АДАПТИВНОЕ УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G05B19/18 

Предлагаемое изобретение к системам автоматического управления и может быть использовано при управлении сложными техническими системами различного назначения преимущественно с дискретным характером технологического цикла.

Из известных устройств того же назначения, характеризующихся совокупностью признаков, сходных с совокупностью существенных признаков предлагаемого изобретения, наиболее близким по технической сущности является устройство для ситуационного управления (авт. свид. СССР N 1278811, G 05 B 19/18), которое может служить в качестве прототипа. Данное устройство осуществляет поиск класса эквивалентности текущей ситуации по характеристическим векторам классов эквивалентности, последовательно извлекаемым из блока памяти, и выдает на выходе код команды управления, соответствующей найденному классу. Недостатком этого устройства является назначение для класса эквивалентности ситуаций единственного кода команды управления. Между тем, практика показывает, что, в ряде случаев, одна и та же ситуация на управляемом объекте может быть разрешена путем применения одного из нескольких различных альтернативных кодов команды управления. Кроме того, при последовательном применении необходимого числа таких альтернативных кодов команды управления, применение предыдущего альтернативного кода команды управления, если он оказался не способен разрешить текущую ситуацию, может создавать необходимые условия для применения последующего альтернативного кода команды управления и так далее. Все это особенно актуально при разрешении аварийных ситуаций (отказов) на управляемом объекте. Так как управляемый объект по своей природе является, в общем случае, сложной системой, отдельные элементы которой связаны между собой и взаимозависимы, аварийные ситуации, возникающие на этом объекте, как правило, также будут иметь сложный характер (например, групповой выход из строя оборудования). Применение в таких аварийных ситуациях лишь одного кода команды управления в большинстве случаев может оказаться недостаточно результативным. Это снижает функциональные возможности данного устройства и, следовательно, существенно сужает область его практического применения.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства путем выделения всех аварийных ситуаций, возможных для данного объекта управления, в отдельный класс эквивалентности ситуаций с последующим назначением для этого класса некоторого множества N различных альтернативных кодов команды управления (N≥2), каждый из которых, приводя в действие соответствующие ему средства, способен, с определенной вероятностью, разрешить текущую аварийную ситуацию. Альтернативные коды команды управления, назначенные для класса эквивалентности ситуаций, выделенных в качестве аварийных, заблаговременно упорядочиваются в последовательности их применения. При этом упорядочении учитывается, что в первую очередь рационально применять такой из альтернативных кодов команды управления, который мог бы обеспечить разрешение текущей аварийной ситуации при меньших затратах, т. е. путем применения более экономичных по стоимости и (или) по времени средств, по сравнению с последующим альтернативным кодом команды управления. В то же время каждый последующий код команды управления, более затратный, по сравнению с предыдущим, должен быть более эффективным, т.е. способным разрешить текущую аварийную ситуацию с большей вероятностью. Последовательное применение альтернативных кодов команды управления обеспечивает разрешение текущей аварийной ситуации с помощью какой-либо одной из альтернатив или подачу аварийного сигнала о том, что устройство не способно самостоятельно разрешить аварийную ситуацию, в случае, когда последовательное применение всех N назначенных альтернатив не привело к положительному результату. Число альтернативных кодов команды управления назначаемых для класса эквивалентности, соответствующего аварийным ситуациям, выбирается таким, чтобы, во-первых, охватить максимальное количество альтернативных способов их разрешения и, во-вторых, чтобы, в процессе последовательного перебора альтернативных кодов команды управления, время работы устройства, при заданном его быстродействии, не превысило некоторого максимального допустимого значения, которое может быть выделено для разрешения аварийной ситуации, и определяется особенностями каждого конкретного управляемого объекта.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве по авт. свид. СССР N 1278811 G 05 B 19/18, содержащее два регистра, блок управления и генератор тактовых импульсов, дополнительно введены элемент И устройства с одним инверсным входом, блок элементов ИЛИ, второй блок элементов И, N блоков формирования альтернативных кодов команды управления, счетчик и дешифратор, причем группа входов первого регистра подключена к группе входов кода ситуации устройства, группа выходов второго регистра подключена к группе выходов устройства, группа выходов счетчика адреса подключена к группам адресных входов первого, второго и третьего блоков памяти, группы выходов первого и третьего блоков памяти подключены соответственно к первой группе входов схемы сравнения и второй группе входов первого блока элементов И, группа выходов первого регистра соединена с первой группой входов первого блока элементов И, счетный вход счетчика адреса соединен с выходом элемента ИЛИ блока управления, первый вход которого соединен с первым входом элемента И блока управления и выходом схемы сравнения, вторые входы элемента ИЛИ и элемента И блока управления соединены между собой и подключены к выходу генератора тактовых импульсов, выход элемента И блока управления соединен с синхровходами первого и второго регистров, группа выходов первого блока элементов И соединена со второй группой входов схемы сравнения, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит элемент И устройства с одним инверсным входом, блок элементов ИЛИ, второй блок элементов И, N блоков формирования альтернативных кодов команды управления, счетчик и дешифратор, причем группа выходов блока элементов ИЛИ соединена с группой входов второго регистра, первая группа входов блока элементов ИЛИ соединена с группой выходов второго блока элементов И, группа входов которого соединена с группой выходов второго блока памяти, в блоке элементов ИЛИ выходы всех элементов объединены в группу выходов блока, первые входы всех элементов объединены в первую группу входов блока, а вторые входы всех элементов объединены во вторую группу входов блока, во втором блоке элементов И выходы всех элементов объединены в группу выходов блока, первые входы всех элементов объединены в группу входов блока, а вторые входы всех элементов соединены между собой и с входом управления этого блока, выходы всех блоков формирования альтернативных кодов команды управления имеющие одинаковые порядковые номера, соединены между собой и подключены к второй группе входов блока элементов ИЛИ, отдельный выход счетчика адреса соединен с входом управления второго блока элементов И, входом сброса счетчика и с инверсным входом элемента И устройства с одним инверсным входом, прямой вход которого соединен с выходом элемента И блока управления и синхровходами первого и второго регистров, выход элемента И устройства с одним инверсным входом соединен со счетным входом счетчика, группа выходов которого соединена с группой входов дешифратора, каждый из N выходов дешифратора соединен с входом управления соответствующего блока формирования альтернативных кодов команды управления, а N+1 выход дешифратора является выходом аварийной сигнализации устройства.

Функциональная схема адаптивного устройства управления изображена на фиг. 1; функциональная схема блока управления на фиг. 2; функциональная схема блока элементов ИЛИ на фиг. 3; функциональная схема второго блока элементов И на фиг. 4.

Устройство (фиг. 1) содержит первый регистр 1, первый блок 2 элементов И, третий блок 3 памяти, схему 4 сравнения, первый блок 5 памяти, счетчик 6 адреса, второй регистр 7, второй блок 8 памяти, блок 9 управления, генератор 10 тактовых импульсов, блок 17 элементов ИЛИ, второй блок 18 элементов И, N блоков 19 формирования альтернативных кодов команды управления, элемент И 20 устройства с одним инверсным входом, счетчик 21 и дешифратор 22.

Блок 9 управления (фиг. 2) содержит элемент ИЛИ 11 и элемент И 12, а также имеет входы 13 и 14 и выходы 15 и 16.

Блок 17 элементов ИЛИ (фиг. 3) содержит m элементов ИЛИ, а также имеет две группы входов и одну группу выходов.

Второй блок 18 элементов И (фиг. 4) содержит m элементов И, а также имеет группу входов, группу выходов и отдельный вход управления.

Существенное повышение быстродействия может быть достигнуто при такой схеме поиска, когда ищется не код ситуации, совпадающей с текущей, а целый класс эквивалентности, которому принадлежит текущая ситуация.

Классом эквивалентности ситуаций называется некоторое множество ситуаций Ksi

S₁, S₂, S_n} индуцирующих одинаковое решение R_i (имеющих одинаковый код команды управления). Характеристическими векторами класса Ksi называется пара векторов h_i и g_i таких, что выполняются соотношения:

где S_j двоичный вектор j-й ситуации класса Ksi
Вектор h_i(g_i) содержит единицу в K-ом разряде, если K-й разряд всех векторов ситуации S_j из данного класса Ksi содержит единицу (нуль). Тогда условие принадлежности текущей ситуации классу описывается следующим логическим выражением:
S_t& (h_i∨ g_i) = h_i (2)
Данное условие может быть сформулировано следующим образом. Ситуация S_t принадлежит классу Ksi в том случае, если код ситуации S_t имеет единицы во всех разрядах, в которых единицы имеет h_i, и не имеет единиц во всех тех разрядах, в которых единицы имеет g_i. Если для любой пары классов Ksi и Ksj (i≠j) выполняется h_i& h_j ≠h_j или g_i& g_j ≠g_i, то класс ситуации может быть однозначно определен из условия (2) без последовательного просмотра всех ситуаций и сразу выдана команда на органы управления.

Устройство работает следующим образом.

Двоичный вектор (код ситуации) от объекта управления поступает на информационные входы первого регистра 1. В момент окончания поиска предыдущей команды управления на входе 14 блока 9 управления появляется сигнал с уровнем логической единицы со схемы 4 сравнения, открывающий элемент И 12 в блоке 9 управления, и по заднему фронту очередного импульса от генератора 10 происходит запись кода команды управления со второго блока 8 памяти во второй регистр 7 и кода текущей ситуации в первый регистр 1. Если класс кода текущей ситуации совпадает с классом кода ситуации, записанной на предыдущем такте, то со схемы 4 сравнения по-прежнему поступает сигнал с уровнем логической единицы, и процесс повторяется, пока не изменится класс текущей ситуации. Все это время во втором регистре 7 сохраняется прежний код команды управления. При изменении кода текущей ситуации, меняющего класс ситуации, снимается логическая единица с входа 14 блока 9, запирается элемент И 12, прекращая запись информации в первый 1 и второй 7 регистры, а по заднему фронту сигнала на выходе 15 блока 9, формируемого элементом ИЛИ 11, наращивается на единицу содержимое счетчика 6 адреса. Далее по заднему фронту импульсов генератора 10, поступающих через элемент ИЛИ 11 на выход 15 блока 9, содержимое счетчика адреса продолжает наращиваться, обеспечивая последовательную выборку информации из первого 5, второго 8 и третьего 3 блоков памяти. При этом из блоков памяти выбираются вектор h_i, код команды R_i и вектор f_i= (h_i∨ g_i) соответственно. Вектор f_i поразрядно умножается на вектор текущей ситуации S_t в первом блоке 2 элементов И, с выходов которого поступает на второй вход схемы 4 сравнения, где происходит сравнение полученного вектора с вектором h_i, т.е. определение класса ситуации в соответствии с выражением (2). Счетчик 6 адреса работает циклически, обеспечивая последовательную выборку всех кодов команд R_i и всех векторов h_i и f_i. При совпадении вектора S_t& (h_i∨ g_i) с вектором h_i, формируется сигнал с уровнем логической единицы на выходе схемы 4 сравнения, который разрешает запись кода команды R_i во второй регистр 7 и запись кода новой ситуации в первый регистр 1. После этого процесс повторяется. До возникновения аварийной ситуации на управляемом объекте на отдельном выходе счетчика 6 адреса постоянно поддерживается уровень логической единицы. В качестве этого выхода может быть назначен один из группы выходов счетчика 6 адреса. При возникновении аварийной ситуации на управляемом объекте она идентифицируется (классифицируется) устройством и с отдельного выхода счетчика 6 адреса на вход управления второго блока 18 элементов И, вход сброса счетчика 21 и инверсный вход элемента И 20 устройства поступает сигнал с уровнем логического нуля. При этом второй блок 18 элементов И блокируется, запрещая запись информации из второго блока 8 памяти во второй регистр 7, а элемент И 20 устройства открывается, разрешая поступление синхроимпульсов с выхода 16 блока 9 управления на счетный вход счетчика 21. При поступлении первого синхроимпульса на счетный вход счетчика 21 его содержимое увеличивается на единицу, при этом уровень логической единицы устанавливается на первом выходе дешифратора 22 и поступает на вход управления соответствующего блока 19 формирования альтернативных кодов команды управления. При этом соответствующий этому блоку альтернативный код команды управления через блок 17 элементов ИЛИ поступает на группу входов второго регистра 7 для его перезаписи. После перезаписи первого регистра 1 и второго регистра 7 объект управления может быть выведен из аварийной ситуации, что будет идентифицировано устройством и на отдельном выходе счетчика 6 адреса установится уровень логической единицы. При этом счетчик 21 устанавливается в исходное состояние (сбрасывается в ноль), закрывается элемент И 20 устройства, снимается уровень логической единицы с первого выхода дешифратора 22, прекращая подачу альтернативного кода команды управления с выхода соответствующего блока 19 формирования альтернативных кодов команды управления, и на группу входов второго регистра 7 через второй блок 18 элементов И поступает код команды управления с выхода второго блока памяти 8.

Если же разрешение аварийной ситуации после применения первого альтернативного кода команды управления не произошло, уровень логического нуля на отдельном выходе счетчика 6 адреса сохраняется, на счетный вход счетчика 21 через элемент И 20 устройства поступает второй синхроимпульс и, аналогичным образом, осуществляется перезапись во второй регистр 7 второго альтернативного кода команды управления, т.е. вторая попытка вывести объект управления из аварийной ситуации. Так продолжается до тех пор, пока аварийная ситуация на объекте управления не будет разрешена, либо, если все N альтернативных кодов команды управления будут использованы, на N+1 такте работы счетчика 21 сигнал с уровнем логической единицы с N+1 выхода дешифратора 22 поступает на органы аварийной сигнализации (индикации) и обеспечит подачу сигнала о том, что устройство не способно самостоятельно разрешить аварийную ситуацию. При подаче сигнала аварийной сигнализации автоматически может быть произведено прекращение функционирования объекта управления, например, путем отключения электропитания, либо осуществлены необходимые мероприятия с участием человека-оператора.

Настройка предлагаемого устройства на реальную среду конкретного объекта управления осуществляется заданием для каждой ситуации S_j, встречающейся в технологическом цикле объекта управления, своего кода команды управления R_i. Однако эти коды не записываются в память непосредственно, а группируются в классы эквивалентности Ksi

объединяющие все ситуации, имеющие одинаковый код команды управления, и для каждой группы (класса) ситуации вычисляются характеристические векторы

При этом иногда могут появиться два неразличимых класса Ksi и Ksj (имеющих одинаковые характеристические вектора). В таком случае следует разделить один из классов на два Ks′i и Ks″i группируя ситуации таким образом, чтобы обеспечить несовпадение характеристических векторов классов (при этом приходится дублировать код команды R_i). Если все классы Ksi различимы, то информация о соответствующих каждому классу Ksi векторе h_i, коде команды R_i и векторе f_i= (h_i∨ g_i) заносится в последовательные адреса соответственно первого 5, второго 8 и третьего 3 блоков памяти.

Задание альтернативных кодов команды управления, назначаемых для класса эквивалентности, соответствующего аварийным ситуациям, осуществляется в процессе установки (монтажа) в устройство N блоков 19 формирования альтернативным кодов команды управления. Каждый из этих блоков при поступлении на его вход управления уровня логической единицы выдает на группу своих выходов соответствующий альтернативный код команды управления. В качестве таких блоков могут быть использованы простейшие комбинационные логические схемы (матрицы), диодные сборки, долговременные запоминающие устройства (ДЗУ). При разработке блоков 19 формирования альтернативных кодов команды управления в виде комбинационных логических схем, минимизацию этих схем целесообразно производить с использованием карт Карно или применяя другие методы.

В качестве счетчика 21 могут быть использованы различные микросхемы, например К155ИЕ5, а в качестве дешифратора 22 К155ИД3, используемая в предлагаемом устройстве схема взаимного включения счетчика 21 и дешифратора 22 является широкораспространенной и применяется, например, в электронных музыкальных звонках, в электронных часах, различных реле времени. Принципы построения остальных элементов также общеизвестны и приведены, например, в справочнике Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. М. Радио и связь, 1987, 552 с. Таким образом, реализация предлагаемого устройства трудностей не представляет.

Предлагаемое устройство предполагается использовать при управлении сложными техническими системами преимущественно с дискретным характером технологического цикла, например, поточными линиями, станками с числовым программным управлением и т.д.

Предлагаемое изобретение относится к системам автоматического управления и может быть использовано при управлении сложными техническими системами преимущественно с дискретным характером технологического цикла. Задача изобретения - расширение функциональных возможностей устройства путем выделения всех аварийных ситуаций, возможных для данного объекта управления, в отдельный класс эквивалентности ситуаций с последующим назначением для этого класса некоторого множества N различных альтернативных кодов команды управления (N≥2), каждый из которых способен, с определенной вероятностью, разрешить текущую аварийную ситуацию. Если последовательное применение всех N альтернативных кодов команды управления не приводит к разрешению текущей аварийной ситуации, устройство обеспечивает подачу аварийного сигнала. Устройство содержит два регистра, два блока элементов И, три блока памяти, схему сравнения, счетчик адреса, блок управления, генератор тактовых импульсов, элемент И устройства с одним инверсным входом, блок элементов ИЛИ, N блоков формирования альтернативных кодов команды управления, счетчик и дешифратор. 4 ил.

Адаптивное устройство управления, содержащее первый и второй регистры, первый, второй и третий блоки памяти, счетчик адреса, первый блок элементов И, схему сравнения, блок управления и генератор тактовых импульсов, причем группа входов первого регистра подключена к группе входов кода ситуации устройства, группа выходов второго регистра подключена к группе выходов устройства, группа выходов счетчика адреса подключена к группам адресных входов первого, второго и третьего блоков памяти, группы выходов первого и третьего блоков памяти подключены соответственно к первой группе входов схемы сравнения и второй группе входов первого блока элементов И, группа выходов первого регистра соединена с первой группой входов первого блока элементов И, счетный вход счетчика адреса соединен с выходом элемента ИЛИ блока управления, первый вход которого соединен с первым входом элемента И блока управления и выходом схемы сравнения, вторые входы элемента ИЛИ и элемента И блока управления соединены между собой и подключены к выходу генератора тактовых импульсов, выход элемента И блока управления соединен с синхровходами первого и второго регистров, группа выходов первого блока элементов И соединена с второй группой входов схемы сравнения, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит элемент И устройства с одним инверсным входом, блок элементов ИЛИ, второй блок элементов И, N блоков формирования альтернативных кодов команды управления, счетчик и дешифратор, причем группа выходов блока элементов ИЛИ соединена с группой входов второго регистра, первая группа входов блока элементов ИЛИ соединена с группой выходов второго блока элементов И, группа входов которого соединена с группой выходов второго блока памяти, в блоке элементов ИЛИ выходы всех элементов объединены в группу выходов блока, первые входы всех элементов объединены в первую группу входов блока, а вторые входы всех элементов объединены во вторую группу входов блока, во втором блоке элементов И выходы всех элементов объединены в группу выходов блока, первые входы всех элементов объединены в группу входов блока, а вторые входы всех элементов соединены между собой и с входом управления этого блока, выходы всех блоков формирования альтернативных кодов команды управления, имеющие одинаковые порядковые номера, соединены между собой и подключены к второй группе входов блока элементов ИЛИ, отдельный выход счетчика адреса соединен с входом управления второго блока элементов И, входом сброса счетчика и с инверсным входом элемента И устройства с одним инверсным входом, прямой вход которого соединен с выходом элемента И блока управления и синхровходами первого и второго регистров, выход элемента И устройства с одним инверсным входом соединен со счетным входом счетчика, группа выходов которого соединена с группой входов дешифратора, каждый из N выходов дешифратора соединен с входом управления соответствующего блока формирования альтернативных кодов команды управления, а (N + 1)-й выход дешифратора является выходом аварийной сигнализации устройства.