Логические операции и элементы

Элементы электрических схем, реализующие логические операции, принято называть логическими. Логика - это совокупность наук о формах и законах мышления, о математико-логических законах исчисления, о наиболее общих законах мышления, а математическая логика - наука о применении математических методов для решения различных логических задач. Предметом рассмотрения алгебры логики являются и так называемые высказывания, под которыми понимаются любые утверждения, о которых можно сказать, является ли утверждение истинными или ложными. Высказывания оценивают только с точки зрения их истинности или ложности. Никакие другие признаки (хорошее высказывание, плохое высказывание и пр.) в алгебре логики не рассматриваются. Одновременно истинных и ложных высказываний не существует. Если высказывание истинно, то говорят, что его значение истинности равно единице, если оно ложно, то его значение истинности равно нулю. Два высказывания называются эквивалентными, если их значения истинности одинаковы. Таким образом, значения истинности высказывания – переменная величина, которая может принимать только два дискретных значения – 0 или 1 подобно цифрам в двоичной системе счисления. В виду этого появляется возможность применять двоичную систему счисления для подсчетов значений истинности различных высказываний. Высказывания могут быть простыми и сложными. Сложные высказывания получаются в результате объединения простых высказываний с помощью так называемых логических функций.

Логические элементы, реализующие логические операции, строятся из разнообразных электрических схем. При этом простые высказывания соответствуют сигналам, поступающим на вход схемам, а сложные высказывания – выходным сигналам. Если сигнал есть, то значение истинности того высказывания, которому оно соответствует, равно 1; если сигнала нет, то значение истинности высказывания равно 0.

Основными логическими операциями являются: отрицание - НЕ; умножение - И; сложение - ИЛИ.

Операция НЕ означает отрицание исходного высказывания. В электрических схемах она реализуется логическим элементом НЕ. То есть эта операция означает, что сигнал на выходе схемы появляется в том случае, если нет сигнала на ее входе, и наоборот, сигнал на выходе схемы отсутствует, если есть сигнал на ее входе. Такую операцию называют инверсией, а логический элемент НЕ - инвертором.

Операция И представляет собой такую связь между простыми высказываниями, в результате которой сложное высказывание истинно только тогда, когда одновременно истинны все образующие его простые высказывания. Такую операцию называют конъюнкцией. В электрических схемах, реализующих логическую операцию И, сигнал на выходе появляется лишь в том случае, если есть сигналы одновременно на всех ее входах. Схема, воспроизводящая операцию логического умножения, называется схемой совпадения, а элемент, реализующий ее - конъюнктором.

Операция ИЛИ означает такую связь между простыми высказываниями, в результате которой сложное высказывание истинно тогда, когда истинно хотя бы одно из составляющих его простых высказываний, и ложно только в случае ложности всех простых высказываний. Такую операцию называют дизъюнкцией, а элемент, ее реализующей - дизъюнктором. В электрических схемах, реализующих операцию ИЛИ, сигнал на выходе схемы появляется в том случае, если подан сигнал хотя бы на один из ее входов.

Т.к. входы и выходы логических элементов могут быть в двух состояниях; «сигнал есть», «сигнала нет» («включено», «выключено»), то для создания логических схем и элементов надо применять устройства с релейной характеристикой. Для построения логических элементов можно использовать любые физические явления, для которых свойственны скачкообразные переходы из одного состояния в другое. На основании требований высокой надежности целесообразно применять бесконтактные полупроводниковые двоичные элементы, которые по сравнению с релейно-контактными имеют ряд преимуществ. С помощью первых логических операций можно реализовать в форме двух уровней электрического напряжений (высокого и низкого) или электрических импульсов (положительного и отрицательного), что соответствует 1 и 0.

Рис. 34 Схемы для реализации логических операций при помощи электромеханических реле

На рис.34а показана схема для реализации операции НЕ: при подаче на вход сигнала 1 на выходе возникает сигнал 0; это эквивалентно включению в цепь обмотки реле Р входного размыкающего контакта К1; при срабатывании (размыкании) К1 реле Р отключается.

При реализации функции И (рис.34б) входной сигнал 1 возникает только при наличии на всех входах элемента сигнала 1. Это соответствует последовательному соединению контактов К1, К2, К3. В случае отсутствия хотя бы одного входного сигнала 1 на выходе схемы получается логический нуль, т.е. если хотя бы один контакт не включен, реле Р не срабатывает.

Операция логического сложения ИЛИ (рис. 34в) воспроизводит заданную зависимость выходного сигнала от нескольких входных таким образом, что сигнал 1 на выходе элемента получается при наличии сигнала 1 хотя бы на одном из его входов. В контактном исполнении это соответствует параллельному включению замыкающих контактов К1, К2, К3 нескольких реле: при замыкании любого из них (входной сигнал 1) включается реле Р (на выходе появляется сигнал 1).

Элементарными являются также операции ПОВТОРЕНИЕ и ВРЕМЯ (задержка).

Операция ПОВТОРЕНИЕ осуществляет повторение значения входного сигнала и имеет смысловое значение ТО ЖЕ (рис.34г). Элемент, реализующий эту операцию, называется повторителем. При подаче управляющего сигнала 1 на выходе повторителя также формируется сигнал 1. В контактном исполнении это соответствует включению замыкающего контакта К, что приводит к срабатыванию реле Р.

Операция ВРЕМЯ реализуется элементом выдержки времени. Сигнал 1 на его выходе появляется с некоторой задержкой после поступления управляющего сигнала 1 на вход. В контактных схемах временная зависимость осуществляется с помощью контакта К реле времени (рис.34д), включающего нейтральное реле Р.

Символическая запись, указанная, в какой последовательности требуется выполнить комбинационные и временные операции с двоичными сигналами для преобразования входных сигналов в выходные, называется алгоритмом формирования командных или управляющих сигналов.

Командные сигналы задают интервалы времени работы исполнительных механизмов (ИМ) в различных режимах. Управляющие сигналы определяют характер воздействий на ИМ: непрерывный, периодический, импульсный. Выходные коммутаторы подключают обмотки ИМ к питающей цепи при воздействии управляющих сигналов.

В ОДД применяют нерегулируемые электрические ИМ, которые работают в номинальном режиме или в двух режимах: номинальном и при пониженной скорости. Режим пониженной скорости используют для более точной отработки задания автоматической системой. При управлении электромагнитными клапанами и односкоростными электродвигателями такой режим осуществляется кратковременными включениями исполнительного механизма.

Алгоритмы формирования командных сигналов зависят от характеристики объекта и вида управления ИМ. Для ОДД основными видами управления являются шаговое, временное, блокированное, селекторное, стартстопное, цифровое и аналоговое.

При шаговом управлении формируется серия командных импульсов, число которых определяет угол поворота вала шагового ИМ.

При временном управлении ИМ может включаться с задержкой относительно начала пускового сигнала или отключаться с задержкой после его окончания. Эти задержки могут быть реализованы совместно. Кроме того, ИМ может включаться на определенный интервал времени после начала пускового сигнала или его окончания.

При блокированном управлении командные сигналы зависят от блокировочных связей между ИМ и датчиками, переключателями и другими элементами системы, формирующими двоичные сигналы. Здесь используются датчики контроля давления, скорости, наличия и уровня материалов и т.п., имеющие релейную характеристику. Блокировочная связь может быть разрешающей или запрещающей включение ИМ при определенных условиях, альтернативной и комбинированной. Пример – комплекс, содержащий три ИМ. Резервный ИМЗ включается, если не работает один из двух основных ИМ: ИМ1 и ИМ2. В этом случае осуществляется альтернативная блокировочная связь ИМЗ с элементами, характеризующими состояние (работает или не работает) основных ИМ1 и ИМ2. При наличии только одного из указанных блокировочных сигналов (от ИМ1 или от ИМ2) включается резервный ИМЗ.

При селекторном управлении командные сигналы включения ИМ формируется по совпадению селектирующего сигнала с сигналами, определяющими переход управляемого объекта в заданное состояние (переход в зону одного датчика; в зону, ограниченную двумя датчиками; маятниковое движение в зоне, ограниченной датчиками). Так, при управлении нереверсивными электродвигателем используется один датчик. При управлении реверсивным двигателем используется два датчика с механическим запоминанием срабатывания.

При стартстопном управлении начало командного сигнала определяется стартовым сигналом, а окончание – сигналом остановки. В этом случае алгоритм формирования командных сигналов в основном определяется временным соотношением между сигналами.

Цифровое и аналоговое управление осуществляется по рассогласованию между заданными и истинными значениями координаты, характеризующей состояние управляемого объекта.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ

АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ