книги из ГПНТБ / Челюсткин А.Б. Применение вычислительной техники для управления металлургическими агрегатами

Глава I

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

1. ВВЕДЕНИЕ

Вычислительная техника зародилась в глубокой древности.

Первым элементарным вычислительным устройством были сче­ ты, которые и в наше время широко используются для различ­

ных вычислительных операций. По мере усложнения расчетов и вычислений создавались все более совершенные и быстродей­ ствующие устройства. Так появились арифмометры и счетные машины, позволившие механизировать вычислительные опера­ ции.

Вторая мировая война дала толчок развитию вычислитель­

ной техники. В связи с тем, что резко увеличились скорость и потолок полета самолетов, подготовка данных для зенитной ар­ тиллерии чрезвычайно усложнилась. Необходимо было автома­ тизировать процесс вычисления данных стрельбы^ Ц результате

были созданы автоматические вычислительные устройства, ко­ торые практически мгновенно выдавали все необходимые ис­ ходные данные. Автоматизация вычислительных операций потре­

бовалась и для ракетной техники — для определения траекто­

рии полета ракеты и направления ее в цель.

После войны автоматические вычислительные,устройства на­ чали проникать во все области науки и техники. Современные

вычислительные машины, соответствующим образом настроен­ ные (запрограммированные), могут не только производить вы­ числения, но и переводить текст с одного языка на другой, играть в шахматы, предсказывать погоду, управлять технологическим процессом, планировать производство, определять наиболее эф­

фективные условия работы агрегатов и т. д. Эти. машины позво­

лили решить многие задачи, ранее считавшиеся неразрешимыми

из-за необходимости выполнять огромное количество вычисле­ ний.

Большое самостоятельное значение имеют и. многие элемен­ ты вычислительных машин; включение их в систему управления позволяет улучшить качество технологического процесса.

3

Вычислительная техника развивается в двух направлениях:

по пути создания непрерывных машин и цифровых. Различие между этими направлениями определяется формой представле­

ния значений величин, над которыми производятся математиче­ ские действия.

В непрерывных вычислительных устройствах операции осу­ ществляются с величинами напряжений или токов, которые мо­

гут принимать любые значения (целые или дробные). В цифро­ вых, или дискретных вычислительных устройствах операции про­

изводятся над числами, кодированными в виде электрических импульсов, йто позволяет резко увеличить точность расчетов.

Сточки зрения точности расчетных операций непрерывные

ицифровые вычислительные устройства можно сравнить с ло­

гарифмической линейкой и конторскими счетами. Логарифмическая линейка является аналогом непрерывного

вычислительного устройства. Точность операций на линейке оп­ ределяется точностью установки движка и изготовления масшта­ ба линейки. Аналогом и простейшим видом цифрового вычисли­ тельного устройства являются счеты. Точность операций на сче­ тах определяется только числом проволок с костяшками и прин­ ципиально ничем не ограничена. Именно высокая точность и универсальность цифровой вычислительной техники определяют

еевсе более широкое распространение.

Всистемах автоматического управления производственными

процессами пока применяются в основном непрерывные устрой­ ства как более простые. Поэтому знакомство с вычислительной техникой мы и начнем с элементов непрерывных вычислитель­ ных устройств.

2. ЭЛЕМЕНТЫ НЕПРЕРЫВНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Как отмечалось вйше, в непрерывных вычислительных уст­

ройствах все операции производятся над величинами токов и

напряжений. Наиболее легко осуществимы операции сложения и вычитания. Для того чтобы сложить два напряжения Ej и Е2,

достаточно последовательно соединить их источники (рис. 1, а). Получаемое при этом результирующее напряжение Е3 равно

сумме напряжений Ei + Е2. При вычитании источники соединяют встречно, и результирующее напряжение равно разности Ei—Е2

(рис. 1, б).

Недостатком этих схем является необходимость использова­ ния нескольких источников напряжений. При наличии одного ис­ точника суммирование напряжений заменяется суммированием токов, как показано на рис. 2, а. Складываемые напряжения Еь Е2 и Е3 снимаются с делителя, получающего питание от одного

4

статочно малой величине общего сопротивления 7?0 его влия­ нием на величины токов i\, i2 и i3 можно пренебречь. Тогда ре­ зультирующий ток в общем сопротивлении Ro оказывается про­ порциональным сумме складываемых напряжений:

Гг = zx + i2 4~ i3 — — (£\ + Е2 4- Е3). /\

Для преобразования этого тока в напряжение служит так на­

зываемый операционный, или решающий, усилитель (рис. 2, б).

Этот усилитель представляет собой электронный усилитель с

Рис. 1. Схемы суммирования (а) и вычитания (б) двух напряжений

Рис. 2. Схема суммирования токов при наличии одного источника питания

глубокой обратной связью, в котором измеряемая величина ре­ зультирующего тока автоматически уравновешивается с током, текущим в цепи обратной связи, и обеспечивается напряжение между точками а—б, близкое нулю. Если обозначить коэффи­ циент усиления усилителя pi, то выходное напряжение усилителя

5

откуда

или

При больших'значениях ц (порядка 50000)

коэффициент пропорциональности между напряжениями входа и выхода. Это обстоятельство используется для установления требуемых масштабных коэффициентов соответствующим из­

менением сопротивления входа R.

Рис. 3. Схема электронного операционного усилителя

На рис. 3 приведена принципиальная схема операционного

усилителя, являющегося стабилизированным трехкаскадным усилителем постоянного тока. Усилитель получает питание от

стабилизированных выпрямителей, имеющих по отношению к земле клеммы +300, —300, +80 и —190 в. Первый каскад со­ бран на двух триодах лампы 6Н9, причем одна половина ис­ пользуется для автоматического изменения напряжения смеще­ ния при изменении эмиссии лампы. Второй каскад собран на пентоде 6Ж8, и рабочее смещение на сетке лампы обеопечивает-

6

ся питанием делителя напряжения от клеммы —300 в. Выходной

каскад является усилителем мощности и собран на тетроде 6ПЗ.

Режим ламп определяет линейность характеристик усилителя в пределах изменения выходного напряжения до 100 в.

Более сложно осуществляются умножение и деление элек­ трических величин друг на друга. На рис. 4 приведена схема

блока для этих операций, в котором попользуется электромеха­ нический автоматический компенсатор с двумя реохордами. На­

пряжение Е2 подается на вход автоматического потенциометра,

балансировочный двигатель которого БД, перемещая движок

реохорда Rt, уравновешивает напряжение хЕ\, снимаемое с это­ го движка, с напряжением Е2. Напряжение Ез подается на вто­ рой реохорд Т?2, который является делителем напряжения Е3.

В состоянии равновесия хЕ\=Е2 и положение движка х—-~.

£1

При этом напряжение, снимаемое с движка реохорда, равно

Е = Е3х = Е3^.

Ei

Если напряжение Ег сделать неизменным, то будет иметь ме­ сто операция умножения:

Е~ Es-E2.

При 1>а=Е2 и Ei=const получим Е=Е^ . При E3=const осу-

7

ществляется операция деления. При Е3 и Е2 = const имеет место гиперболическое преобразование.

Операция извлечения квадратного корня может быть осу­ ществлена по схеме, приведенной на рис. 5. Компенсатор имеет два реохорда одинакового сопротивления. Питание осуществ­

ляется через один из движков через стабилизатор тока Б (бар-

ретер). Ток, текущий через часть первого реохорда и по второму

реохорду, равен i =-~х. Напряжение на входе компенсатора Е

уравновешивается напряжением, снимаемым с движка второго реохорда

откуда

Таким образом, положение движка реохорда пропорционально корню квадратному из напряжения входа Е.

Вычислительные операции легко мож­

ено осуществлять при помощи ферродинамических датчиков, разработанных Харь­ ковским заводом КИП. Этот датчик пред­ ставляет собой магнитную систему, ана­

логичную системе магнитоэлектрического

прибора, у которого постоянный магнит заменен электромагнитом (рис. 6). Одна из обмоток электромагнита получает воз­

Связав ось рамки с осью измерительного прибора, контролирую­ щего один из параметров, и питая обмотку возбуждения напря­ жением, пропорциональным какому-либо другому параметру, получим выходное напряжение, пропорциональное произведению этих параметров. При питании второй обмотки возбуждения на­ пряжением Е2 реализуется операция умножения вида

а(Ех + Е2).

Врассмотренных схемах операции умножения, деления и воз­

ведения в степень осуществлялись электромеханическими уст­ ройствами, в которых один из параметров выражался положе-, нием или углом поворота реостатного или ферродинамического

8

датчика. Ниже приводятся схемы, в которых эти операции реа­ лизуются только электрическим путем. Основным узлом таких

схем является функциональный преобразователь—-квадратор, в котором'' реализуется операция возведения в квадрат. Преоб­ разователь представляет собой нелинейное сопротивление, об­ ладающее квадратичной вольтамперной характеристикой. Та­ кими, или близкими к ним, характеристиками обладают купроксные и селеновые выпрямители, схемы с лампами «варимю» и по­ лупроводниковый материал — тирит. Как показали опыты, легче

Рис. 7. Вольтамперная характеристика тиритового сопротивления (а) и харак­ теристика (б) цепи, составленной из тиритового п линейного сопротивлений

всего к квадратичной характеристике подгоняются характери­ стики тирита, который и используется в схемах, реализующих операции возведения в квадрат.

На рис. 7 приведены вольтамперная характеристика тирито­ вого сопротивления (а) и характеристика (б) цепи, составлен­ ной из тиритового и линейного сопротивлений. При соответст­ вующем подборе величины линейного сопротивления удается получить результирующую вольтамперную характеристику, от­

личающуюся от квадратичной не -более чем на 0,5%.

Для реализации операции умножения с квадратичными пре­ образователями используются операции сложения и вычитания.

Пусть необходимо перемножить две величины — а и Ь. Для это­ го берем их сумму и разность

(а+ 6) и (а—б).

Возводя каждое из них в квадрат и вычитая друг из друга, по­ лучаем

(а 4- Ь)2 — (а — Ь)2 = а2 + 2аЬ + Ь2 —а2 + 2аЬ — Ь2 = 4аЬ-

Таким образом полученная величина равна учетверенному зна­ чению искомого произведения.

На рис. 8 приведена принципиальная схема множительного звена на тиритовых сопротивлениях для случая, когда напря­

жения, изображающие ■оомножител'и, имеют независимые ис-

9

точники питания. Как следует из этой схемы, напряжение Et

делится при помощи делителя пополам. К средней точке дели­

теля подключено сопротивление, к которому приложено напря­ жение Е2. При такой схеме включения к зажимам ab приложена

сумма, а к зажимам cd — разность напряжений -у- и Е2. Бла­

годаря квадратичным преобразователям Тр точки ij и i2 в цепях схемы пропорциональны квадратам приложенных напряжений. Падения напряжений от этих токов « сопротивлениях г (неболь-

Рис. 8. Принципиальная схема множительного звена на тирито-

вых сопротивлениях

ших по величине) сравниваются друг с другом, и результирую­ щее напряжение оказывается пропорциональным произведению

Ei • Е2.

На рис. 9 приведена схема входных цепей множительного звена для случая, когда источники напряжения имеют связь с

землей и могут изменять свой знак. Как следует из схемы, на ее вход подаются напряжения Ei и Е2 обоих знаков. Благодаря наличию выпрямителей, вне зависимости от полярности напря­ жений Ei и Е2, на один из квадратов подается сумма, а на дру­ гой — разность этих напряжений. В отличие от схемы рис. 8, на схеме рис. 9 квадратичные преобразователи КВ изображены с подгоночными и компенсирующими сопротивлениями, подклю­

ченными к тиритовым сопротивлениям TR. В точке О схемы осу­ ществляется вычитание токов каждого из квадратичных преоб­ разователей. К этой точке подсоединен операционный усили­

тель ОУ, рассмотренный выше. Благодаря наличию цепи обрат­ ной связи, по которой течет ток —i2, потенциал точки О отно­ сительно земли равен нулю, а выходное напряжение Ер пропор­ ционально падению напряжения в сопротивлении цепи обратной

связи, т. е. произведению Ei -Е2.

Чтобы получить на входе множительного звена напряжения

Ei и Е2 с обратными знаками (—Ei и—Е2), используют так на-

10