книги из ГПНТБ / Добролюбов, А. И. Автоматизация проектирования систем управления технологическими машинами

Дискретная функция V от т логических переменных, где т — число выходов РУ является комбинационной ло­ гической функцией К

Логическая функция X отражает работу датчиков — входных аппаратов РУ.

Каждый функциональный блок на рис. 11 является конкретным узлом технологической машины, назначени­ ем которого является отработка соответствующей этому блоку функции.

Механизм реализации функции блока всецело зависит от его структурных и конструктивных особенностей.

При составлении модели устройства, состоящего из отдельных функциональных блоков, к каждому составля­ ющему блоку возможен двоякий подход, зависящий от

модель должна отражать механизм взаимодействия уз­ лов, элементов и деталей рассматриваемого блока: долж­ на моделироваться внутренняя структура блока и функ­ ционирование его элементов.

Этот подход, -очевидно, должен применяться к блоку, когда задачей моделирования является, например, про­ верка его структуры, правильности взаимодействия его частей и общей логики работы конструкции. Критерием правильности структуры блока является выполнение бло­ ком его заданной передаточной функции.

2. Моделирование передаточной функции блока (функ циональный подход). В этом случае блок рассматрива­ ется как «черный ящик», его внутренний механизм не рассматривается и не моделируется. Задается лишь пе­ редаточная функция блока в целом. Очевидно, что функ­ циональный подход применим к тем блокам общей мо­ дели, внутреннее содержание которых не описывается данной моделью. Эти блоки рассматриваются как неде­ лимые элементы моделируемой системы.

Выбор того или иного подхода к моделированию функциональных блоков зависит от существа поставлен­ ной задачи.

В разрабатываемой нами модели технологической ма-1

1 Функция может зависеть не только от Z, но и от других пере­ менных процесса, например, координаты рабочего органа V=f(Z, S ), см. пример на с. 54. При построении общей модели технологической машины, если не оговорено особо, будем считать, что V=f(Z).

52

шины (рис. 11) к блокам 1—4 будет различный подход, в зависимости от того, входит ли в задачи нашей модели моделирование внутреннего механизма блока или дан­ ный блок рассматривается как «черный ящик» с задан­ ной передаточной функцией.

Блок 1 является по существу главным объектом на­ шей модели. Поэтому будет моделироваться внутреннее устройство этого блока вплоть до элементарных его час­ тей— логических аппаратов, контактов, кнопок, путевых выключателей и т. д.

Блок 2 моделирует механизм, обеспечивающий задан­ ные скорости рабочих органов как функцию состояний выходных аппаратов РУ. Конструктивно этот блок может быть выполнен, например, в виде гидравлической панели, управляемой электромагнитами (выходами РУ). Панель через систему регулирующих дросселей управляет испол­ нительными цилиндрами. В нашу задачу не входит мо­ делирование внутреннего устройства этого блока, поэто­ му он будет входить в нашу модель как «черный ящик». Его передаточная функция — это задание (например, в виде таблицы) величин скоростей рабочих органов в за­ висимости от наборов значений (состояний) выходных аппаратов РУ.

Блок 3 также будет входить в нашу модель как «чер­ ный ящик» с заданной аналитически функцией пути.

Блок 4 моделирует взаимодействие механических ор­ ганов машины с датчиками — входными РУ. Механизм этого взаимодействия играет главную роль в циклообра­ зовании технологической машины и поэтому является объектом нашего моделирования. Конструктивно этот ме­ ханизм может представлять собой, например, путевые аппараты, взаимодействующие с кулачками и копирами перемещающихся рабочих органов. Логические функции, описывающие поведение этих датчиков, учитывают конст­ руктивные размеры рабочих органов, конструктивные особенности датчиков, их размещение и т. п. Правильное функционирование этого механизма должно обеспечить требуемую передаточную функцию блока 4.

Таким образом, для составления модели технологи­ ческой машины необходимо знать следующее:

1. Структуру релейного устройства, реализующего функцию Zt=fi(Xt, Yt-i). Эта структура будет нами за­ даваться по методу, описанному в параграфе 2, т. е. спис­ ком «элементарных двухполюсников».

53

2. Функцию V = f2 (Z), являющуюся передаточной функцией узла формирования скоростей машины. Зада­ ется чаще .всего в виде таблицы.

3. Функцию S— fз (V, t), дающую зависимость пути от скорости и времени. Почти всегда известно аналити­ ческое выражение для этой функции. Чаще всего прини­ мает вид S=Vt.

Т а б л и ц а И

K F I I N LA D I F KF I Ш LA D I F

4. Функцию 2f=/4(S, t), заданную в виде логических функций, отображающих связь входных аппаратов РУ с координатами рабочих органов машины и временем. Эти функции отражают по существу «высказывания конст-

54

руктора» о назначении датчиков машины и внешних воздействий.

5.Информацию об исходном состоянии РУ, т. е. о состоянии РУ, с которого начинается моделируемый цикл машины. Это задание осуществляется таблицей, в кото­ рой перечислены состояния релейных аппаратов схемы в исходном состоянии.

6.Информацию об исходном состоянии в виде указа­ ния координат каждого рабочего органа в исходном со­ стоянии машины.

Обратимся к примеру простой технологической маши­ ны (силовой головки агрегатного станка), изображенной на рис. 6,а, которая управляется релейной схемой, изоб­ раженной на рис. 7. Работа машины и схемы управления подробно описываются функциональной циклограммой

(табл. 10).

Табл. 11 —14 и выражения

S = 5 0+ Vt\ K Y = t = 1;

Л 7 = 5 = 0;

A 2 ^ S ^ 4 ;

£ ___ g.

P B = (S = 8) A (0 > i) v (V<0) A (S # 0 )

представляют собой полную исходную информацию, не­ обходимую для моделирования работы этой машины и

еесхемы управления.

Втабл. 11 списком двухполюсников задана релей­ ная схема. Табл. 12 представляет собой функцию V=

=fz(Z, S) *. Рассмотрим пример (см. примечание на с. 52), когда скорость рабочего органа зависит не только от состояния выходного набора Z релейного устройства, но и от пути S. В данном случае жесткий упор К4 оста­ навливает рабочий орган в точке S = 8. Длительность ос­ танова определяется величиной задержки реле времени

РВ.

В общем случае, когда технологическая машина со­ стоит из W рабочих органов, функция V>=f2 (Z) является lF-значной.

Очевидно, что функционирование технологической ма­ шины в конкретном цикле моделируется последователь­ ностью значений функций Z, V, S, X для последователь-

* Так как табл. 12 дает значение V не для всех наборов аргу­ ментов S, Д1 и Z2, функция является не полностью определенной. Прочерк в таблице означает произвольное значение аргумента S.

55

ных моментов времени t—О, 1, 2,..., причем для каждого момента t значения этих функций связаны между собой в соответствии с характером функций f\, /2 , /з, h.

координата рабочего органа; X — входной набор, объеди­ няющий в себе состояния аппаратов КУ, At, А2, АЗ и РВ

машины (ТСТМ). Эта та-блица представляет собой сово­ купность взаимосвязанных последовательностей значе­ ний функций S, X, Z и V для моментов времени ^ = 0, 1, 2...

Порядок расположения переменных S, X, Z и Ув таблице не случаен, он определяется функциональной структурой технологической машины (рис. 11). Членами этих после­ довательностей являются последовательные значения вы­ ходов соответствующих блоков технологической машины при ее функционировании. Поскольку значения выходов каждого блока определяются значениями выходов пре­ дыдущих блоков (выход предыдущего блока является входом последующего), то в последовательности пере­ менных S, X, Z, V существует зависимость каждой пере­ менной от предыдущих. Предыдущей переменной для St является переменная Vt~\, т. е. круг зависимостей замк­

заполнение каждой строки ТСТМ заключается в после­ довательном вычислении этих функций. Результат этих

56

вычислений и представляет собой детерминированное преобразование Т(Р) текущего состояния технологиче­ ской машины в последующее.

Алгоритм построения ТСТМ изображен на рис. 12. Для фиксированного номера я элемента цикла и вре­

щему набору, то вычисляются выходные функции Zt и Е, и печатается следующая (ЛД> + 1)-я строка ТСТМ (блоки 5, 6, 7, 8, 9). Если входной набор не изменяется, снова проводятся те же действия для (/+ 1)-го момента време­ ни (циклический переход к блоку 2).

Если скорость изменилась, то это означает переход к новому (я+1)-му элементу цикла и повторение вычисле­ ний для этого элемента цикла при Д^=1, 2, 3... (блоки 10, 11, 12, 13, переход к блоку 2). Если скорость не из­ менилась, вычисления продолжаются для я-го элемента цикла (блок ТО, переход к блоку 2). Останов происходит

ся как достигнутое (последнее) значение текущей коор­ динаты S t предыдущего элемента цикла (блок 13).

Алгоритм построения ТСТМ для машины с нескольки­ ми рабочими органами (иД>1) принципиально ничем не отличается от алгоритма для машины с одним рабочим органом (рис. 12). В этом случае в блоке 3 происходят вычисления координат S t всех рабочих органов по фор­ муле 5i,w= 5 “ia, + En,ro At, где S t,w> Vn,w — коорди­

ната, начальное положение и скорость гш-го рабочего ор­ гана (w = 1, 2...) на я-м участке для времени t. В'блоке 8 определяются скорости Vn,w всех рабочих органов и за­ тем для каждого органа выполняется сравнение Vn,w — Vn-i,w и присвоение nw: = я ш+1, 5 ° w : = S t,w.

Форма представления полученной информации о ра­ боте технологической машины может быть различной в зависимости « от назначения и использования ее резуль­ татов.

Нами чаще всего используется форма записи работы машины в виде функциональной циклограммы, причем в каждой строке, кроме последовательности срабатываний релейных аппаратов, указываются также координаты ра­ бочих органов « их скорости (см. табл. 10).

57

4

4

Рис. 12. Блок-схема алгоритма построения ТСТМ

58

5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

Технологическую машину рассматривают как автома­ тическую систему, состоящую из двух разнородных по своей природе частей — механической системы и управ­ ляющего релейного устройства. Рассмотрим кратко про­ цесс конструирования технологической машины.

Всякая машина предназначается для выполнения конкретного технологического процесса. Заданный техно­ логический процесс позволяет инженеру-конструктору, руководствуясь опытом, инженерной интуицией и изуче­ нием прототипов, создать структуру механической части машины, ее кинематическую схему, а затем разработать ее технический проект. Правильно сконструированная машина должна выполнять заданную функцию — задан­ ный технологический процесс. При конструировании ме­ ханической системы выбирается число рабочих органов, их конструкция, способ крепления инструмента и обраба­ тываемых заготовок, способ загрузки-разгрузки, характер привода рабочих органов машины и т. д. Отвлекаясь от содержания процесса конструирования механической системы, можно считать, что его задачей является созда­ ние работоспособных конструкций, обеспечивающих за­ данное функционирование технологической машины.

На функциональной блок-схеме (см. рис. 11) техноло­ гической машины блоки 2, 3, 4 относятся к механической части машины.

Конструирование релейной управляющей схемы (блок 1) начинается после того, как принято определенное ре­ шение о структуре механической системы, т. е. принят определенный способ реализации блоков 2, 3, 4.

Выбранная конструкция механических органов ма­ шины позволяет определить требования к входным и вы­ ходным аппаратам управляющего РУ, найти число этих аппаратов, их расположение на машине. Иногда на зтой стадии проектирования уже можно определить функцио­ нальные свойства и типы этих аппаратов, т. е. конструк­ тор схемы управления получает от конструктора меха­ нической системы данные о входных и выходных аппара­ тах схемы.

Очевидно, что для конструирования схемы управления этих данных недостаточно. Необходимо — и это является главной трудностью формирования задания на проекти­ рование схемы-—сформулировать условия работы конст-

59

Р.уируемого ^релейного устройства, управляющего тех­ нологической машиной. Сформулировать условия работы управляющего РУ значит задать все возможные входные последовательности, которые могут иметь место при ра­ боте машины, и определить соответствующие этим вход­ ным последовательностям выходные последовательности.

Формулирование условий работы релейного устройст­ ва, управляющего технологической машиной, является сложной инженерной задачей, основная трудоемкость которой заключается в «стыковке» функционирования механической системы и управляющего РУ. В практике конструирования машин существуют различные методы задания информации на проектирование управляющего РУ. Эти методы, не будучи формализованными, не могут быть применены при автоматизированном проектирова­ нии, однако с успехом применяются при обычном, неав­ томатизированном проектировании. Часто информация записывается в виде временных циклограмм разного ви­ да, где с помощью условных обозначений задаются сос­ тояния 'входных и выходных аппаратов РУ при выполне­ нии технологической машиной каждого элемента цикла. Иногда дополнительно приводится упрощенная кинема­ тическая схема с нанесенными на ней обозначениями входных и выходных аппаратов, по которой можно опре­ делить взаимодействие органов машины с датчиками и установить требуемую последовательность работы РУ.

Автоматизированное (формализованное) проектиро­ вание РУ требует, очевидно, строго формализованного задания исходных данных, т. е. такого задания, которое однозначно определяет требования к РУ, вытекающие из характера и особенностей работы конструируемой тех­ нологической машины.

Наиболее известным формализованным языком запи­ си работы РУ в настоящее время является язык таблиц переходов [6, 15]. Таблица переходов и соответствующая ей таблица выходов позволяет сформулировать условия работы РУ для всех теоретически возможных последова­ тельностей. Таблица переходов является в настоящее время наиболее универсальным средством анализа и син­ теза РУ произвольного класса, однако оказывается слиш­ ком сложной при решении практических задач.

Для автоматического синтеза РУ авторами принят формализованный способ задания его работы в виде таб­ лиц устойчивых состояний (ТУС). В ТУС работа РУ за-

60

писывается в виде следующих друг за другом пар Хи Zt, где Xt — входной набор, Zt — еоответствующий ему вы­ ходной набор в момент t. ТУС (см. табл. 18) представля­ ется обычно в виде таблицы, в которой строки соответст­ вуют наборам Xt и Zt, а столбцы соответствуют отдель­ ным входным и выходным аппаратам.

Язык ТУС оказался удобной основой для синтеза ре­ лейных устройств, имеющих небольшое число входных последовательностей. Такими устройствами являются РУ, управляющие технологическими машинами. Кроме этого ТУС является удобным средством контроля синтезируе­ мых схем с помощью функциональных циклограмм: сос­ тояния аппаратов, записанные в ТУС и являющиеся ис­ ходным заданием на синтез схемы, должны совпадать с состояниями входных и выходны-х аппаратов на функци­ ональной циклограмме синтезированной схемы.

Специфическая особенность РУ, управляющего тех­ нологической машиной, заключается в том, что входная последовательность, действующая на РУ, не является не­ зависимой, а определяется тем технологическим процес­ сом, для которого предназначена машина, конструктив­ но-кинематическими особенностями рабочих органов ма­ шины, скоростями их движения, особенностью взаимо­ действия рабочих органов и входных аппаратов. То же относится и к выходной последовательности, характер которой полностью определяется технологическим цик­ лом машины и особенностями конструкции привода ра­ бочих органов. Все это чрезвычайно затрудняет построе­ ние ТУС для РУ технологической машины, т. е. затрудня­ ет составление задания на проектирование РУ.

Рассмотрим вопрос автоматического построения ТУС с использованием вышеописанных принципов моделиро­ вания комплекса механическая система — релейное уст­ ройство [11].

Обратимся снова к функциональной блок-схеме тех­ нологической машины (см. рис. 11), где каждый блок ре­ ализует некоторую передаточную функцию.

В п. 4 было показано, что если заданы функции S, X, Z и V и исходное состояние системы, то можно формаль­ ными методами (алгоритм на рис. 12) построить таблицу состояний технологической машины. Заметим, что столб­ цы X и Z в ТСТМ представляют собой таблицу последо­ вательных состояний входов и выходов релейного устрой­ ства, т. е. ТУС.

61