Синтез дискретной системы управления автоматом-перекладчиком с использованием прерывистых логических функций

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

В настоящее время возрос интерес к проблемам проектирования дискретно-логических систем управления промышленной электроавтоматики, реализуемой на различной элементной базе: релейно-контактных схемах, бесконтактных интегральных микросхемах и на основе программируемых логических контроллеров (ПЛК). Это сложная техническая задача, для решения которой разработчик должен хорошо владеть теорией устройств дискретного действия и математическим аппаратом алгебры логики.

Большинство практических примеров доказывают, что в современных станках автоматизированы многочисленные операции технологического обеспечения: управление автоматической сменой инструмента, управление переключениями в приводах главного движения, управление зажимными приспособлениями, охлаждением, смазкой, перемещением ограждений и др.

В данной курсовой работе производится синтез дискретной системы управления автоматом-перекладчиком с использованием прерывистых логических функций. На основании выданного задания разрабатывается структурно-кинематическая схема объекта управления, составляются таблицы включений. На основании таких таблиц строится начальная циклограмма, а после введения элемента памяти в подсистемы получается реализуемая циклограмма. Минимизация логических функций производится с помощью программы MINWIN-Professional. В процессе построения функциональной схемы устройства можно сделать вывод о целесообразности выбора. Выбранная схема реализуется с помощью системы ISaGRAF, после чего разрабатывается принципиальная электрическая схема устройства в системе P-CAD.

1. Структурно-кинематическая схема объекта управления

Синтез дискретной системы управления автоматом-перекладчиком будем производить с использованием прерывистых логических функций.

Система управления автоматом-перекладчиком состоит из двух приводов Д1 и Д2, которые включаются и выключаются попеременно, реализуя цикл работы механизма, который представлен на рисунке 1.1.

Рисунок 1.3 - Схема внешних связей дискретного автомата

2. Таблица включений

Составим таблицу включений с учетом сигнала блокировки P (Pusk). Если Рusk=0, то запуск автоматического цикла запрещен. Первое действие автоматического цикла (FX = 1) разрешается только при Рusk=1. Этот сигнал может поступать от кнопки «ПУСК», т.е. с пульта оператора, или от какой-либо другой подсистемы, являющейся частью общей системы управления.

Таблица 2.1 - Таблица включений дискретного автомата

На рисунке 2.1 в скобках обозначены виртуальные переключатели, благодаря которым две реальные переменные a и b можно заменить одним виртуальным переключателем a.

В сложных системах замена реальных переменных виртуальными сокращает общее число переменных, что упрощает процедуру минимизации логических функций.

В результате таблица включений будет иметь вид представленный в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Таблица включений с виртуальными переключателями

3. Начальная циклограмма работы механизма

На основании таблицы включений строим начальную циклограмму (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - Начальная циклограмма работы механизмов

Символы Рusk=1 над чертой, показывающей изменение состояния функций FX в первом такте, означает внешний сигнал блокировки Pusk.

4. Ввод элементов памяти в систему

Данная начальная циклограмма не может быть реализована, так как в строке повторяются суммы весов 2, 3, 4 и 8. Для исключения повторяющихся весовых коэффициентов вводим в дискретный автомат внутренние элементы памяти. Выпишем в ряд все весовые коэффициенты и отметим с помощью скобки такты, в которых следует включить и выключить внутренние элементы памяти (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 - Введение в дискретный автомат элементов памяти

Весовые коэффициенты 2, 3, 4 и 8 больше не повторяются. Следовательно, цель достигнута.

5. Реализуемая циклограмма работы механизма

Найденный ряд неповторяющихся весовых коэффициентов (рисунок 4.1, г) служит основой для построения реализуемой циклограммы [1]. Чтобы её получить, выполним следующие действия:

- запишем в строке ряд неповторяющихся весовых коэффициентов, в котором учтем дополнительные такты на включение и на выключение внутренних элементов памяти (рисунок 4.1, г);

- в верхней части циклограммы отметим горизонтальными линиями состояния входных и внутренних переменных исходя из того, чтобы суммы весовых коэффициентов в каждом такте были равны значениям, записанным в строке;

- в нижней части циклограммы с помощью коротких, равных длительности одного такта, линий укажем переходы выходных логических функций из состояния 0 в состояние 1, отмечая моменты этих переходов поперечными штрихами на левых концах линий.

Реализуемая циклограмма представлена на рисунке 5.1.

Номера тактов на включение и на выключение выходных элементов памяти в начальной и в реализуемой циклограммах совпадают.

В данном случае изменения состояния выходных элементов памяти выпали на такты, номера которых в реализуемой циклограмме представлены дважды, причем один отмечен звездочкой, а другой - нет. Согласно правилу, выберем в качестве рабочего такт, отмеченный звездочкой. В противном случае между выходным и внутренним элементами памяти могут возникать состязания (гонки). Если внутренний элемент памяти переключится раньше выходного (выиграет гонку), то он изменит состояние дискретного автомата и выходной элемент, возможно, не успеет переключиться. Надо отметить, что данное условие не распространяется на такты, отмеченные знаком блокировки типа Pusk.

Рисунок 5.1 - Реализуемая циклограмма

С помощью пунктирных линий на реализуемых циклограммах обозначены безразличные состояния логических функций [1].

Чтобы исключить совпадения единичных состояний логических функций на включение и на выключение одного и того же элемента памяти в одном такте, пунктирную линию на включение надо проводить с такта после обязательного включения до такта на обязательное выключение, а пунктирную линию на выключение - с такта после обязательного выключения до такта на обязательное включение каждого элемента памяти.

Из полученной реализуемой циклограммы видно, что для управления ОУ требуются 4 выходных элемента памяти с функциями включения, соответственно ,,, и с функциями выключения ,,,, а также 3 внутренних элемент памяти с функциями включения ,,, и с функциями выключения , , .

6. Минимизация логических функций с помощью программы MINWIN-Professional

Минимизируем логические функции, содержащиеся в полученной выше реализуемой циклограмме (рисунок 5.1) с помощью программы MINWIN-Professional.

После минимизации логических функций, перейдем от виртуальных переменных к реальным. Правило перехода от виртуальных переменных к реальным можно сформулировать так: виртуальные входные переменные, определяющие положения рабочих органов только в двух позициях надо заменить реальными входными переменными в соответствии с обозначениями, принятыми на структурно-кинематической схеме устройства. Применительно к рассматриваемому ОУ (рисунок 1.1) указанная замена выглядит так как показано на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1 - Схема замены виртуальных переменных реальными

Результаты минимизации приведены в таблице 6.1.

логический виртуальный автомат циклограмма

Таблица 6.1 - Результаты минимизации логических функций

7. Построение функциональной схемы дискретного автомата

Функциональная схема дискретного автомат состоит из пяти путевых переключателей, с которых поступают входные переменные а, b, c, d, c1, с2 и с3 выходных запоминающих элементов х, у, u, v, внутренних запоминающих элементов m1, m2, m3, 27 логических элементов «И», 10 логических элементов «ИЛИ».

Для того чтобы создать модель автомата-перекладчика в системе ISaGRAF необходимо выполнить следующие действия:

- указать наименование всех входных, внутренних и выходных переменных. В качестве входных переменных выступают сигналы с переключателей и кнопки «Пуск». В качестве выходных переменных приняты сигналы управляющие электроприводами автомата-перекладчика. Для хранения значений промежуточных расчетов используются внутренние переменные;

- поставить в соответствие наименование переменных виртуальным входным и выходным модулям;

- написание программы по полученным ранее результатам минимизации логических функций;

- компиляция полученной программы;

- запуск на исполнение.

8. Моделирование работы дискретного автомата с помощью системы ISaGRAF

В ISaGRAF заложена методология структурного программирования, которая дает возможность пользователю описать автоматизируемый процесс в наиболее легкой и понятной форме. Интерфейс с пользователем системы ISaGRAF соответствует международному стандарту, включающему многооконный режим работы, полнографические редакторы, работу с мышью и прочее.

Смоделировав работу дискретного автомата с помощью системы ISaGRAF, получим следующую распечатку результатов.

Полученные результаты моделирования показывают, что дискретная система управления манипулятором синтезирована верно в соответствии с заданным циклом работы механизма.

9. Система управления на элементах «И-НЕ»

Среди интегральных микросхем серии ТТЛ наиболее распространен активный элемент «И-НЕ». Наиболее удобным методом построения схем на элементах «И-НЕ» является предварительный синтез системы управления в базисе «И», «ИЛИ», «НЕ», а затем переход к базису «И-НЕ» по приведенному ниже правилу.

Если имеется готовая структура в базисе «И», «ИЛИ», «НЕ», то можно перейти к структуре в базисе «И-НЕ» с помощью графических преобразований, т. е. не прибегая к алгебраической записи логических функций [1]. Указанные преобразования следует выполнять в следующем порядке:

- инвертируются отдельные внутренние связи, входы и выходы:

1) инвертируются все внутренние связи между одноименными элементами «И» и «ИЛИ»;

2) инвертируются все входы, подаваемые непосредственно на элементы «ИЛИ»;

3) инвертируются все выходы, идущие с элементов «И».

- все элементы «И» и «ИЛИ» заменяются на элементы «И-НЕ» с соответствующим числом входов.

Смоделируем работу дискретного автомата в базисе «И-НЕ». Результаты получились абсолютно аналогичными как и в пункте 9.

10. Разработка принципиальной электрической схемы устройства в системе P-CAD

Схему полученную на девятом этапе данной работы составим в среде P-CAD Schematic.

P-CAD Schematic является подпрограммой P-CAD - системы автоматизированного проектирования (САПР) электроники производства компании Altium. Она предназначена для проектирования многослойных печатных плат вычислительных и радиоэлектронных устройств.

Для того чтобы создать схему автомата-перекладчика в системе P-CAD Schematic необходимо выполнить следующие действия:

- подключить к созданному проекту библиотеки содержащие требуемые элементы;

- по схеме полученной в ходе моделирования в ISAGRAF построить электрическую схему;

- все проводники вывести на разъем - для подключения датчиков и электроприводов.

Основными составными частями полученной схемы являются:

- цепь - представляет собой цепь входных, выходных или внутренних переменных;

- порт - представляет собой ответвление определенной сети;

- логический элемент - представляет собой некоторую часть цифровой микросхемы, выполняющую соответствующую функцию;

- пин - представляет собой вход либо выход логического элемента;

- разъем - представляет собой контактную панель на которую выведены необходимые для взаимодействия с внешней средой - сети.

Заключение

Был проведен анализ электрифицированного мехатронного узла: построена его кинематическая схема, составлена таблица включений, составлена начальная циклограмма и ее реализация с введением элементов памяти. Была произведена минимизация логических функций. Все это дало возможность промоделировать работу дискретного автомата. На основании результатов моделирования можно сказать, что система управления работает без ошибок, следовательно поставленная задача была выполнена.

В методе с прерывистыми логическими функциями использование на выходе дискретного автомата в качестве выходных элементов и элементов памяти статических триггеров позволяет избежать недопустимых состязаний, так как возникающие при состязании нулевые всплески не влияют на состояние триггера. В данной работе использовался метод синтеза дискретных систем, основанный на формировании прерывистых логических функций в сочетании с запоминающими элементами в виде триггеров.

Триггеры используются в многотактной системе, так как сигналы на выходе определяются не только сигналами на входе в данный момент, но и ранее поступившими входными сигналами. Таким образом, в многотактной системе при одинаковых воздействиях на входе на выходе могут быть разные сигналы. Чтобы реализовать такое свойство, многотактная система управления должна обладать памятью - способностью запоминать происшедшие ранее события.

Также преимуществом дискретных систем управления с прерывистыми логическими функциями, по сравнению с непрерывными, является отсутствие недопустимых состязаний цепей, благодаря использованию на выходе дискретного автомата в качестве выходных элементов и элементов памяти статических триггеров.

В процессе выполнения задания я получил навыки работы с программами ISaGRAF, P-CAD, MinWin Professional.

Рассмотренные методики пригодны для синтеза любых промышленных механизмов. В современных станках автоматизированы многочисленные операции: управление автоматической сменой инструмента, управление переключателями привода главного движения, охлаждением, смазкой и т.д.

Непосредственно система управления автоматом-перекладчиком может быть реализована в конвейерном производстве (в виде рабочего органа робота).

Список литературы

1. Чикуров Н.Г. Логический синтез дискретных систем управления: учеб. пособие для вузов / Н.Г. Чикуров. - Уфа: УГАТУ, 2003. - 132с.

Размещено на Allbest.ru