Временная избыточность цифровых систем управленияЦифровые методы обработки, передачи, хранения информации являются наиболее перспективными технологиями, что подчеркивается развитием аппаратных средств, оптимальные параметры которых сочетаются с высокой степенью надежности, достоверности передачи информации, ее хранения, обработки и динамикой адаптации к возрастающим требованиям, которые наиболее заметны в системах автоматики на железнодорожном транспорте. Масштабы информатизации в отрасли для получения максимальных преимуществ требуют однородных технологий в управляющих системах различного уровня иерархии. Применение бортовых цифровых, специализированных компьютеров позволяет обеспечить работу однородной среды по обработке оперативной бортовой информации в процессе движения, в т.ч. диагностической, по управлению движением ЭПС, по передаче и приеме через канал связи объема информации, необходимого для обеспечения безопасности движения. Цифровые компьютеры общего назначения обладают аппаратной и информационной избыточностью с использованием их в качестве бортовых, что приводит к стоимостной избыточности, к снижению надежности в обработке информации и к неоправданному недоиспользованию возможности компьютеров. В этой связи наиболее рациональным является применение специализированного цифрового бортового компьютера, структура которого соответствует конкретным задачам управления ЭПС, в том числе управления бортовыми тяговыми тиристорными преобразователями. Цифровые системы управления (ЦСУ) тиристорными преобразователями ЭПС представляют собой специфический класс цифровых автоматов, функционирование которых характеризуется совместной работой двух автоматов, один из которых реализует независимую переменную, другой подынтегральную функцию. Любой дискретный автомат задается тремя множествами. В отличие от классического описания конечного автомата для рассматриваемых автоматов эти множества нами определены как: • множество возможных входных сигналов, как множество МТ f11…2n1 (х1, х2,.., хп1), число входных сигналов которого определяется рангом переключательной функции f1 (хп1) и равно числу конституент единицы, реализуемых независимой переменной; • множество возможных внутренних состояний второго автомата, как множество МР f21…2n1 (y1, y2,.., yп2) состояние которого определяет диапазон регулирования, максимальная величина которого равна D = 1…2n2, определяемая рангом переключательной функции f2 (yп2); • множество возможных выходных сигналов, как пересечение двух множеств М = МТ ∩ МР (т.е. совместная работа двух конечных автоматов). Множество М f1(х1, х2,.., хп1) ∩ f21…2n1 (y1, y2,.., yп2) определяет собой диапазон изменения выходного напряжения тяговых преобразователей ЭПС. Одной из основных нагрузок бортового компьютера является управление тяговыми тиристорными преобразователями ЭПС. Поэтому структура компьютера в основном определяется именно этой функцией. Для сравнения различных структур ЦСУ (цифровых автоматов) используются различные функциональные размерные критерии. Одним из таких обобщенных показателей является информационная мощность, введенная Л.П. Крайзмером, которая определяется как произведение емкости запоминающих устройств в битах NБ на предельную (максимальную) частоту обращения (fОБ):
Как правило, подобному сравнению подвергаются ЦСУ, характер работы которых одинаков. Исследования режимов работы ЦСУ ЭПС показывают, что этот показатель не может в полном объеме характеризовать рациональность структуры ЦСУ ЭПС. Прежде всего это объясняется тем, что частота обращения f21для любой структуры ЦСУ ЭПС будет одинакова и постоянна, так как определяется частотой переключения тиристоров преобразователя и разрядностью, которая также для конкретного типа ЭПС будет выбрана одинакова. Поэтому для одного и того же ЭПС и одной и той же структуры ТИР МР f21 =const. Исследования показывают, что для формирования управляющих импульсов в ЦСУ используется интервал времени, равный лишь шагу дискретизации tс=δ =T/2n. Остальное же время Т-tc= tиз система «ждет» очередного цикла, что отражено заштрихованной частью на рис. 1,а, представленного для традиционного построения ЦСУ ЭПС, т.е. для m-фазной системы управления полезно используется тδ интервалов времени всей системы и т(T-δ) является избыточным временным интервалом для всей ЦСУ в целом. Как видно из рис. 1,а, полезно используемый интервал времени 5 для всей системы никогда не совпадает во всех фазах при смещении работы соседних фаз на (1/m)Т, что m является необходимым для устранения мешающего влияния на ТСЖАС.
Рис. Диаграмма использования емкости ЦСУ при различном построении Для оценки различных принципов построения ЦСУ ЭПС и для изучения путей развития этих систем введем понятие временной избыточности ЦСУ ЭПС. Так, если принять интервал времени, равный периоду переключения тиристоров, как временный объем ЦСУ ТИР (одной фазы ТИР) Q=T, что для m фаз равно Qm=mT, то интервал времени W = Т - δ, который не используется в процессе управления, назовем временной избыточностью ЦСУ ТИР. Анализируя использование временного объема Qk ЦСУ ТИР при традиционном построении ЦСУ (рис. 1,а), когда для каждой фазы ТИР формируются управляющие импульсы в каждом канале, временную избыточность для одного канала при классическом построении ЦСУ можно обозначить как:
или для m фаз:
т.е. при классическом построении ЦСУ ТИР временная избыточность m каналов управления в относительных единицах равна временной избыточности одного канала. Временная избыточность для рассматриваемого случая при m=4 представлена заштрихованной областью на рис. 1,а, которая характеризует собой диапазон, в котором формируются управляющие импульсы для обеспечения регулирования во всем диапазоне 0 < у < 1. При этом полезно используется лишь временной интервал, равный δ. Причем необходимо отметить, что при управлении m-фазным ТИР при смещении работы фаз на (1/m)Т никогда не происходит пересечение эквивалентных множеств МТ1…2n1;МТ1…2n2; в различных каналах одновременно. Исследования показали возможность сокращения временной избыточности ЦСУ ЭПС без сужения диапазона регулирования путем формирования переключательных функций в каждом канале лишь в пределах одной зоны, на которые разбит весь диапазон регулирования, с последующим последовательным переключением каналов управления при изменении длительности импульсов. При этом диапазон регулирования, в котором необходимо сформировать сдвигаемые импульсы во времени равен 0≤γ≤ 1/m по числу зон, на которые разбит весь диапазон, число которых может быть и не равно числу фаз. Разбиение на зоны также является целесообразным и для однофазных ЦСУ при большой разрядности ЦСУ При одном и том же временном объеме временная избыточность ЦСУ в этом случае сокращается. Для одной фазы ТИР ЭПС эта избыточность составляет:
Для m-фазной ЦСУ временная избыточность при разбиении на зоны и с последующим переключением каналов составляет:
Рис. Временные диаграммы формирования у с использованием принципа переключения канала управления Однако анализ переключательных функций, формируемых в ЦСУ ТИР ЭПС, при реализации принципа управления ТИР с разбиением на зоны регулирования (переключения каналов) показывает что число переключательных функций, формируемых в пределах одной зоны (любой из числа mn) по числу f(x, у)=2n1/m, является достаточным чтобы обеспечить изменение коэффициента заполнения ТИР в прежнем диапазоне 0 ≤ γ ≤ 1,0 во всех фазах. Это достигается путем многократного использования (т раз) сформированного коэффициента заполнения ТИР в одном канале (в одной зоне) для всех каналов в этом случае построения ЦСУ ТИР ЭПС, циклически повторяя одно и то же значение коэффициента заполнения т раз, удается существенно сократить временную избыточность ЦСУ ТИР. Необходимо отметить, что формирование одного и того же коэффициента заполнения в одном канале для всех фаз не подразумевает формирование одного и того же коэффициента заполнения во всех фазах. Учитывая, что всегда имеется разброс параметров по цепям обратных связей, всегда будет формироваться «свой» коэффициент заполнения для каждой фазы ТИР, что будет осуществляться лишь в единственной регулируемой зоне. Временная избыточность такой ЦСУ ТИР ЭПС сокращается и равна: для одного канала: для т каналов: В относительных единицах временная избыточность многофазной ЦСУ при построении по циклическому принципу составляет:
Исследования показывают, что при большой разрядности ЦСУ при использовании циклического принципа построения, число переключательных функций для обеспечения сдвига импульсов в пределах одной зоны остается достаточно большим. Возможно дальнейшее уплотнение использования временного объема ЦСУ ТИР ЭПС путем разбиения единственной оставшейся регулируемой зоны на два звена в соответствии. при этом происходит использование одних и тех же ступеней регулирования в пределах одной зоны дважды, так называемый каскадный принцип управления. Такое построение ЦСУ ТИР ЭПС позволяет снизить временную избыточность одного канала ЦСУ до:
Для m-фазной системы временная избыточность при этом будет равна:
Для сопоставления показателя временной избыточности рассмотренных принципов построения ЦСУ ТИР произведем расчеты для случая: п1 = 5…10, т=1…4, fф=100 Гц. В табл.1 сведены результаты этих расчетов, которые показывают, что с увеличением ранга переключательных функций f1 (разрядности ЦСУ — независимой переменной) временная избыточность ЦСУ ТИР увеличивается, а для традиционного и для принципа переключения каналов (зонное регулирование) построения ЦСУ — не зависит от числа фаз (зон). Как видно из табл. 1, наиболее полное использование временного объема ЦСУ ТИР — при каскадном построении, причем по отношению к классическому построению систем управления временная избыточность, например, при п1=6, меньше в 63 раза, при п1 = 10 — в 33 раза. Достаточно полное использование временного объема также—при циклическом построении и с переключением каналов управления (рис.3). Причем, если для системы управления с переключением каналов управления временная избыточность одного канала равна каналам, то при двух других способах W* с увеличением числа фаз уменьшается, что легко прослеживается из рис.3. Представленные на рис.4 карты переходов ЦСУ ТИР при различных принципах построения, в том числе при классическом (рис.4, а) и нами предложенных трех принципах, характеризуют собой порядко-временные зависимости в формировании сдвигаемых во времени управляющих импульсов. Из рис.4 видно, что наиболее полно используется временной объем при каскадном и циклическом построении ЦСУ ТИР ЭПС Сопоставление временной избыточности ЦСУ ТИР ЭПС при различных принципах построения:
Таб.
Рис. Временная избыточность Сокращение временной избыточности ЦСУ ТИР ЭПС при различных принципах формирования длительности импульса напряжения на тяговых двигателях прежде всего характеризует уменьшение необходимого числа регулируемых позиций ЦСУ ТИР без сокращения диапазона регулирования. Необходимо отметить также то обстоятельство, что общее число ступеней регулирования, которые необходимо сформировать для всего диапазона регулирования, при циклическом построении ЦСУ ТИР не зависит от числа фаз и всегда равно 2n1. Например, рассмотрев характерный случай для ЭПС m =4, n1=9, можно заметить, что для этого случая при классическом построении ЦСУ ТИР необходимо сформировать 2048 позиций регулирования, а для циклического и каскадного, соответственно 128 и 64 при формировании для всего диапазона также 2048 ступеней регулирования, то есть для циклического принципа построения необходимое число регулируемых ступеней в 16 раз меньше, а для каскадного — в 32 раза. В случае применения 15-разрядных счетчиков для рассматриваемого случая при классическом построении ЦСУ необходимо сформировать 131072 ступеней регулирования, а при каскадном — 4096, то есть для классического построения необходимо сформировать 131072 переключательные функции и для каскадного — 4096 этих функций.
Рис. Карты переходов автоматов при различных принципах построения Таким образом, предложенные принципы построения конечного автомата существенно упрощают процедуры минимизации переключательных функций, проектирование, напыление полупроводниковой структуры специализированного бортового компьютера, повышает его эксплуатационную и информационную надежность.
|
.
,
.
