Курсовая работа: Управление сложными системами

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

КАФЕДРА ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕТРОНИКИ

Курсовая работа

«Управление сложными системами»

Выполнила: Ратникова С.А.

Проверил преподаватель

Цыганов Ю.К.

Москва 2005 г.

Задание на курсовую работу

1. Привести структурную схему РКК и основные требования технологического процесса, а также указать принцип работы приводов механизмов.

2. Изобразить функциональную схему СЛУ и структурную схему СМ.

3. Составить описание сигналов СЛУ.

4. Сформулировать условия функционирования оборудования РКК:

а) в символьном виде,

б) в двоичных кодах.

5. Разработать модель процесса управления РКК на сетях Петри с необходимыми пояснениями.

6. Привести результаты анализа сетей, полученные на лабораторном интерпретаторе в виде дерева достижимости маркировок.

1. Привести структурную схему РКК и основные требования технологического процесса, а также указать принцип работы приводов механизмов

К₂

Х₀₁

К₁ У₁ º º

К₃

Данный работоконвейерный комплекс состоит из трех конвейеров. К₁ состоит из четырех ячеек, заканчивающихся манипулятором М₁ с вертикальным перемещением схвата (подъем-опускание) в конвейеры 2 и 3.

Перемещение конвейеров осуществляется гидроприводом через храповой механизм (при обратном ходе штока конвейер не двигается).

Схваты манипуляторов выполнены по принципу вакуумной присоски. Управление схватами осуществляется переключением по сигналу клапана, соединяющего присоску с вакуумной магистралью. Манипулятор М₁ в среднем положении по горизонтали удерживается управляющими упорами У₁ и У₂ , которые убираются или устанавливаются с помощью электромагнита и возвращаются в исходное положение под действием пружины.

Цикл работы М₁ : исходным является положение схвата слева, перед запуском М₁ к какому-либо накопителю убирается соответствующий упор У₁ или У₂ , а после отработки манипулятора упор возвращается в исходное положение. Среднее положение М₁ в горизонтальной плоскости контролируется датчиком.

Конвейер К₂ имеет семь ячеек. На восьмой ячейке находится ТО₁ /УК₁ , имеющий два фиксированных положения в горизонтальной плоскости (исходное – отведено от конвейера, рабочее – подведено к конвейеру), которое также реализуется гидроприводом.

Цикл работы ТО₁ /УК₁ : подвод к конвейеру – технологическая операция – контроль качества – отвод от конвейера.

К₃ состоит из двенадцати ячеек. На четырнадцатой ячейке – ТО₂ , на семнадцатой – УК₂ , имеющие два фиксированных положения в горизонтальной плоскости.

Цикл работы ТО₂ : подвод к конвейеру – технологическая операция – отвод от конвейера.

Цикл работы УК₂ : подвод к конвейеру – контроль качества – отвод от конвейера.

На последнем этапе работы К₂ установлен М₂ , сортирующий бракованные и годные детали в соответствующие контейнеры Н₁ и Н₂ .

Исходным положением М₂ является положение вертикального захвата сверху, которое удерживается упором У₃ , который убирается при прохождении годной детали и устанавливается при поступлении брака.

Выполнение технологических операций и контроль качества обеспечивается локальными системами автоматического управления.

2. Изобразить функциональную схему СЛУ и структурную схему СМ

A I

H Z

Т – таймер;

ЛБ – логический блок;

РКК – работоконвейерный комплекс;

КИМ – блок контроля исправности механизмов;

СМ – следящая модель.

Следящая модель СМ отображает состояние накопителей и конвейеров (размещение и вид деталей в их ячейках); блок контроля исправности механизмов КИМ содержит информацию о неисправностях, возникающих при работе РКК; блок таймеров Т отсчитывает заданные выдержки времени. Логический блок ЛБ формирует управляющие воздействия на исполнительные органы РКК на основе информации от датчиков РКК, СМ, КИМ и таймеров, а также внешней информации (оператора, вышестоящих уровней управления и т.п.). при необходимости ЛБ корректирует содержимое СМ и КИМ при изменении состояния комплекса. Все сигналы, определяющие функционирование схемы составляют логические переменные, принимающие значение 0 и 1 и относятся к одному из следящих типов: сигналы от датчиков РКК (Х); управляющие сигналы на исполнительные органы (Z); сигналы, запоминаемые в СМ (Y) и КИМ (S); сигналы на включение таймеров (G); сигналы об истечении заданной выдержки времени (H); сигналы сообщения оператору (А) и команды оператора (I).

Схема СМ: лента L₂

лента L₁ а₅ а₈ а₁₁

а₁ а₃

а₁₂ а₁₄ а₁₇

лента L₃

3. Составить описание сигналов СЛУ

1 – К₁ ;

2 – М₁ ;

3 – ТО₁ /УК₁ ;

4 – ТО₂ ;

5 – УК₂ ;

6 – К₂ ;

7 – К₃ ;

8 – М₂ .

1. Управляющие сигналы ЛБ:

а)для ТО/УК

б) для манипуляторов М:

в) для конвейеров К:

1) Сигналы датчиков:

а) для ТО/УК:

б) для манипуляторов М:

в) для конвейеров К:

2) сигналы блока таймеров:

3) сигналы следящей модели:

4) сигналы блока КИМ:

5) сигналы связи с оператором:

4. Сформулировать условия функционирования оборудования РКК

Следящая модель для данного РКК состоит из линейных последовательностей (лент L₁ - L₃ ) ячеек памяти a_i , соответствующих конвейерам К₁ -К₃ .

До начала работы агрегатов ТО₁ /УК₁ , ТО₂ и УК₂ , в ячейках а₁ - а₈ , а₁₂ – а₁₄ и а₁₄ – а₁₇ может быть записан один из символов:

0 - отсутствие детали,

α ₁ - наличие детали.

Выполнение операции ТО₁ /УК₁ отображается записью в ячейку а₈ вместо символа α₁ вписывается символ:

α ₂₁ - годная деталь (если операция выполнена качественно),

α ₂₀ - брак (если операция выполнена некачественно).

В результате работы ТО₂ в ячейку а₁₄ вместо символа α ₁ вписывается символ:

α ₃₁ - годная деталь (при качественной обработке),

α ₃₀ - брак (при некачественной обработке).

Выполнение операции УК₂ отображается записью в ячейку а₁₇ вместо символа α₁ вписывается символ:

α ₃₁ - годная деталь (при качественной обработке),

α ₃₀ - брак (при некачественной обработке).

Таким образом, в ячейки лент L₁ , L₂ , L₃ могут быть вписаны символы из наборов:

а₁ – а₈ , а₁₂ – а₁₄ , а₁₅ – а₁₆ :{0, α ₁ }

а₉ – а₁₁ : {0, α ₂₁ , α ₂₀ }

а₁₈ – а₂₃ : {0, α ₂₀ , α ₃₀ , α ₃₁ }

Согласно технологическому процессу и требованиям к процессу управления программа работы РКК и его агрегатов в каждом цикле определяется некоторыми условиями (наличие, вид детали, отсутствие двойного брака и т.д.). Необходимо формализовать указанные условия, записав их в виде логических функций φ_k , правая часть которых содержит утверждения о наличии определенных символов в ячейках СМ. При истинности φ_k условие выполняется и реализуются соответствующие действия в РКК, а при ложности φ_k (невыполнении условия) эти действия не производятся. Анализ значений φ_k осуществляет ЛБ перед началом каждого цикла РКК.

Результаты формализации условий удобнее привести в таблице:

Условия работы РКК и его агрегатов:

Выражения φ_k составлены с помощью символьных переменных и констант, связанных знаками равенств и неравенств. Такое представление условий допустимо, если в составе СУ имеется универсальная ЭВМ. Применение для управления специальных контроллеров требует записи условий в виде функций логических переменных. Для этого случая состояние ячеек лент L₁ , L₂ и L₃ представим совокупностью двоичных переменных Y_i1 , Y_i2 , Y_i3 , (i=) и закодируем значениями указанных переменных:

Двоичные коды состояния ячеек СМ:

Каждое из равенств в правой части φ_k можно представить как функцию типа конституэнты единицы от переменных Y_i1 , Y_i2 , Y_i3 (см. правую часть таблицы двоичных кодов).

Пользуясь правилами описания конституэнт единицы, заменим в выражениях φ_k каждое равенство конъюнкцией для набора, при котором данное равенство истинно, а каждое неравенство – отрицанием такой конъюнкции. Здесь «~» означает, что аргумент Y_ij берется с инверсией, если он в этом наборе равен 0, и без инверсии, если аргумент равен 1.

Тогда формулы условий работы РКК примут вид:

Каждый цикл работы РКК начинается только из исходного положения (состояния) всех механизмов.

Это требование следует описать отдельной функцией (при её единичном значении будет начинаться новый цикл):

.

	М1 , М2

ЛБ вычисляет значения φ₁ – φ₁₅ и определяет программы работы всех агрегатов в каждом цикле. После отработки этих программ и перемещения конвейеров ЛБ вносит коррективы в СМ. Далее все операции в системе управления повторяются.

5. Разработать модель процесса управления данным РКК на сетях Петри

Основная задача, стоящая на данном этапе проектирования, заключается в составлении иерархии графов операций (сетей Петри), описывающих поведение РКК. Операции, реализуемые в комплексе, будем подразделять на простейшие и составные. К простейшим операциям относятся действия, инициированные однократным изменением значений логических переменных I,Z,G, а также выполнение сдвига содержимого лент в следящей модели и других математических операций. Формально простейшей является также "пустая" операция, соответствующая ожиданию ("пустая" позиция сети). Составные операции представляют собой совокупность простейших.

На верхнем уровне иерархической системы сетей большинство позиций соответствует составным операциям, т.е. являются стратифицированными. Они раскрываются сетями нижестоящего уровня иерархии, причем процесс раскрытия продолжается до тех пор, пока не будут получены сети, позиции которых соответствуют только простейшим операциям.

Разобьем управление РКК и соответствующую сеть Петри на три иерархических уровня:

I. Управление РКК;

II. Управление агрегатами;

III. Движение агрегатов.

Сеть первого уровня показывает общую синхронизацию работы агрегатов и разбивку цикла управления на такты. Сети второго уровня определяют логику запуска агрегатов и соответствующие варианты их работы. Сети третьего уровня описывают движение исполнительных механизмов.

Такая разбивка позволяет более компактно и наглядно изобразить процесс и оптимально (в функциональном смысле) реализовать его в общем случае различными средствами (программными или аппаратными).

Для наглядности и удобства представим иерархию сетей в виде дерева их отношений:

После составления модели процесса управления производятся математическое описание и анализ полученной сети.

На самом верхнем, I уровне управление производится по следующему алгоритму:

ТО1 /УК1

В комплексе, данном по условию задания, последовательно выполняемые технологические операции имеют различную длительность (отличающуюся в два раза). Для устранения задержки технологи "расшивают" узкое место, ставя параллельно два конвейера с идентичными "медленными" агрегатами. При этом получается данная схема РКК, где перемещение К₁ в два раза выше, чем К₂ и К₃ .

За общий цикл работы данной схемы два раза сдвигается конвейер К₁ один раз отрабатывают агрегаты ТО₁ /УК₁ , ТО₂ и УК₂ , один раз сдвигаются конвейеры К₂ и К₃ . Манипуляторы М₁ и М₂ также имеют две последовательные фазы работы.

Если при включенном комплексе в начале цикла какой-либо из механизмов не находится в исходном положении, то I_{1 13} =1, открывается переход t₆ и маркер попадает в позицию р₁₃ . При этом оператору выдается сигнал А₀ об аварии и показания всех датчиков исходного положения. После устранения неисправности и нажатия кнопки послеаварийного пуска I₀ =1,открывается переход t₇ и маркер возвращается в р₁₂ .

Если I₁ φ₁₃ =1, то через цепочку t₅ – p₁ – t₁ маркер попадает в позиции р₂ , p₃ , p₄ , инициируя одновременную работу конвейеров К₁ , К₂ и К₃ .

Проследим последовательно все ветки дерева управления РКК.

Сеть N₂ (II уровня) для управления К₁ :

Если в ячейке Я₁ на входе конвейера К₁ есть заготовка, то Х₀₁ =1, открывается переход t₉ , и маркер проходит в позицию р₁₅ , где инициируется запись в СМ а₁ := a₁ о наличии заготовки в Я₁ конвейера К₁ . Далее через t₁₁ маркер попадает в р_17, и начинается движение К₁ .

Если в ячейке Я₁ на входе конвейера К₁ заготовки нет, но включен режим непрерывной работы, то ₀₁ I₂ = 1, и маркер через t₁₀ проходит в р₁₆ , при этом в СМ производится запись а₁ :=0 об отсутствии детали в Я₁ конвейера К₁ . Далее также инициируется движение конвейера К₁ .

При отсутствии заготовки на входе и режиме "по поступлению детали" ₀₁₂ = 1, и маркер через переход t₈ попадает на выход сети (позиция р₂₀ ), не вызывая движения конвейера К₁ .

После перемещения конвейера на переходах t₁₃ – t₁₄ анализируется сбой К₁ по значению переменной S₄ , которое формируется в сети N₁₁ третьего уровня. Если S₄ =1 (сбоя нет), маркер проходит в р₁₈ , инициируя сдвиг содержимого ленты L₁ на три двоичных ячейки (У_i1 , У_i2 , У_i3 ) вправо. В случае сбоя ₄ = 1, маркер через переход t₁₄ попадает в р₁₉ , при этом оператору выдается сигнал А₄ об аварии на К₁ . После устранения неисправности и нажатия кнопки послеаварийного пуска I₀ =1, маркер проходит в р₁₈ с выполнением соответствующих действий в СМ и далее – на выход сети.

Сеть N₁₁ (III уровня), для описания движения К₁ (и по аналогии – N₁₂ и N₁₃ , движение К₂ и К₃ ):

Верхняя ветвь сети N₁₁ описывает управление гидроприводом К₁ . В позиции р₉₀ выдается сигнал Z₄₁ :=1 на рабочий ход штока гидроцилиндра. После ответа датчика Х₄₁ =1 о его выполнении маркер через t₁₀₈ проходит в р₉₁ , где выключается рабочий ход (Z₄₁ : = 0) и включается возврат (Z₄₀ : = 1) штока гидроцилиндра. При появлении сигнала Х₄₀ = 1 о возврате штока маркер через t₁₁₀ попадает в p₉₂ , при этом отключается подача жидкости в гидроцилиндр.

Нижние ветви сети служат для контроля времени движения штока. В позиции р₉₀ одновременно с сигналом Z₄₁ : = 1 включается таймер G₄ :=1 и S₄ присваивается значение 0. Если все действия гидропривода уложились в контрольное время τ₄ (Н₄ =0), то переходы t₁₀₉ и t₁₁₁ закрыты, и маркер проходит по верхней ветви, где в р₉₂ переменной S₄ присваивается значение 1 (сбоя нет). Если же выдержка τ₄ истекла (Н₄ =1), а какой-либо из датчиков Х₄₁ или Х₄₀ не ответил, открывается соответствующий переход (t₁₀₉ или t₁₁₁ ), и маркер по нижней ветви уходит в р₉₃ . При этом выполнение операции прекращается и переменная исправности конвейера К₁ остаётся S₄ :=0 (сбой).

Сети N₁₂ и N₁₂ , описывающие движение К₂ и К₃ , по конфигурации идентичны сети N₁₁ и работают аналогично.

Сеть N₃ и N₄ (II уровня) для управления К₂ и К₃ :

t2 7

Сеть N₅ (II уровня) для управления ТО₁ /УК₁ :

При наличии детали в ячейке Я₈ конвейера К₂ и отсутствии брака ТО₁ в двух предыдущих циклах подряд, φ₁₁ φ₁ = 1, маркер через переход t₂₇ попадает в позицию р₃₀ , инициируя работу TO₁ / УК₁ .

После отработки TO₁ /УК₁ анализируется наличие сбоя и качество операции. При отсутствии сбоя и удовлетворительном качестве S₁ X₁₂ =1, маркер через t₂₉ проходит в р₃₁ , при этом в СМ производится запись а₈ :=α₂₁ (годная деталь). Если качество операции неудовлетворительное, то S₁₁₂ =1, маркер попадает в позицию р₃₂ , где производится запись а₈ =α₂₀ (брак), далее – на выход сети.

В случае сбоя (₁ =1) открывается переход t₃₁ , и маркер попадает в позицию р₃₃ . При этом оператору выдается сигнал А₁ об аварии в ТО₁ и значения переменных S₁ и φ₁₁ , а также в СМ производится запись а₈ :=0 (при ремонте деталь удаляется из ячейки наладчиком). После устранения неисправности оператор дает сигнал I₀ =1, и маркер через t₃₅ попадает на выход сети.

Если перед началом работы TO₁ /УК₁ обнаружен двойной брак ТО₁ (в двух предыдущих циклах), ₁₁ = 1, то маркер через открытый переход t₃₂ попадает в р₃₃ , инициируя действия, описанные для случая сбоя, без запуска агрегата ТО₁ /УК₁ .

Если перед началом работы TO₁ /УК₁ обнаружено отсутствие детали в Я₈ конвейера К₂ , и не было двойного брака ТО₁ в предыдущих циклах, маркер через t₂₈ (φ₁₁ =1) пропускается на выход сети без запуска TO₁ /УК₁ .

Сеть N₆ (II уровня) для управления ТО₂ :

	φ12 φ2

При наличии детали в ячейке Я₁₄ конвейера К₃ брака ТО₂ в двух предыдущих циклах подряд, φ₁₂ φ₂ = 1, маркер через переход t₃₆ попадает в позицию р₃₆ , инициируя работу TO₂ .

После отработки TO₂ анализируется наличие сбоя. При отсутствии сбоя S₁ =1, маркер через t₃₇ проходит в р₃₇ , при этом в СМ производится запись а₈ :=α₁ .

В случае сбоя (₁ =1) открывается переход t₄₀ , и маркер попадает в позицию р₃₉ . При этом оператору выдается сигнал А₁ об аварии в ТО₂ и значения переменных S₁ и φ₁₂ , а также в СМ производится запись а₁₄ :=0 (при ремонте деталь удаляется из ячейки наладчиком). После устранения неисправности оператор дает сигнал I₀ =1, и маркер через t₄₁ попадает на выход сети.

Если перед началом работы TO₁ / обнаружен двойной брак ТО₁ (в двух предыдущих циклах), ₁₂ = 1, то маркер через открытый переход t₃₇ попадает в р₃₃ , инициируя действия, описанные для случая сбоя, без запуска агрегата ТО₁ /УК₁ .

Если перед началом работы TO₁ /УК₁ обнаружено отсутствие детали в Я₁₄ конвейера К₂ маркер через t₃₉ (φ₁₂ =1) пропускается на выход сети без запуска TO₂ .

	р45

При наличии годной детали в ячейке Я₁₇ конвейера К₃ и отсутствии брака ТО₂ в двух предыдущих циклах подряд, φ₁₂ φ₃ = 1, маркер через переход t₄₂ попадает в позицию р₄₁ , инициируя работу УК₂ .

После отработки УК₂ анализируется наличие сбоя и качество операции. При отсутствии сбоя и удовлетворительном качестве S₁ X₁₅ =1, маркер через t₄₄ проходит в р₄₂ , при этом в СМ производится запись а₁₇ :=α₂₁ (годная деталь). Если качество операции неудовлетворительное, то S₁₁₅ =1, маркер попадает в позицию р₄₃ , где производится запись а₁₇ =α₂₀ (брак), далее – на выход сети.

В случае сбоя (₁ =1) открывается переход t₄₆ , и маркер попадает в позицию р₄₄ . При этом оператору выдается сигнал А₁ об аварии в ТО₁ и значения переменных S₁ и φ₁₂ , а также в СМ производится запись а₁₇ :=0 (при ремонте деталь удаляется из ячейки наладчиком). После устранения неисправности оператор дает сигнал I₀ =1, и маркер через t₅₀ попадает на выход сети.

Если перед началом работы УК₂ обнаружен двойной брак ТО₂ (в двух предыдущих циклах), ₁₂ = 1, то маркер через открытый переход t₄₇ попадает в р₄₄ , инициируя действия, описанные для случая сбоя, без запуска агрегата УК₂ .

Если перед началом работы УК₂ обнаружено отсутствие детали в Я₁₇ конвейера К₃ , и не было двойного брака ТО₁ в предыдущих циклах, маркер через t₂₈ (φ₁₂ =1) пропускается на выход сети без запуска УК₂ .

Сеть N₁₄ (III уровня) для описания простейших действий ТО₁ /УК₁ :

Сеть N₁₅ (III уровня) для описания простейших действий ТО₂ :

Сеть N₁₆ (III уровня) для описания простейших действий УК₂ :

При φ₆ = 1 (Я₅ конвейера К₂ – пустая) маркер через переход t₅₂ проходит на выход сети, не вызывая работу манипулятора М₂ .

Если в последней ячейке Я₁₁ конвейера К₂ – годная деталь, то φ₆ = 1, и через t₅₁ маркер попадает в р₄₇ . При этом включается электромагнит на опускание упора У₃ . После ответа датчика Х₅₁₁ =1 маркер проходит в р₄₈ , инициируя М₂ на переноску годной детали в накопитель Н₂ . В случае сбоя ₅ = 1, в р₅₀ обрабатывается аварийная ситуация. При отсутствии сбоя S₅ =1 (и после аварийного пуска) маркер попадает в р₅₂ , где отключается электромагнит, и управляемый упор У₃ возвращается в исходное положение (вверх), что контролируется сигналом датчика Х₅₁₀ = 1.

Нижняя ветвь сети реализует работу М₂ по переноске брака в накопитель Н₁ . Отличие состоит в том, что во время переноски бракованной детали нельзя убирать (опускать вниз) упор У₁ . Поэтому нижняя ветвь состоит только из работы манипулятора, описываемой сетью III уровня N₁₈ , и проверки качества работы (с аварийной остановкой РКК в случае сбоя).

Сеть N₁₇ (III уровня) для описания простейших действий М₂ представлена на следующей странице.

Верхняя ветвь этой сети описывает простейшие действия М’₂ по переноске годной детали в накопитель Н₂ и соответствующие сигналы СУ.

Нижняя ветвь служит для контроля времени выполнения операции. Структурно и функционально сеть N₁₇ подобна сетям N₁₁ и N₁₄ .

Сеть N₁₈ , описывающая движение М”₂ (по переноске брака в накопитель Н₁ ), отличается от сети N₁₇ отсутствием необходимости возврата манипулятора в исходное среднее положение (так как исходным является положение над Н₁ ), и проверкой на среднее положение при движении вправо (а не на крайнее правое). В остальном же функционирует аналогично. Эта сеть также приведена на следующей странице.

При φ₅ = 1 (Я₄ конвейера К₁ – пустая) маркер через переход t₆₃ попадает в позицию р₅₆ , где первой ячейке конвейера К₂ присваивается нулевое значение. После этого маркер проходит на выход сети, не вызывая работу манипулятора М₁ (этот такт манипулятор простаивает).

Если в последней ячейке Я₄ конвейера К₁ имеется деталь, то φ₄ = 1, и через t₆₂ маркер попадает в р₅₅ . При этом включается электромагнит на опускание упора У₁ . После ответа датчика Х₄₁₁ =1 маркер проходит в р₅₇ , инициируя М₁ на переноску детали с конвейера К₁ на конвейер К₂ . При отсутствии сбоя S₄ =1 в позиции р₅₈ производится переписывание информации из а₆ в а₁₃ . В случае сбоя ₄ =1, в р₅₉ обрабатывается аварийная ситуация, после чего маркер всё равно попадает в позицию р₅₈ . Далее в р₆₀ отключается электромагнит, и упор У₁ возвращается в исходное положение (вверх), что контролируется сигналом датчика Х₄₁₀ = 1.

Сеть N₁₀ , описывающая движение манипулятора М”₁ к конвейеру К₃ , аналогична сети N₉ .

Сети N₁₉ , N₂₀ простейших движений М’₁ и М”₁ аналогична сети N₁₈ движения М”₂ .