатов.' В. свою очередь топологическое проектирование должно включать'в себя процедуры компоновки макроячеек, размещения элементов в базовых матричных кристаллах, трассировки соединений, корректировки топологии.

В пятой главе изложены предлагаемые методы минимизации для комбинационных и последовательпостных цифровых логических аЕто-. матов на основе матричных СБИС, использующих в качестве базовых ячеек мультиплексоры-селекторы.

' Теория конечных автоматов в. настоящее время располагает классическими методами минимизаций применительно, в основном, к логическим вентильным схемам. Это объясняется' тем, что до недавнего времени основной элементной базой дискретных систем автоматики являлись электромеханические реле и микросхемы малой степени интеграции. Использование этих методоз минимизации для БИС и СБИС не позволяет учесть рад'их специфических особенностей. К ним относятся свойство многофункциональности некоторых логических элементов, выбранный элементный базис, список библиотеки типовых функциональных элементов, способность передавать сигналы только в одном направлении,, ограниченная нагрузочная способность и другие. Для системы на интегральных микросхемах минимальная длина'переключательной .функции не гарантирует минимальной, слгдаости реализующего ее устройства.

Минимизация 'для сложных высокоиитегральных. цифровых автоматов будет заключаться в достижении", наименьшего количества схем ЕЙО и СБИС для реализации функций конкретной системы путем рационального программирования многофункциональных элементов,-оптимального совместного применения изделий цифровой микроэлектроники и выбора наиболее простого .схемотехнического рег.з-ния.' 'Для ьысокоинтего-.лмшх. логических автоматов задача минимизации о уровня вентильных логических схем переходит на уровень

. . ',..' - 18 -V " •• •'. 'л' .

типовых функциональных элементов. Такие типовые ..уз вы образуют, в частности, биб; '/.отеки стандартных элементов матричный СБИС.

• - В предыдусзП главе рассмотрены методы синтез?- Ш-гшгсма-тов, в том числе с применением стробированкя и кодирования, цепочечных, древовидных и матричных структур. В частности, при использовании стробировакия комбинационные МЗ-автоматы образуют элементы, визуально' напоминающие корни дерева. Преобразования булевых функций при построения дереза состоят в вынесении за скобки' ко;шон,«'ий последовательно по одной переменной, начиная со.старшей, с дальнейшем объдинелием через дизъюнкцию двух выражений для прямого и'инверсного значений этой переменной: // *Г> _ М/2 П-i /К/2 и-/ .

где ■ \f ■ - предыдущее значение переменной. . .

В гСшем виде зту процедуру можно-формализовать в виде следующей записи: t • Kz '. ' • ' - ' ■

0. - Thk(JTfÁtJ^Át.. A(.V . M+

í'ryí tft ^Íjf V

r- As/ . Í.SI JT*1

При анализе этих структур с целью минимизации автомата мо-жл выясниться, что'отдельные корни дерева иидолняют аналогич-:'. ные, полносч-ью одинаковые, эквивалентные переключательные ¡функции, либо являются логическими константами ("0" или "1"), либо реализуй' элементарные, конъюнкции или . дизъюнкции (схемы К,.' ' ' ИЛИ) либо эти же логические функции с инверсией. Для минимизации комбинационного Шгавтомата, в первом случае корни-аналоги ' ■ дерева молно обоединить в один, для второго случая корни-константы ' можно просто отсечь, в, третьем случае 'М5 можни заменить на со'отве^ьущуй логический вентиль. ' "

- ;. • Еще одной возможиостью минимизации ярляется изменение комбинаций последовательности подачи входных переменках на управ-• лявде входы Aj MS-автоматов. Для разных комбинаций таблицы состояний фук.сции заполняются по-разному и, в конечном результате; коммутация информационных входов Bi всех МЗ,- составляющих корни, дерева, будет выглядеть также по: разному. Такиь путем можно получите несколько/вариантов комбинационных MS-автоматов, реализующих <"дии и тот®же алгоритм и,.сравнением, выяснить - 'какой из них содержит больше корней-аналогов, корней-констант, корней1 логических вентилей й, соответственно, является более простил . Существенно, что все рассмотренные- операции алгоритма относятся к,одновыходным MS-автоматам. .В случае к выходных переменных все названньг операции алгоритма проводятся к ра.з для построения к деревьев; Во вс.эх'полученных деревьях выявляются, корпи-аналоги,, корни-константы и корни-вентили. Причем сущест-, зенно, что- корни-аналоги в данном случае могут объединяться и .между разными деревьями, это позволяет провести дальнейшую минимизацию й упрощение схемы автоматов."

.-'. В процессе, проектирования цифровых •• средств автоматики Есегда образуются типовые схемные решения. Соответственно можно предложить и типовые приемы минимизадии сложных последователь-ностных ¿штоматов. К последним отнессн метод эквивалентных структур, когда один участок цепи, • узел системы, заменяется другим,;. эквивалентным, выполняющим те re функции, но более ' . проспим. ^ Предложенный метод зквйвалентных структур ■ позволяет минимизировать. схемотехнические .решения последовательности» конечных автоматов,, состоящих из типовых. узлов: двоичны- счетчиков,. регистров, "Декодеров, а также-мультиплексоров-селекторов, как типовых функциональных-элементов базовых ячеек матричных сверхбольших интегральных схем. - . ..

" В шестой.главе проведен анализ и выполнена алгоритмизация -цифровых логических автоматов для СЗЭК'со стороны генерирования энергии. • В частности, 4описаны алгоритмы- управления составом 'электрогенерирукшх агрегатов судовой электростанции,. контроля числа работавших генераторов, '' синхронизации генераторных arpe- . . гатон при включении их ка" параллельную работу, коррекции. напп-жепия синхронных генераторов • и управления многоагрегатной электрической станцией, а тачке управления электро норг^тичес-. адм комплексом'судовых TpysoBia систем. При этом приведены спи-

• ■ „ - 20 -сания проектов разработанных конкретных цифровых логических автоматов для СЭЭ& 'интегрального логического автомата для систем автоматической синхронизации, автомата на дискретных элементах для коррекции напряжения СГ, матричного МЗ-автомнта для контро-■ лй числа работающих ГА е 030, цифровых компараторов ь МЗ-базисе.

В седьмой главе проведен анализ и выполнена алгоритмизация цифровых логических автоматов для СЭЭК со стороны потребления энергии.

Предложена обойденная структура автоматизированной системы управления судовым электическим приводом, предусматривающая включение в контур управления цифровых логических автоматов и' управляющей ЗЕМ.. Приведена математическая модель и формализован алгоритм расчета оптимального управления гребным электроприводом,. предложен вариант реализации автомата компькяерного управления ГЭП на основе матриц ПЗУ с введением экстраюлятора, предусматривающего быстрое прямое, а затем обратное ¡¡реобразовнис •Хурье и цифровую обработку сигнала. Тахо-. построение цифрового автомата позволяет осуществить прогноз и рувке оптимальное регулирование ГЗП, рассчитанный эффект от введения цифрового .управ-лени^н составляет 2,5%.

Представлены проекты цифровых логических автоматов фазового управления тиристорним электроприводом, позволяющих напраь-, лекно формировать пуско-тормозные реи:»и мощных '¿П по произвольному ступенчатому закону регулирования. Реализация алг уэит-мов управления многоскоростными реверсивными ЭП выполнена как техническими средствами "жесткой" логики - на. матрицах ПЗУ, так и программными средствами - на основе микро -ОВМ. Оиисанн струк--тура типового микропроцессорного цифрового упрвиямрго автомата, для алгоритма управления технологическим процессом, обеспечиваемым асинхронным двигателем с фазным роторс-м. представлена разработанная программа для микро-ЭВМ.

Выполненный на матричных БИС и логических схемах проект цифрового автомата управления асинхронным вентильным' каскадом позволяет осуществлять г.лазкое регулирование скорости ЗП с дискретность» установки угла фазового управления тиристорами ин-■ ги'ртора в 0,75 эл. град., а такав автоматизировать выбор режимов регулируемого торможения (динамическое или рекуперативное), симметричного или ^несимметричного управления в'-разных группах вентилей инвергорного моста,, переключение реверсивной группы Iеглнлей'и Ьключеиис тормозного электромагнита.

• - 21 -

Е восьмой главе оценены перспегаивпые направления е проектировании высокоиктегральных' цифровых автоматов.'

-■ ■ Предложено использование средств искусственного интеллекта и акспертных систем для чвгоматизации тагах разработок. ■ Рассмотрены принципы построения и структурный состав систем автоматического проектирования СБИС -.кремниевых компиляторов. Показано, что совершенствование средств -автоматизации проектирования привело к развитию существующих ' и . созданию новых языков программировали для САПР, причем, кроме универсальных языков высокого уровня, создаются и специализированные, конкретно ориентированные на разработку матричных СБИС.

Выделено такое новое направление, как создание ргдяационьо-- стойких СБИС -для военных и гражданок».: применений. Рассмотрены основные технологические, конструктивные и схемотехнически^ методы, -составляющие комплекс мер по повышению стойкости цифровых интегральных автоматов к воздействию ионизирующего излучения.

Новая элементная база цифроъых автоматов - матричные СБИС - явилась осх_юй новых ЭВМ пятого поколения.. Выполнен обзор разработок суперкомпьютеров, показано, что их структура отличается от традиционной архитектуры фон-Неймана 6 одним потоком управляющей информации и предусматривсжей последовательны:; лринцкп ее обработки. Особенно наглядно это иллюстрируется в системах на основе транспьютеров - микропроцессоров с * ларал-■ дельной обработкой .информации.

Сформулирована задача тестирования к'диагностики неисправностей .в, проектах интегральных цифровые' автоматов. Дшкз при ис пользовании кремниевых компиляторов и систем автоматического проектирования .контроль, получаемого' проекта необходим длг более полной проверки динамических харктеристик активных элементов и межсоединений СБИС. '. Показаны возможные пути и примеры ее решения,. при .значительном, количестве контролируемых элементов: пространственное'сжатие тестируемых сигналов, сжати» сигналов во времени, сигнатурной анализ, . использование встроенных схем самотестирования., ' '

.В заключении приведены выводы-по итогам исоледовпний, г'«-делены основные, научные положения, вююсише'-щ зажгу, прсч;-.ставлвны.сведения об , апробации и публикациях, ' о. внедрении г экономической эффективности результатов работы.

- 22 - .. .

В приложениях к диссертации приведены: основные .ехниче-ские характеристики отечественных и зарубежных матричных СЬИС и систем их автоматизированного проектирования, пример построения и преобразований деревьев при минимизации КБ-автоматов, программы для ЭВМ и контрольные примеры, фотоснимки разработанных цифровых логических автоматов, .документы, .подтверждающее проведение испытаний и внедрение. '

ЗА К- Л Ю Ч Е II И Е

В соответствия с поставленной целью и задачами работы по результатам исследований можно сделать следующие выводы:

1. Реред судовыми средствами автоматизации ставятся требования унификации реализации автоматов на разных уровнях их иерархии в системах управления, гибкости и многофункциональности, возможности быстрого и нетрудоемкого перепрограммирования .на . другой алгоритм Функционирования автомата, высокой скорости пе- . реработки больиих объемов информации. Существующие и эксплуатирующиеся на судах системы не в состоянии обеспечить выполнение этих требований, реализацию новых алгоритмов управления и контроля. Возникла объективная необходимость создания новых средств автоматизации, более совершенных пег сеоим функциональным воз-., чожностям и '¿ехничэскому исполнению! -

2. Обзор известных источников гаучно-технической информации .позволяет сделать вывод, что к настоящему времени теория и методология проектирования цифроь.и логических автоматов, ориентированных на - элементную базу больших и сверхбольших интег-. ральных схем и предназначенных для реализации функций аг;томати-зации СЗЭК, разработаны недостаточно. . ■

Для цифровых логических автоматов, на СБИС нужны ноЕые ме- . тоды проектирования, отражающие и учитывающие специфику высоко-интеграли.ных микроэлектронных элементов,. свойство их многофунк-, циональности и ориентированные на использование; в системах автоматизированного проектирования. ■ • •

• 3. Соверше; отьоьание микрозлектронной технологии, создание новых типов интегральных элементов приводит к изменение принципов и,методов проектирования логических автоматов.на новой элементной базе. Наиболее перспективными являются перепрограммиру-

: - гз -

емые многофункциональные элементы жесткой лигики, в•частности матричные СБИС. - базовые матричные кристаллы. Яа их основе возможно построение единого агрегатируемого унифицированного модуля для всех уровней иерархии бортовых управляющих- автоматов. Во ' многих случаях "в.гзчествэ базовых ячеек матричных СБИС целесообразно использование мультиплексоров-се лекторов. При этом достигается унификация ■ внутренней структуры автоматов и возможно применение в составе^ САПР СБИС методик»автоматизированного синтеза и ¿минимизации МЗ-автоматов. . * • 1

■ А. Матричные сверхбольшие интегральные -схемы являются ■• новыми и перспективными'изделям^- 'ми1доэлектгюнной техники, теория матричных СБИС только ¡»а,гала создаваться и нуждается, в своем . развитии.' Представленные .в' работе ' зависимости числа Е1 ешних \ связей СБИС от числа логических элементов, максимального быст-*родействия логических . элементов' от степени интеграции СРИС и, : температуры р-п переходов,, а также оценка оптимального и общего быстродействия' СБИС, средней длины связей-т кристалле и предельной степени' интеграции СБИС,'. относятся к основным в теории матричных СБИС. . -

5. САПР являются основным средством сокращения сроков и снижения стоимости .проектирования СБИС. Применение САПР СБИС

, практически полностью базируется, ча графической форме представления информации. Предложенные в диссертации классификации технических средств'графического ввода и вывода в САПР . позволяют систематизировать . эти устройства и обоснованно осуществлять их выбор. Разработанный в диссертации пакет программ САНР-иД позволяет автоматизировать^процесс документирования проектов о'ав-. тематическим соблюдением. всех требований действующих ГОСТов.

6. Предложенные методика,' математические модели-, алгоритм и . программные комплексы компьютерного анализа переходных режимов позволяют оценить диапазон целесообразных значений'характеристик и параметров логических автоматов при цифровом управлении в СЭЭК. • ■*'. •*"''.'•.''•' -

. 7. В процедуре проектирования матричных СВИС можно выде-дитк такие крупные этапы, как схемное описание, формализация., автомата в выбранной элементном базисе, моделирование, временной контроль, разработка топологии, контроль проекта, доработка, документирование результатов. Алгоритм выбора базового матричного. кристалла при синтезе матричных СБИС предусматривает

оценку подбираемых базовых ячеек по следующим критериям: соот-ьетствие функциональным возможностям проектируемого автомата и его Электрическим параметрам, достижение оптимальных, характеристик и удовлетворение дополнительных требований. .

6. Использование при синтезе МБ-автоматов входор стробиро- • вакия МЗ, построение цепочечных и древовидных структур соединений N2,' применение кодирования позволяет увеличить возможное число входных переменных автомата, либо, при том же уровне сложности элементной базы, реализовать более сложные автоматы, либ« упростить схемное решение.

■ 9. Применение метода библиотек стандартных элементов при проектировании СБИС позволяет ускорить и упростить разработку цифровых автоматов, получать заведомо проверенные и работоспособные. схемотехнические решения, пользоваться созданными зара- ' нее для библиотечных элементов системами тестов и контроля. Кроме того, гчазывается возможным повторять на элементной базе счис устройства и системы, реализованные ранее на типовых комплектах микросхем меньшего уровня интеграции, если эти схемы включены в библиотеку стандартных.элементов как базовые ячейки : матричных СБИС.

10. Зтап минимизации при проектировании ьысокоинтегральных цифровых автомагов является столь хг важным и актуальным, как и для дискретных логических элементов. Однако, цели минимизации в данном случае совершенно иные. Классические методы минимизации логических схем для высокомптегральных цифровых автоматов поте- . ряли сес у значение, "и-' использование неэффективно и нецелесообразно. Минимизация для сложных цифровых систем должна заключаться не в минимизации числа вентилей в схеме, а в. достиг кии наименьшего количества .схем БИС и СБИС для реализации функций конкретной системы путем рационального программирования многофункциональных элементов, оптимального совместного применения изделий цифровой микроэлектроники и выбора наиболее простого схемотехнического.решения.

11. Сформулированные в диссертации метод построения и эквивалентных преобразований деревьев МЭ автоматов и метод эквивалентных структур длл. соответственно, комбинационных и.после-довательвоетных логических автоматов, позволяют проводить их ммодкз&ши» для выссюян-гогральныг цифровых автомате?; в том '«ис-л; 'ь составе с-иотем аг.томлат лрег^'.чого лроикгированил.

12. Предложенный в работе подход - использование мультиплексоров-селекторов в гачестве базовых ячеек матричных СБИС, а также разработанные методы проектирования (анализа, синтеза и минимизации) ЬЕ-автоматов - позволяют реализовать, в данном элементном базись практичесгаш любой вид цифрового логического автомата. Для оценки эффективности получаемых при этом технических решений выполнено несколько самостоятельных проектов автоматов для СЭЗК как со стороны генерирования, так и со стороны потребления эн»ргш: на дискретной элементной базе - для коррекции напряжения СГ, на интегральных логических элементах -для автоматизации процесса синхронизации при включении ГА на параллельную работу, на МБ-матрицах - для контроля чнгла работающие ГА в СЭС и для схем цифровых ш тараторе.в, процессорного типа, - для автоматизации многоскоростных ЭП и для управления электродвигателем с фазным ротором, на цифровых интегральных схемах - для фазового управления мощным тиристорным ЗП, в том числе гребным. Проекты матричных цифровых автоматов выполнены также для сиетем управления асинхронным вентильным каскадом и мюгоскоростными электроприводам.

13. Перспективными направлениям!, посыпающими эффективность проектирования высокоинтегральных цифровых логических автоматов, являются: использование средств искусственного интел-легаа и экспертных систем, на искоьэ которых возможно создание систем автоматического проектирования - кремниевых компиляторов; применение новых языков программирования для САПР, конкретно ориентированных на разработку матричных СБИС; применение технологических, конструктивных и схемотехнических методов, повышающих стойкость'ТЖЙС-систем к воздействие ионизирующего излучения; использование, параллельных матричных архитектур цифровых автоматов на основе компьютеров и микропроцессоров-транспьютеров; внедрение комплекса мер по обеспечению контроля Проектов и саютестиро.вания СБИС-систем во время эксплуатации.

•Автор защищает следующие основные результаты проведенных диссертационных исследований:у

иерархическую структуру автоматязадак управления элемента!« СЭЭК и взаимосвязи ее докшонентоз;

классификацию л* алгоритм выбора элементной базы судовых управляющих автоматов;

формализованные алгоритмы функционирования типовых компо- ' нентов СЭоК;

концепцию построения унифицированных многофункциональных микрозлгктрокних модулей для СЗЭК;

концепцию реализации управляющих автоматов в базгсе мультиплексоров-селекторов как базовых ячеек матричных СБИС; ;

основные положения' теории и методологии синтеза и минимизации комбинационных КЕ-автоматов;

инженерный метод эквивалентных структур при минимизации последовательностных цифровых конечных автоматов на типовых функциональных узлах;

методы, алгоритмическое и программное обеспечение анализа,-синтеза, минимизации и документирования проектов цифровых логических автоматов;

методику, алгоритм, математическую модель, программный комплекс и результаты компьютерного анализа динамических режимов ССЖ при цифровом управлении;

. разработанные и апробированные комплексы технических средств автоматизации управления " компонентами СЭЭК, как со стороны генерирования, так и со стороны потребления энергий;

альтернативные проекты реальных цифровых логических авто-' матов для СЭЭК, рекомендации по целесообразным, областям их применения, результаты испытаний, практического внедрения и промышленной эксплуатации. . ' ,

Создание как данной теории и методологии, так и■промьпплен-ко .выпускаемых серий электронных систем автоматизации и управления СЭЭК, позволяет констатировать не только постановку, но и решение имеющей важное народо-хозяйственное значение актуальной научной проблемы развития теоретических а методологических основ анализа и синтеза цифровых логических автоматов для судовых электроэнергетических комплексов.

ОСНОВНЫЕ. ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Конечные автоматы судовых энергетических установок /

B. Н. Васильев. A. R Пипченко, А. А. Виницкий, С. А. (Михайлов. - К.: Вида школа,- 1985. - 160 с.

2. Михайлов С. А. Проектирование матричных сверхбольших интегральных схем. - К.: Техника, 1991. - 142 с.

3. Васильев В. Н., Михайлов С. А. Многофункциональные цифровые элементы в системах судовой автоматики: Синтез и минимизация. - М.: ЦБНТИ ШФ, 1982. - 120 с.

4. Михайлов С. А. Библиотека программ машинного прсектиро-•вания элементов судовых электроэнергетических комплексов. -

Одесса: ОВИМУ, 1985. - 108 с.

5. Нидков И. А., Михайлов • С. А. Подготовка и оформление .конструкторской■документации средствами машинной графики. -Одесса: ОВИМУ, 1087. - 44 с. '..' -

6. Жидков И. Á. , Михайлов С. А. Машинное выполнение чертежей в САПР. - Одесса: ОВИМУ, 1988. .- 28 с.

7. Михайлов С. А. ; Цифровые системы управления асинхронными . электроприводами ^судовых' кранов: Автореферат дис. ... канд.

техн. наук. 05.13. 07. - Одесса- ОВИМУ, 1S80. - 24 с.

8. Михайлов С. ,А., Парасочкин В. А. Анализ методов и устройств измерения модуля коэффициента передачи по току и граничной частоты мощных транзисторов // Системы контроля параметров электронных устройств - и .приборов. - К: РДЗНТП, 1S78. -

C. 18-19. ...

9. Михайлов С. А., Бъчваров Т. Т. Программа микропроцессора, управляющего асинхронным крановым электродвигателем // Информ. листок N 84-46НТД. - Одесса: ОЦНТИ, 1984. - 4 с.

.10. Ьасильев'Д Н. , Михайлов С. А., Бъчваров Т. г. Алгоритмы микропроцессорного управления электроприводами судовых кранов// Судостроение.. - .1984. - N 3. - С. 26-28.

Ц. Васильев RH., Михайлов С. А. Диагностика неисправное- -тей в. цепях с вентильными коммутаторами //'Вопросы теории и эксплуатации судового электрооборудования / Сб. науч. тр. ЛВИМУ. -М.: В/О "Мортехинформреклама". - 1984. - С. ,28-22.

12. -Васильев RE, . Чйхайдоа С. А. Реализация булевых-Фукк-

- 28 - - •

ций управления многоскоростныш электроприводами на демульти-плексорных структурах // Электрооборудование судов /' Сб. науч. тр. Николаев: НКМ. - 19S4. - С. 99-106.

13. Михайлов С. А. Быстрый алгоритм диагностики полупроводниковых преобразователей электроэнергетических систем переменного тока // Технические средства изучения и освоения океана: Тез. докл. V Есесоюз. конф. - Ленинград: ЛКИ, 1985. - Бил. 1. -

- С. 120. • :

14. Михайлов С. А. Элементная база средств автоматики // Морской флот. - 1935. - N 1. - С. 49-50.

15. Михайлов С. А., Тодстов А. А. Автоматический судовой синхронизатор на интегральных логических элементах // Морской • транспорт / Сер. "Техническая эксплуатация флота". - М.: В/О

. "Мортехинформреклама". - 1985. - Еьш. 4 (600). - С. 7-10.

16. Михайлов 0. А. К выбору частоты квантования цифровой * системы фазоЕог^ управления // Электромашиностроение и электро. оборудование. - К.: Техника. - 1985. - Бып. 39. - С. 15-19.

17. Михайлов.С. А. Генератор ступенчатых функций //'Приборы и техника эксперимента - 1985. -"N 3. - С. 223-224.

18. Михайлов С. А. Система управления электроприводами судовых грузовых комплексов // Микропроцессорные средства и системы. - 1985. - N 4. - С. 83-85.

19. Михайлов .С. А. Специализированный мини-процессор для управления судовым шогоскоростиым реверсивным электроприводом /,' Разработка и моделирование в технических и социально-экономических :роблемах осЪсэния океана / Сб.. науч. тр. - Владивосток: ДЗПИ. - 1985. - С. 35-38. • •

20. Михайлов С. А.. Диагностирующий модуль для силовых ти- . ристорных преобразователей // Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями: Тез. докл. VII Всесоюз. 'конф. - Свердлове;« УПИ. 1986. - С. 72.

21. ,.!ихайлор, С. А. -Структура автоматизированной системы управления судовым электроприводом // Судостроение. - 1986. -

- ti 5. - С. 26-29.

22. Михайлов С. А. Обзор методов и сютем управления асинхронным;! электроприводам'.! судовых механизмов // Морской транспорт / Сер. "Техническая эксплуатация флота". - М.: В/О "Мор-', техинформрекл&ма". - 1936. - Ьып. '1" (63?). - С. 6-12. *•

23. Михайлов С. A. Oí днекр. хных' элементов к сверхбольшим

интегральным схемам: альтернатива выбора // Конструирование и технология микроэлектронных устройств: Тез. дога. Всессш. конф. - М.: ГШ, 1936. - С. 40.

24.-Михайлов С. А, , Васильев а Н., Агафонов-Е И Методика расчета на ЭЦБМ переходных процессов з автономных электроэнергетических комплексах при цифровом управлении электроприводами // Электромашиностроение и электрооборудование. - К.: Техника

- 1986. - Вып. 40. - С. 77-82. .

25. Михайлов С. А. Система управления электроприводами судовых грузовых комплексов //. Алгоритмы и программы. - М.: ГПНТБ. - 1986. - N 5. - С. 47..

26. Михайлов С. А., Черных И.1С Особенности синтеза систем. . несимметричного управления электроприводам;! грузоподъемных механизмов // Элегаромеханика- Известия вузов. - 1986. - N 10. -

- С. 85-89.

27. Бъчвароз Т. Т. , Васильев & Н., Михайлове. А. Цифровая система несимметричного управления асинхронным вентилъяым каскадом, совместимая с микропроцессором // Энергетика: Известия вузов. . - 1987. - N 2. - С. 125.

28. Электронный корректор напрягания судовых синхронных генераторов/В. П. Васильев, С. А. Михайлов, Н. Я. Караул, А. 11 Тумоль-ский//Информ. листок N 87-046БТД. - Одесса: ОДНГИ. - 1987. - 4 с.

29. Михайлов С. А., Васильев К Н. Система программного фазового управления полупроводниковым 'коммутатором переменного тока // Морской транспорт / Сер. "Техническая эксплуатация флота". - Ы.: В/О "Шртехинформрс-клама".' - 1987. - Еып. 6 ( 650). -

- С. 1-6.

30. Михайлов С.*А. Автоматизация документирования при проектировании сложных судовых' систем // Проблемы- автоматизации, эксплуатации и проектирования сложных систем танкероЕ: Тез. докл. метотрасл. конф. - Владивосток: ДВВИМУ, 1987. ••

- с. 100-Ю1.. • '"..' .;.'.-..

. 31. -Михайлов С. А/ Шгые архитектура для супер-ЗВМ // Судостроение за рубежом. - 1987." - N 7 (247); - С. 54-50.

32. Кутасин Б. П., Михайлов С. А. Алгоритмизация компьютерной системы оптимального управления гребным злеетроприводом при движении судна на.волкелии // Электрооборудование к автоматизация 'судовых установок и. систем / Сб. науч. тр. - Николаев: БЮГ. -

- 1987. • - С. 57-52.

33. Кутасин Б. IL, Михайлов С. А. Автоматизация судоеых энергетических установок на основе 'микроэлектронной элементной базы // Судостроение. - 1988. - N 2. - С. 31-34.

34. Михайлов С. А. Компьютеры на борту // Морской флот . -.

•- 1938. - N 3. - G. 44-45.

35. Михайлов С. А. Сверхбольшие интегральные схемы - перспективная элементная база средств автоматизации // Судостроение

•за рубежом. - 1983. - N 4 (256). - С. 65-71.

36. Михайлов С. А. Пакет САПР конструкторских документов // . Микропроцессорные средства и системы. - 1988. - N 4. - С. 69-70. '

37. Михайлов С. А., Васильев RH., Еъчьаров Т. Т. Цифровая система управления асинхронным электроприводом судового крана // Автоматизация энергетических установок и систем судов / Сб. науч. тр. ЛВИМУ. - М.: В/О "Мортехинформреклама". -*1988. - С. 57-62.

38. Кутасин Б. И , Михайлов С. А. Принципы построения схем управления электроприводами на базе интегральных цифровых систем // Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями: Тез. дога. VIII Всесоюз. конф. - Свердловск: УШ, 1939. - С. 59.

39. Михайлов С. А. Методика синтеза цифровых интегральных систем управления многоскоростными электроприводами // Электромашиностроение и электрооборудование. - К.: Техника. - 1989. -

- Вып. 43. - С. 66-71. .

40. Михайлов С. А. Базовые матричные кристаллы: развитие технологии СБИС и средств САПР // Зарубежная радиоэлектроника.-

- 1989. - N 6. - С. 77-88. '

41. Михайлов С. А. Минимизация комбинационных автоматов в базисе мультиплексоров (MS-автоматы и эквивалентные преобразования их деревьев) // Кибернетика. - 1939. - N 5. - С. 49-53.

42. Михайлов С. А. Концепция построения агрегатируемых унифицированных ыикрозлектронных модулей // Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования мирового океана- Тез. докл. VII £сесо:ю. совеш, - М.: ГКНТ, 1989.- С. 209.

43. Михайлов С. А. Комплексная САПР для судостроения // Судостроение за рубежом. - 1989, - N 10 (274). - С. 85-93.

44. Михайлов С. А. Техника компьютерной графики // Зарубежная радиоэлектроника. - 1990. - N 10. - С. 93-111.

4Lí. Михайлов С. А. • Четкая логика и микропроцессоры: новые пропорции старого дуализма // Микропроцессорные средства и сис-Т0К£|. - 1090. ~ N 5. - с. 90-92.

46. Михайлов С. А. Особенности проектирования и применения сверхбольших ИС // Судостроение за рубежом. - 1991. - N 3 (291). -С.49-59.

47. Михайлов С. А. Маршруты проектирования ВИС на базовых матричных кристаллах //• Радиоэлектроника; Известия вузов. -

- '1991. - N 9. - С. 54-59.

48. Михайлов С. А. Перспективные принципы построения сверхбольших интегральных- схем // Зарубежная радиоэлектроника. -.

- 1991. - N 12. - С. 3-14.

49.- Сазонов А. Е., Михайлов С. А. Экспертные системы в про-. вотировании судовых средств автоматизации // Современное состояние и перспективы развития судовых энергетических установок / Сб. науч. тр. ГМА. - М. : В/О "Мортехинформреклама". - 1992.

50. А. с. 1027705 СССР. . МЧИ G 05 D 15/01. Устройство для управления многоскоростным электроприводом / С. А. Михайлов, . И. К Черных, В. Н. Васильев. - Опубл. в Б. И.. 1933, N 25.

51. A.c. 1039030 СССР, МКИ H 03 К 17/00; H 02 Р 13/16. Распределитель импульсов / С. А. Михайлов. - Опубл. в Б. И., 1983, N 32.

52. А: с. 1050084 СССР, МКИ H 02 Р 07/48. Устройство для управления многоскоростным асинхронным . электродвигателем / С. А. Михайлов. - Опубл. в Б. И. , 1983, N 39.

53. А. с. 1055133 СССР, МКИ G 05 В 19/18. Устройство для программного управления / С. А. Михайлов, В. Е Васильев, И. К. Черных» - Опубл. в Б. И. , 1983, N 43.

54. А. с. 1228076. СССР, МКИ G 05 В 19/18. Устройство для программного управления / С.А.Михайлов. - Опубл. в БД, 1986, N16. "" .

55. А. с. 1343499 СССР, МКИ H 02 J 09/06.- Устройство для управления электростанцией / С. А. Михайлов, A. IL Пипченко, С. А. Полниук. - Опубл. в Б. И. , 1987, N 37.

56. A.c. • 1501234 СССР, МКИ H 02 M 07/48. Устройство для цифрового управления вентильным коммутатором / С. А. Михайлов (СССР). Т.Т.БъчЕаров (НРБ). - Опубл. в Б.И., 198S, N30.

: 57. A.c. 1524028 СССР,. МКИ G 05 D 15/01. Контроллер мно--госкоростного реверсивного электропривода (Контроллер Михайлова) / С. А. Михайлов. - Опубл. в Б. И. , 1989, N 43.

08: A.c. 1573518 СССР, МКИ H 02 - M 07/48. Устройство для несимметричного управления вентильным коммутатором / С. А. Михайлов. (СССР). Т. Т. Бъчваров (НРБ). - Опубл. в Е. И., IMG, N

59. Л. е.- . 1601025 СССР, Ш1 В 63 II 21/14; F 02 D 39/00. Устройство регулирования мощности судовой дизельной установки /. Я В. Ммюссв, С. А. Михайлов, А. ¡а Карпилов. - Опубл. в Б. И. , 1990, " М 39.

60. Бъчваров ?. Т. . Васильев В. IL , Михайлов С. А. Перспекти-зи за приложнието на асинхроннкя вентилен каскад в кораСната техника // Перспгктиви я проблеми на корабната електротехника и електроника: Резюме та VI надионална научно-техничеаса конференция по корабостроэне с международно участие. - Варна, 1939. -

- С. 13.

51. Бъчваров Т.Т., Еасильев В.К., ¡Михайлов С.А. Съвременни алгоритми за управление на корабни товарни механизм;! // Юбилейна научна сесия "20 години ВШ1-ВАРНА". Доклад 23. 7. - Варна. -

- й8з. ■ - с. • .

62. Бъчваров Т. . Басильев R , Михайлов С. Цифров фазов ре-гулатор за промекливо напрежение // Радио, телевизия, електро-ника. - ■ София. - 1986. - N 5. - С. 32-33.

63. Бъчваров Т. Т.. Михайлов С. А. Алгоритми за управление на корабэн кран по система АЕК // Юбилейна научна сесия "25 години ВМЕИ-ЕАРР.А". Доклад 2.9. - Еарна. - 1987. - С. 116.

64. Михайлов С. А. Автоматизация проектирования судовых микроэлектронике систем // Перспективи и проблем« на корабната електротехника и електроника: Резюмета VI ' нациокална научно-техническа-конференция по корабостроене с международно участие.-

- Варна. 1989. - С. 31.

.65. Mikhailov S.' Computers On Board arid In the Classroom // Soviet Shipping. - 1988. - N 3. - P. 32.

66. Mikhailov S. A. Minimization of combinational multiplexor/selector automata (Mj-automata and equivalent transformations of their trees) // Cybernetics. - Nev;-York & London: Consul taints bureau - Publication Expenditir.fr Inc. -

- 1990. - Vol. 25. -!K 5. - P. 623-628. . '

67. Mikhailov S. A. The Designing Routes of gate arrays LSI circuits // Radioeloctronics and Communication Systems. -itew-York: Allerton Press Inc. - 1992.