книги из ГПНТБ / Фудим Е.В. Пневматическая вычислительная техника. Теория устройств и элементов

Е.В. ФУДИМ

ПНЕВМАТИЧЕСКАЯ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ

ТЕХНИКА

ТЕОРИЯ УСТРОЙСТВ И ЭЛЕМЕНТОВ

/f=}5b ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА» УМ Г Л А В Н А Я РЕДАКЦИЯ

.r-jC ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

М о с к в а 1 9 7 3

Проблематика рассматриваемой техники содержит две самостоятельные части. Первая часть, являющаяся пред­ метом теории цепей (главы I , I I I , V ) , связана с определе­ нием набора типовых элементарных операций и метода­ ми перехода от цепи, собираемой из типовых элементов, к реализуемой операции и обратно. Вторая часть, физикотехническая (главы I I , I V ) , состоит в изучении и выборе физических процессов, предназначенных для выполнения типовых операций иад конкретными физическими величи­ нами, и в технической реализации этих процессов.

В книге применяется теория электрических цепей, ко­ торая понимается и трактуется как теория, пригодная для цепей вне зависимости от их физической природы, лишь бы они оперировали с набором элементов, которые описываются уравнениями такого же вида и, что особенно важно, с таким же взаимовлиянием физических перемен­ ных (параметров), как и в электрических цепях. Это при­ менение для устройств стандартного диапазона давлений стало возможным благодаря появлению набора элемен­ тов, удовлетворяющего названным требованиям.

Идентичное взаимовлияние параметров, иными слова­ ми, наличие пневматических аналогов параметров электри­ ческих цепей, обеспечивается аналогией процессов в пнев­ матических и электрических цепях. В обоих типах цепей протекающие процессы представляют собой направленное перемещение частиц — молекул газов в пневматике и электронов проводимости в электричестве. Тела, в кото­ рых частицы могут иаправленио перемещаться, являются проводниками. Плотность частиц в проводниках является одним из основных параметров таких процессов. В обоих типах цепей поток частиц направлен в сторону их мень­ шей плотности, вызывает увеличение последней в тех местах, куда он притекает, и равен произведению объем­ ной плотности частиц, линейной скорости их перемеще­ ния и сечения проводника; соблюдаются баланс потоков частиц в узле и баланс перепадов их плотностей в замк­ нутом контуре.

ПРЕДИСЛОВИЙ

Поскольку потенциал и ток электрических цепей опре­

этого трактуется как внутренняя энергия единицы объема газа, а в качестве пневматического тока — молекулярный расход, определяемый количеством молекул, протекаю­ щих в единицу времени через сечение проводника.

Введенная система параметров (§ 1) инвариантна к со­ ставу газа и лишена недостатков применявшихся ранее систем, при которых во всех или в ряде случаев законо­ мерности цепей не соблюдаются, линейные процессы опи­ сываются нелинейными уравнениями, и поэтому невоз­ можны применение теории линейных цепей и калибровка элементов при их изготовлении. Эта система параметров пневматических цепей отличается от известных опреде­ лением тока. Необходимо отметить, что молекулярный расход может быть точно измерен обычными пневматиче­ скими средствами (§ 20) без того, чтобы прибегать к изме­ рению объемного или весового расхода, а в случае исполь­ зования широко распространенных измерителей объем­ ного расхода ои вычисляется проще, чем весовой или при­ веденный объемный расходы.

Чтобы все положения, формулировки и схемы теории цепей не приходилось переводить на язык пневматики, в монографии используются принятые в теории электри­ ческих цепей условные обозначения и названия элемен­ тарных операций, элементов и их параметров. Однако в целях облегчения восприятия текста понятия «ток» и «потенциал», а также некоторые электрические обозначе­ ния употребляются вперемежку с их пневматическими аналогами; кроме того, подвод сигналов давления часто показывается на схемах одной линией, что соответствует привычному для специалистов по пневмоавтоматике соединению реальных устройств одной линией с приме­ нением вместо второй линии сообщений с атмосферой.

Физико-техническая часть проблематики, определяе­ мая газовыми процессами (взаимодействием молекул газа между собой и с другими телами), направлена на создание

•6 ПРЕДИСЛОВИЕ

пневматических элементов, прежде всего линейных. Ре­

В отличие от электротехники, которая имеет дело с практически неизменной по плотности средой, в пневма­ тике диапазона 0,2 1,0 кгс/см2, среда существенно изменяющаяся: относительные изменения плотности элек­ тронов проводимости и молекул соответственно равны 10~" и 0,667 * ) . По этой причине активные сопротивле­ ния, конденсаторы и индуктивности в электричестве прак­ тически линейны, а в пневматике существенно нелинейны, емкость проводников в электричестве ничтожно мала, а в пневматике велика (в 1 см3 частиц больше в 2,5-101 0 раз). Последнее позволяет эффективно использовать в пперматике проводники в качестве заземленных конденсато­ ров, однако приводит к большим «паразитным» емкостям пневматических линий и камер, обусловливающим значи­ тельные запаздывания в передаче давлений и тем самым требующим очень больших потоков молекул. При объе­ мах проводника 1 cms запаздывание в пневматике, боль­ шее в 0,9-106 раз (отношение скорости света в вакууме к скорости звука в воздухе), достигается при потоке частиц, большем в 0,28-105 раз.

Передача по проводнику сигнала, изменяющегося в пол­ ном диапазоне, в пневматике со скоростью в 0,9-106 раз меньшей, чем в электричестве, требует скорости направ­ ленного перемещения частиц в 70 - Ю 6 раз большей (220 и 3- 1 0 - G м/сек), поскольку последняя равна произведению скорости распространения воли (света, звука) иа относи­ тельное изменение плотности частиц. Это определяет очень большие затраты энергии на передачу сигналов и термодинамические погрешности в пневматике [150, 151].

Скорость v направленного перемещения частиц харак­ теризует также отклонение среды от установившегося состояния. При очень малой по сравнению с хаотической скоростью частиц величине v среда никогда ие бывает

*) Здесь п ниже приводятся данные для диапазонов давлений 0,2-=-1,0 кес/см2 и напряжений —100-r-lOO в, причем последние рас­ считаны для сферического проводника объемом 1 см3 в вакууме при одном электроне проводимости у каждого ядра.

заметно отклоненной от равновесного состояния и во всех режимах могут применяться уравнения установившегося состояния. При скоростях v, соизмеримых с хаотической, среда намного сложнее равновесной и требует специаль­ ного изучения. Отношение максимальной скорости на­ правленного перемещения частиц к хаотической состав­ ляет в пневматике 0,44, в электричестве — 3 X Ю - 9 .

Из изложенного следует, что линейности пневматиче­ ских элементов и простоты процессов можно достичь при достаточно низком рабочем диапазоне относительно изме­ нения плотности молекул либо при отказе от примене­ ния процессов течения газа с целью выполнения линей­ ных операций и использования существующих линейных соотношений установившегося газа.

В силу известных трудностей первый путь до сих пор не привел к промышленной пневматической технике по­ стоянных или переменных токов. Рассматриваемая вычис­ лительная техника использует вторую возможность. Высокая точность и другие преимущества обеспечиваются благодаря методу прерывистого выполнения вычислений,

с применением подвижных тел только в дискретном ре­ жиме работы.

Поскольку наиболее употребляемые устройства раз­ работанной техники серийно выпускаются приборострои­ тельной промышленностью и используются во многих отраслях народного хозяйства, автор надеется, что книга окажется полезной широкому кругу специалистов.

Е. В. Фудим