Введение к работе
Актуальность. УроЕень электрификации абсолютного больший-. ства современных судов чрезвычайно высок, поэтому работой судовых электроэнергетических комплексов (СЭЭК) во многом определя- . 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 уикроэлектронкой техники, в частности цифровых логических автоматов.
Перспективной элементной базой при реализации цифровых автоматов являются большие и сверхбольшие ' интегральные схемы (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 станозится разработка таких алгоритмов, которые могут . быть реализованы программными средствами в компьютерных систе-ма'х автоматизированного проектирования (САПР), моделирования и документирования проектов цифровых автоматов.
Эффективность использования САПР во многом определяется заложенными в них алгоритмами 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 техниче-
ских 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, цел&вой комплексной программой 0. Ц.С26 "Автоматизация управления технологическими процессами, производствами, машинами, станками и оборудованием с применением мини- и ыикро-ЭВМ", отраслевыми комплексными научно-техническими программами Миныорфлота П 05.6 "Разработка и освоение в эксплуатации систем и средств автоматизации судовых процессов и оборудования на базе микропроцессорной техники", и Шнсудпрома "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 пос&дов&'/ельмсчных конечных автоматов); описания соответству-щэй этим .системам 'коммуникационной среды. - бортовой вокальной
- З -сети; оценки возможностей применения и алгоритмов .функционирования систем диагностики и тестирования.
Для достижения цели исследований в диссертационной работе решены следующие основные задачи:
-
Выполнен анализ степени автоматизации управления СЭЭК, выделены обобщенные структуры и уровни иерархии управления, проведена конкоетизация составляющих частей СЭЭК, установлены их взаимосвязи.
-
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 MS-автоматов, разработаны новые эффективные методы синтеза и минимизации цифровых логических автоматов в базисе мультиплексоров-селекторов. Предложен также метод построения и эквивалентных преобразований деревьев МЗ-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 такай эвристический метод эквивалентных струїлур для минимизации последовательностных цифровых конечных автоматов на основе мультиплексоров-селекторов и типовых функциональных узлов.
. 5. Проанализированы машинные алгоритмы автоматизированного проектирования, моделирования и тестирования высокоинтегралькьк 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 дискре.тной элементной базе, на логических вентильных схемах, на микропроцессорах, на БИС и СБИС. Описаны структуры, архитектура, особенности и выделены целесообразные области применения каждого класса автоматов: ,
V. Проведены сравнительные испытания'реализованных' проек-тов цифровых йзтоматов 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 Минрыбхоза.
8. Оценены перспективные направления развития теории и ые- тодологиик 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.
Объектами исследований являются: судоеой элзгарознергетн- -ческий комплекс., состоящий из автономной многоагрегаткой электростанции, ее наиболее мощных потребителей, судовых электриче-ош приводов и их систем управления. Исследуются, также эле- . ментная база, цифровых логических автоматов и методы проеісгиро- / вания систем управления для различной степени, интеграции; от -дискретных элементов до сверхбольших интегральных схем. .
Методы иссладований. Обпенованнссть и достоверность науч
ных положений, выводов и,,результатов работы подтверждается кор-
рентным применением методов, базирующиеся ка использовании тео
рии конечных автоматов, булевой алгебры . и переключательных
схем. математического программирования.и моделирования, а также
экспериментальной проверкой .предложенных методов и алгоритмов,'
моделей и схемотехнических ранений'и положительным эффектом от
::>: внедрения. . '"'
Алгоритмизация объектов автоматизации СЭЭК 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 понятие универсальных логических модулей, с введением нового класса комбинационных М3~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 управления компонентами СЭЭК, 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 СЭЭК; предложим и обоснованы алгоритмы функционирования локальных управляющих автоматов.
Сведен класс .КБ-автоматов, состоящих из комбинационных пе-. реключательных схем с мультиплексорами-селекторами в качестве базовых ячеек матричных кристаллов СБИС, для них разработаны , методы и алгоритмы синтеза цифровых автоматов.
. Разработан метод минимизации цифровых MS-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 последовательпостных цифровых конечных автоматов, позволяющий существенно упрощать схемотехнические решения на' базе'мультипле-сссроз-се'лекторсв и типовых функциональных узлов.
Предложен алгоритм и создал пакет программ для персональ
ной 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 общепромьшленшім '. 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 программ 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 до
кументирования реализованы инструментальными средствами совре
менных 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. Разрабо
танные программные комплексы включены в отраслевой и в Госу
дарственный фонды алгоритмов и программ и могут быть применены
для исследования и проектирования цифровых автоматов также и в '
солепромышленных отмелях. .-
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 потребителей, 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 автоматов, конкретизованные в форме инженерных методик, позволяют существенно сократить время, затрачиваемое на проеістирование 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 СЗЭК, 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 Шнморфлота, 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 (NN 83-04-115 НТД; 84-36-115 НТД; 87-113-115 НТД; 87-127-115 НТГ; 83-125-115.НТД и 88-176-115 НТД). На данную документацию направили свои запросы и, затем, подтвердили ее использование следующие предприятия и организации:
-8-. П/0 "Югрыбхолодфлот" г. Севастополь;
ОКБ "Нефтехимавтоматика" г. Москва; СКТБ ШО "Тктан" г. Антрацит;
СКТБ "Барс" г. Выборг; '
ЦОКПТБ ВНПО "Ремдеталь" г. Глеваха Киевской обл.;
машиностроительные заводы г. Пенза иг.. Комбарка; .
организации п/я М-5729 г. Химки ЬЬсковской обл., п/я А-7615 г. Юрга 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 НТО-797, 1986 г. и N НТС-026, 1987 г.).
Цифровые системы управления' вентильными коммутаторыыи из первой партии были внедрены в Черноморском производственном объединении "Антарістика" 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 "Коммунист" в ходе выполнения НИР N 703 ОВИМУ (М ГР 01860012757). Три комплекта рзгулятороз установлены на т/х "Алексей .Толстой", два ч на т/х "Ыарнеули" и один злэктпонный регулятор установлен на т/х "Борис Горбатов". Работы выполнялись в соответствии с "Планом внедрения достижений науки. новой техники и передовой технологии по ЧМП на 1986 год" (часть 2, раздел 3, п. 39), утвержденным приказом начальника ЧИП N 4Е2 от 05.12.85 г.
Отдельные пакеты программ для ЭВМ внедрены в отраслевом (САПР-КД) и'Государственном фондах алгоритмов и программ (.Алгоритмы и программы.' - 11: ГПНТБ. 198Є, N 5, БД 014213».
Программный комплекс автоматизации проегаирования к доку-
квитирования д:;я персональной IBM-совместимой ЭВМ после 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 ' академии. Автор являлся руководителем творческих.' коллективов и разработчиком ,алгоритмического и программного обеспечения при 'выполнении НИР по договорам ОВИМУ от 15.03.89 г. II 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 решения 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, КПИ. 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"4 (Одесский политехнический институт, 1981 г.); на VI, VII и VIII Всесоюзных научно-технических конференциях "Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями" (г. Екатеринбург, УІН, 1S83, 19Ш л -J989 гг.); на Есесоюзьом научно-техническом семинаре "Применение микропроцессорных устройств Б промышленном агэга-роприБоде" ( г. Москва, ЭДКТЛ, !9?5 г.); га V
Всесоюзной.научно-технической конференции "Технические средства изучения и освоения океана: ' ОКЕАЮТЕХНИКА-85" ( ЛКИ.1985 г.); на межвузовской научно-технической конференции "Разработка и моделирование в технических и социально-экономических проблемах' освоения океана" (г. Владивосток, ДВШ, '1985 г.); на Всесоюзной ..научно-технической конференции "Конструирование и технология . микроэлектронных устройств" ( г. Рига, п/о "VEF", 1986 г.); на конференции "Вклад1 молодых ученых и специалистов в: ускорение научно-технического, прогресса и интенсификацию народного хозяйства" (г. Севастополь, СФ РДЭНТП,. 1987 г.); на межвузовской на-, учно-технической конференции "Проблемы автоматизации, эксплуаг тации и проектирования сложных систем танкеров" ( г. Владивос-" ток, ДВЕЙМУ, 1987 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции "Лэгическое проектирование систем упр?шления" (г. Севастополь, приборостроительный институт,' 1987 г.); на научно-методической конференции " Новые формы организации учебного процес-. са " (г. Николаев, ' НКИ, 1987 г.); на республиканской конферен-., ции "Компьютерная технология.обучения в высшей школе" (г. Сева-. стсголь, СФ РДЭЯТП, .1909, г.):; на IX и X Всесоюзных научно-методических семинарах "Инженерная и компьютерная /графика" ( г. Севастополь, СВВИМУ, 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' обсуждались и были
одобрены на технических и экспертных Советах следугщих научных,
. производственных . и эксплуатационных организаций: Черноморское
. морского пароходства (1983, 1986, и'. 1988 тг.), , Опытно-механиче
ского завода Южного НИИ-Морского флота (1987 г.'); научно-техни-
. ческого комплекса "Институт' кибернетики;, имени академика
ЕМ.Тлушкова" АН Украины"(1988 г.),' ЦНИИ "Румб" (1989 г.), ЦНИИ
им.' академика А. Н. Крылова (' 1990 г.), НПО "Квант" (1990 г.), а
также на заседаниях кафедр "Судовых электрических машин и авто
матизироианных приводов" ОГМА (1985 г.),' "Электрических машин и
судового электрооборудования" ЛИВТ (1987 г.), "Автоматики и вы
числительной техники" ГМА (1988, 19Э0-П92 гг. ). -''
С зарубежными специалистами отдельные задачи''и -разделы
диссертации обсуждались на Юбилейных научных сессиях Высшего
техничеокоі о университета" г. Варна (НРБ, 1983 й'1987 гг.). -на I
международной конференции "Обучение системам автоматизирование- .
''.'.' . - 11 -'. .
го проектирования в инженерных вуг;ах" (г. Тбилиси., Грузинский технический университет, 1987 г.), в институте микроэлектроники Болгарской Академии наук (г. София, І988 г.). на VI национальной научно-технической 'конференции с международным участгтем "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-про.мыш- " ленних' образцах автоматов: '_ .
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' пазильс:іа "Морской транспорт" на ВДНХ з 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 поді отовлено и
издано 11 брошюр учебно-методических пособий, поставлен новый
учебный курс. . '
Ряд научных работ переведен и опубликован в Болгарии, Фин-. ляндий, 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.