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

ется диапазон входного давления в 4 раза. Уменьшение нелинейности от изменения выходного давления осущест­

коэффициент К^>1, нелинейность которого настраивается близкой к виду нелинейности основного сопротивления 3:

обратную связь, реализованную на нелинейном аперио­ дическом звене с постоянной времени, превышающей постоянную времени основного контура примерно в 10 раз. Погрешность такого интегратора 4 — 5% .

Не решает проблемы и замена пневматических сопро­ тивлений па гидравлические. Такой подход, применяв­ шийся в регуляторах типа Brown и 04, приводит к гро­ моздким, неудобным и недостаточно точным схемам, так как требует применения входного пиевмогидравлического и выходного гидропневматнческого преобразователей и герметичного залитого жидкостью узла.

Все это привело к тому, что в современной пневмо­ автоматике в диапазоне давлений 0—1 кгс/см2 точное вычисление основывается не на сопротивлениях с сум­ мированием расходов газа, а на преобразовании давлений в усилия и выполнении всех вычислений над усилиями [21, 59, 60, 87, 1 6 7 - 1 6 9 , 175, 178, 183].

3. Принципы построения промышленных пневмати­ ческих вычислительных устройств. На рис. В.6 приве­ дена принципиальная структурная схема аналогового вычислительного . устройства современной пневмоавто­ матики. Оно содержит многовходовой усилитель, в

Рис. В.6. Принципиальная структурная схема вычислительных устройств, ос нованных на механическом суммировании.

которой входят преобразователи давлений в усилия (коли­ чество определяется числом входов) и дополнительные преобразователи при реализации нелинейных операций.

Давления с помощью преобразователей!преобразуют­ ся в усилия по линейному закону:

и сильфоны, внутреннее сопротивление которых равно бесконечности, или шарики, внутреннее сопротивление которых невелико и которые поэтому требуют большой мощности входных сигналов.

нейный преобразователей одной переменной, а также ли­ нейные операции для полного диапазона входных сигна­ лов * ) .

Для выполнения нелинейной функции одной перемен­ ной применяют, например, преобразователь (блок 2 на рис. В . 6 ) , реализующий требуемую функцию в коорди­ натах усилий. В механическом преобразователе прибо­ ра П Д - 3 6 А системы А У С [21] усилие от входного давления преобразуется в угол поворота диска, последний по за­

неизменяемы ни величины коэффициентов st, ни предель­ ное количество входов и их распределение по знакам. Од­ нако вследствие того, что каждое слагаемое суммы (В . З) имеет множители (давление р\ и плечо l t ) , конструк­ ции позволяют реализовывать нелинейные операции, при­ меняя линейные преобразователи, и изменять коэффици­ енты при слагаемых в случае суммирования.

Реле соотношения Р С - З З А системы А У С [ 2 1 ] позволяет изменять коэффициент смещением опоры рычага, а сумма­ тор Ц Л А [ 8 7 ] — смещением преобразователей (сильфонов).

Множительно-делительные операции в блоках, описан­ ных в работах [ 1 6 9 ] и [ 1 8 8 ] , осуществляются с использова­

*) Нереализуема без ограничений, например, простейшая опе­ рация суммирования двух сигналов р = р 1 + р», поскольку Pi + Р2 может достигать 2 кгс/см2, - а р , р х и ръ имеют предел Ртах = 1 кгс/смК

сложнее приборов, построенных на принципе компенсации усилий, обладают большими функциональными возмож­ ностями н позволяют создавать устройства, универсальные для ряда вычислительных операций.

Однако никакой экономически оправданный прибор, естественно, не может покрыть всего множества задач, встречающихся на практике. Поэтому для каждого кон­ кретного случая требуется либо разработка специаль-

Рис. В.7. Схема вычислительного устройства хроматографа: а) на блоках А У С ; 1, я — реле соотношения РС-ЗЗА; г — блок суммирования; 4 — блок деления; б) с применением линейных сопротивлений.

ной конструкции, либо необходимо располагать некоторым функционально полным набором приборов для элементар­ ных (типовых) операций.

Поскольку первая альтернатива явно неприемлема, принята вторая — схемы вычисления собираются из ти­ повых приборов.

Рассмотрим этот способ на примере нескольких вы­ числительных схем, применявшихся при автоматизации

Умножение входного давления р на постоянный коэф­

реле РС-ЗЗА (3)• Несмотря на то, что коэффициент блока3 к3 < 1, здесь применен блок РС-ЗЗА вместо делителя, отсутствующего из-за нелинейности пневматических соп­ ротивлений. Наличие линейных сопротивлений позво­ лило бы устранить оба блока РС-ЗЗА, что уменьшило бы количество усилителей и чувствительных элементов,

одновременно повышая точность — см. схему на р и с В.7, б,

В схеме вычисления экономического показателя ка­ чества химического процесса, приведенной на рис. В.8, а [127], выполняется операция

Из-за ограниченных возможностей примененных ин­ теграторов (см. рис. В.5) и суммирования на блоке БС-34А требуемое соотношение коэффициентов kj и к2 могло быть получено только при дополнительной установке устрой­ ства 3 для умножения на постоянный коэффициент. Схема содержала семь блоков АУС с семью усилителями мощ­ ности и большим количеством чувствительных элементов и ряд элементов УСЭППА. В случае построения схемы

на линейных сопротивлениях (рис. В.8, б) были бы упро­ щены схемы интеграторов и сумматора и удален блок РС-ЗЗА при повышении точности всей схемы.

Другое вычислительное устройство [1] (рис. В.9) решало уравнение

/ > з - 0 , 2

( Й - О •0,2

где р и р 2 и р 3 — входные сигналы. Поскольку применен­ ные множительно-делительные устройства (5, 6) построе­ ны на нелинейных сопротивлениях (см. рис. В.2), кото­ рые не позволяют ввести требуемый уровень отсчета дав­ лений, в схему введены три дополнительных усилителя

Р-

Р,-о,г \рг-в,г

~PrW

Рис. В.9. Схема вычисления параметра химического процесса.

1, 2 и 4. В результате, с учетом повторителя 3, схема со­ держит шесть усилителей. Как будет показано в § 16, п. 2, вся операция может быть реализована на 2—3 усили­ телях.

Таким образом, пневматическая вычислительная тех­ ника, работающая в диапазоне 0,2—1,0 кгс/см2 и более широких, оперирует в основном с одним параметром га­ за —давлением; вычисление производится механическими средствами, для чего все давления обязательно преобра­ зуются в усилия, над которыми производятся как проме­ жуточные преобразования, так и вычисления.

Поскольку выполнение вычислений средствами меха­ ники требует механической связи чувствительных элемен­ тов, конструктивные и экономические соображения при­ вели к тому, что были созданы приборы с некоторым постоянным числом чувствительных элементов, определяе­ мым наиболее часто встречаемым количеством входов. Такие приборы представляют собой устройства, закончен-

иые конструктивно и функционально — количество чув­ ствительных элементов в них не подлежит увеличению (а в большинстве конструкций и уменьшению), и следо­ вательно, невозможен элементный принцип построения.

Номенклатура приборов определяется набором встре­ чающихся разнотипных операций, причем для каждой новой операции требуется разработка новой конструкции.

Вычислительные схемы для реализации комбиниро­ ванных вычислений собираются из имеющегося комплек­ та таких приборов, что приводит к избыточности чувстви­ тельных элементов, усилителей мощности и других узлов, снижению точности и увеличению габаритов. Реализация функций, в явном виде содержащих время и поэтому тре­ бующих использования еще одного параметра — расхода, осуществляется с применением нелинейных сопротивлений устройствами, которые схемными путями снижают влия­ ние нелинейности сопротивлений.

Ясно, что такое состояние пневматической вычисли­ тельной техники не могло соответствовать современным требованиям. Известно, что любые линейные операции можно реализовать, если имеется несколько типов линей­ ных элементов (активное сопротивление, емкость, индук­ тивность, источники давления и тока, усилитель разно­ сти двух давлений), выполняющих необходимые простей­ шие линейные операции, а суммирование осуществлять над токами, что не требует применения какого-либо спе­ циального устройства. При таком способе построения схем в пневматике отпадает необходимость в применении многовходовых механических сумматоров давлений, точность которых намного ниже, чем усилителей разности двух давлений, и в разработке методов синтеза и анализа устройств, а также устраняются вышеупомянутые не­ достатки; разумеется, непременным условием такой тех­ ники является наличие линейных элементов.

Таким образом, центральной проблемой, стоящей пе­ ред пневматической вычислительной техникой нормаль­ ного диапазона давлений, является разработка метода выполнения вычислений, который позволял бы создать линейные элементы, прежде всего линейное сопротивле­ ние, и тем самым дал возможность использования хорошо разработанных и применяемых в электротехнике методов синтеза и анализа цепей.

ГЛАВА I

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

В подавляющем большинстве работ по пневмоавтома­ тике применяются специфические подходы к рассматри­ ваемым проблемам, а изложение ведется с помощью сугу­ бо пневматических обозначений и понятий, что делает

Между тем пневматика не является настолько специ­ фичной, чтобы оправдывать свое «изолированное» разви­ тие. Существует достаточная аналогия между пневмати­ кой и электричеством, и поэтому в пневматике и язык и методы могут и должны быть аналогичны языку и мето­ дам электротехники, которые тщательно разработаны, проверены временем и сформировались в свете теории управления. С развитием пневмоавтоматики необходи­ мость в этом ощущается все сильнее, что нашло свое отражение в ряде работ, посвященных частным пробле­ мам.

Путь к решению указанных задач лежит через срав­ нение процессов в электрических и пневматических це­ пях, в результате которого необходимо выявить сущест­ венно аналогичное, в частности обоснованную систему параметров пневматических цепей.

Пневматические и электрические цепи аналогичны не только по динамическим характеристикам цепей. В пнев­ матике и электричестве, кроме того, существует более глубокая аналогия — аналогия протекающих процессов, определяемая их статистическим характером и типом носителей энергии.

Поскольку элементы электрических цепей реализуют простейшие линейные операции, из которых можно на­ брать линейную операцию любой сложности, а для опи­ сания функционирования элементов применяются два исходных понятия «напряжения» и «тока», то для опреде­ ления уравнений пневматических элементов-аналогов

§ t l А Н А Л О Г И Я П Н Е В М А Т И К И И ЭЛЕКТРИЧЕСТВА 29

(и их параметров), которые нуяшы для применения исполь­ зуемых в электротехнике методов, достаточно найти пнев­ матические аналоги напряжения и тока (вопросы анало­ гии рассматриваются в § 1).

При этом любые пневматические цепи, как с подвиж­ ными' телами, так н без них, представимы сочетанием элементов, описываемых теми же уравнениями, что и элементы электрические, вследствие чего и возможно

В 30-х годах публикуются результаты применения дина­ мических аналогий с электричеством в механике [15, 38, 43, 176]. В 1944 году вышла в свет монография о ди­ намических аналогиях четырех видов систем — электри­ ческой, механической поступательной, механической вра­ щательной и акустической [104].

Для современной пневмоавтоматики, оперирующей с двумя формами движения (молекул газа и твердых тел) при существенной переменности плотности молекул, на­ хождение аналогов затруднено.

По этой причине предлагалось несколько систем пара­ метров для пневматики. Эти системы параметров во всех либо в некоторых случаях требуют разработки специаль­ ной теории цепей или в значительной степени ее услож­ няют. В данном параграфе предлагается система парамет­ ров, позволяющая непосредственно применять в пневма­ тике теорию электрических цепей. Эта система параметров получена в результате анализа имеющихся аналогичных закономерностей в пневматике и электричестве.

Укажем на основные аналогии в пневматике и в элек­ тричестве. Носителями энергии, а следовательно, и сиг­ налов являются перемещающиеся частицы (в пневматике— это молекулы газа, в электричестве — электроны), переда­ ча энергии происходит при их перемещении.

Перемещение частиц вызывается разностью давлений (потенциалов) и осуществляется от большего давления