книги из ГПНТБ / Фудим Е.В. Пневматическая вычислительная техника. Теория устройств и элементов
.pdf70 |
М Е Т О ДЫ РЕАЛИЗАЦИИ Б А З О В Ы Х ОПЕРАЦИЙ |
[ГЛ. П |
что величина П изменяется обратно пропорционально плотности частиц, или абсолютному давлению.
Переменно, правда в меньшей степени, и индуктивное сопротивление газа. В соответствии со вторым законом Ньютона, рассматривая газ как сплошное тело и учитывая уравнения (3.1) и (3.2), получаем для индуктивности газа
где Aj3HH — падение давления; т — средняя масса мо лекулы газа; Znp = V/Sn,u — приведенная длина столба газа, равная в случае цилиндрической формы столба газа
его |
длине I; |
V — объем ускоряемого |
газа; 5Ц .„ — сече |
ние столба газа в центре массы; S — сечение столба газа, |
|||
на |
которое |
действует перепад Ар; |
п с р и щ.м — плот |
ности молекул газа, средняя по объему газа и в центре массы соответственно.
Из полученного уравнения видно, что индуктивность L переменна, поскольку отношение /гс р : ?гц .ы колеблется с давлением (для столба газа цилиндрической формы с ли нейным изменением плотности по длине это отношение равно 1 ± 0,031).
Единственный реализуемый без применения подвиж ных тел линейный процесс, который обеспечивается урав нением состояния идеального газа:
pV = NkQ,
происходит в пневматическом проводнике (камере) при
постоянных объеме и температуре. Поскольку |
отношение |
|||
П |
Д Л Г |
V |
L |
/О С\ |
c |
= ^ r = ie-= c o n s t |
|
<3-5) |
является емкостью (по определению), то пневматическая
камера — это |
линейный |
конденсатор |
при любых |
приме |
||||||
няемых диапазонах давления. |
|
|
|
|
|
|||||
В частном случае, когда камера с газом герметизиро |
||||||||||
вана, она может служить источником |
давления |
и |
эле |
|||||||
ментом памяти, |
а если |
одна из стенок |
имеет нулевую |
|||||||
жесткость |
(1 |
на |
рис. |
3.1, а) — нелинейным |
емкостным |
|||||
элементом |
с |
ограничением |
по давлению. |
В |
такой |
герме |
||||
тичной камере давление всегда следит |
за наружным |
дав- |
§ 3] |
В Ы П О Л Н Е Н И Е ПРОСТЕЙШИХ ОПЕРАЦИЙ |
71 |
лением р в х за счет изменения ее объема, происходящего благодаря перемещению стенки с нулевой жесткостью. Емкость С элемента такая же, как и у камеры без пере городки с объемом, равным суммарному объему V обеих камер элемента с вялой мембраной. Отличие от обычной камеры в том, что количество молекул не может быть
Рис. 3.1. Камера со стенкой с нулевой жесткостью.
меньше iV„, запертого в глухой камере, т. е. давление Рвых никогда не может быть меньше величины =
=NJcQ/V.
При |
соединении |
с |
обычной |
камерой |
объема |
Уд |
|||
(рыс. 3.1, б) количество молекул |
в глухой камере никог |
||||||||
да не может |
превысить |
Nn |
и, следовательно, давление |
||||||
Рвых не может быть больше ртах |
= Nakd/Va. |
Существует |
|||||||
также |
ограничение |
снизу: |
|
|
|
|
|||
|
|
|
- |
|
- |
|
N*kQ |
|
|
|
|
|
Рвых J?' Pmin — у |
, у • |
|
|
|||
В ы п о л н е н и е о п е р а ц и й с п о м о щ ь ю о д н о г о |
|||||||||
п о д в и ж н о г о |
т е л а . |
Набор |
элементарных |
операций, |
|||||
реализуемых |
в |
пневматике с |
помощью подвижных |
тел, |
определяется характером возможных сил и соотноше нием параметров в механических цепях. При посту пательном движении *) эти силы таковы:
—приложенная извне сила;
—сила механического сопротивления, обусловленная вязким трением и пропорциональная скорости переме щения тела;
—сила инерции, пропорциональная ускорению пере мещения тела;
*) В применяемых устройствах рычажного типа, которые ис пользуют механическое вращательное движение, потенциалом яв ляется момент силы, а зарядом — угол поворота. Однако угол по ворота настолько мал, что ои может быть заменен перемещением; это позволяет вращательное движение аппроксимировать поступа тельным за счет введения коэффициента,
72 |
М Е Т О ДЫ РЕАЛИЗАЦИИ Б А З О В Ы Х ОПЕРАЦИЙ [ГЛ. I I |
— сила упругости, определяемая деформацией и про порциональная перемещению тела.
Источник давления реализуется с помощью внешней силы, развиваемой пружиной или весом (см. уравнение (3.1)).
Использование сил сопротивления перемещению рас смотрим на примере тела, перемещающегося внутри дру гого тела (рис. 3.2, а)-
|
|
а; |
|
|
Р, |
> |
Рг |
|
|
Pi |
1» |
|||
|
Ро |
|||
|
|
|||
|
|
|
||
|
|
|
в) |
Рис. 3.2.К выполнению оисрацнй за счет использования анало говых характеристик подвижных тел.
Если тело при перемещении должно преодолевать толь
ко трение (т. е. другими механическими |
сопротивлениями |
||||||||
можно пренебречь) и коэффициент трения |
/ т р |
постоянен, |
|||||||
то реализуется |
пневматическое |
сопротивление- |
|||||||
Сила FTV, |
необходимая |
для |
преодоления трения, |
||||||
равна |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
^ т р = |
/трУ| |
|
|
|
|
(3-6) |
|
где у — скорость перемещения тела. В силу |
преобразова- |
||||||||
ний (3.1) и (3.2) F T p = 53 AjDT p |
и |
v = |
— |
г |
д |
е |
Д р т р — |
||
потеря давления на преодоление трения. |
|
|
|
||||||
Подставляя |
эти |
выражения для |
^ т р |
и |
v |
в |
уравнение |
||
(3.6), получаем: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Д р т р |
=Rv~- |
= |
RM |
|
, |
|
|
(3.7) |
§ 3] |
В Ы П О Л Н Е Н И Е ПРОСТЕЙШИХ ОПЕРАЦИЙ |
Ц |
It ^тр
где liv=-— величина пневматического СОПрОТИВЛе-
^ ^ У
ния объемному потоку газа; RM = Rv/n — величина пнев матического сопротивления молекулярному потоку; п — плотность молекул на входе или на выходе, в зависимости от того, какой молекулярный расход нас интересует.
Если тело для своего перемещения требует преодоле ния только его инерции, обусловленной массой, то реали зуется пневматическая индуктивность. Действительно, сила для преодоления инерции согласно второму закону Ньютона равна
|
|
|
Fm |
= |
M |
^ . |
|
|
|
(3.8) |
|
, r |
|
|
|
d°-h |
|
1 |
dW |
|
|
||
Учитывая, что |
ускорение |
|
|
= |
— |
, |
а также |
выра |
|||
жение |
для F, |
находим падение |
давления |
|
|
||||||
|
|
л |
Т |
d*V |
= |
Т |
dm |
Г , |
/D |
п . |
|
|
|
АрМ1 |
= Ьу^ |
|
Ь М |
Ч 1 |
|
(3.9) |
|||
г |
М |
|
|
|
• |
|
|
|
|
|
s |
где Ly |
= -р-р |
пневматическая индуктивность для |
объ- |
^У
емпого потока газа; М — масса тела; Ьм = Lv/n — пнев матическая индуктивность для молекулярного потока.
В случае, когда перемещение тела осуществляется в результате преодоления только сил упругости, имеем
пневматический конденсатор; обозначив через с — жест кость упругого тела, записываем для силы, вызывающей деформацию,
откуда, подставляя выражения для F и h, получаем для падения давления
|
|
&Pynv |
= 4-V = -±-N, |
(3.10) |
||
где Cv |
= |
SaSv/c |
— пневматическая |
емкость для |
объем |
|
ного потока; См = |
nCv |
— nSaSv/c |
— пневматическая ем |
|||
кость |
для |
молекулярного потока. |
|
|
Из приведенных выше выражений для пневматических сопротивлений молекулярному потоку видно, что каждое из них связано с соответствующим механическим сопро тивлением (/т р , с, М) через один и тот же коэффициент
74 МЕТОДЫ РЕАЛИЗАЦИИ Б А З О В Ы Х ОПЕРАЦИЙ [ГЛ. I I
пропорциональности nSgSv Отсюда следует, что для до стижения линейности операций, выполняемых в пневмо автоматике подвижными телами, необходимо обеспечить постоянство коэффициентов преобразования давления в усилие £в и перемещения в объем Sy, а также плотности молекул п. Разумеется, что механические характеристи ки — коэффициент вязкого трения, упругость, масса — также должны быть стабильны.
В реальных устройствах с подвижными телами при перемещении приходится преодолевать все рассмотренные силы сопротивления. В этом общем случае соотношение параметров для одного тела определяется принципом Даламбера, согласно которому алгебраическая сумма сил, приложенных к телу, равна нулю:
-М^-^Л~ +2^ = о, (з.и)
т
где 2 Fj = F — сумма внешних сил.
3=1
В ы п о л н е н и е о п е р а ц и й с п о м о щ ь ю н е с к о л ь
к и х |
в з а и м о д е й с т в у ю щ и х |
п о д в и ж н ы х т е л . |
В |
пневматических устройствах |
может применяться |
несколько взаимодействующих подвижных тел, которые механически соединяются между собой в последователь ные, параллельные и смешанные цепи * ) . Под механи ческим соединением мы будем понимать соединение кон цов разных тел между собой с помощью идеального тела (стержня), которое по сравнению с соединяемыми телами практически не деформируется, имеет нулевую массу
ине испытывает при своем перемещении трения. Соотношения между параметрами механических це
пей, содержащих несколько соединенных между собой подвижных тел, совершающих одномерное поступательное движение, определяются с помощью следующих правил:
— концы подвижных тел, присоединенные к общей точке (или стержню, перемещающемуся параллельно самому себе), имеют одинаковую скорость перемещения,
*) Соединение с помощью рычага будем относить к особому случаю соединения в узел.
В Ы П О Л Н Е Н И Е ПРОСТЕЙШИХ ОПЕРАЦИЙ |
75 |
а в случае присоединения к рычагу при малых переме щениях — скорости пропорциональны плечам;
—при последовательном соединении ряда тел отно сительное перемещение концов цепи равно сумме отно сительных перемещений концов всех тел;
—при параллельном соединении
сумма реакций всех тел равна сум^ ме приложенных внешних сил; в случае рычага равны суммы соответ ствующих моментов;
—при последовательном соеди нении сила, действующая на каждое тело, равна силе, приложенной ко всей цепи;
—при параллельном соединении механическое сопротивление цепи равно сумме сопротивлений отдель ных тел;
—при последовательном соеди нении механическая проводимость цепи равна сумме проводимостей от дельных тел;
—сумма скоростей изменения объемов всех камер, обусловленных перемещением расположенных в них тел, равна нулю при любом соедине нии этих тел.
Остановимся на часто применяю |
|
Рис. |
3.3. |
Механическая |
|||||||
|
схема |
устройства, |
содер |
||||||||
щихся |
в пневматике |
механических |
|
жащего ряд |
подвижных |
||||||
цепях |
— соединении |
подвижных тел |
|
тел, |
соединенных |
общим |
|||||
|
|
|
штоком. |
|
|||||||
с общим штоком и соединении с ры |
|
|
|
|
|
|
|
||||
чагом. В этих цепях тела соединены |
|
|
|
|
|
|
|
||||
параллельно (рис. 3.3), поскольку считается, |
что |
каж |
|||||||||
дое тело одним концом присоединено |
к |
общему |
штоку |
||||||||
(рычагу), а другим |
— к корпусу |
(«земле»). В |
соответст |
||||||||
вии с приведенными |
выше правилами |
и принципом |
Да- |
||||||||
ламбера для параллельной механической цепи |
из п тел, |
||||||||||
соединенных штоком, |
справедливо |
уравнение |
|
|
|
||||||
|
|
|
dh |
|
|
|
= |
0, |
|
(3.12) |
|
|
- |
- |
/тр, я ^dt - |
cji |
+ |
Fz |
|
76 М Е Т О ДЫ РЕАЛИЗАЦИИ Б А З О В Ы Х ОПЕРАЦИЙ [ГЛ. I I
где
Мъ =112 ^ i i |
/ т р , Е = |
п2 / т р . » |
С Е = |
п2 С Ь |
i = l |
|
i = l |
|
{=1 |
i = l |
|
|
|
|
Др* — перепад давлений на i-м теле; (?г |
— составляющая |
веса г'-го тела, просуммированная с другими силами не пневматического происхождения, если таковые сущест вуют.
Подставляя в равенство (3.12) значение h из уравне
ния |
(3.3) для |
/с-го тела, после деления всех слагаемых |
||||||||
на iSa k |
получаем следующее дифференциальное |
уравнение |
||||||||
второго |
порядка |
для пневматического устройства с блоком |
||||||||
подвижных тел, соединенных общим штоком: |
|
|
||||||||
d*N„ |
dNL. |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
dt |
•.V, = |
2 K'v,iAPi |
|
+ Д р и Я , |
(3.13) |
||
в котором |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
2j |
frp, г |
|
|
|
|
|
|
|
; |
Rz--= |
nkS3kSVk |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
\ |
(3.13') |
r |
|
"kS-<>kSVk |
|
|
|
|
|
|
|
|
bE = |
— Z . |
|
i = l |
'ok |
|
|
Jok |
|
|
|
|
|
2 ct |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для цепи с |
рычагом |
аналогично |
получаем: |
|
|
|||||
|
|
dm* |
dN,. |
|
|
|
|
|
|
|
LzP |
-я*- + R ^ - ^ + -^— Nk = 2 |
|
K P , i b |
P i |
+ Д р м 3 , |
|||||
|
|
|
|
'sp |
» = i |
|
|
|
В Ы П О Л Н Е Н И Е ПРОСТЕЙШИХ ОПЕРАЦИЙ |
77 |
где
П
2 R
г=12 (^тр.гУ
inliSakSVk
К,
i = l
Элементарные операции, которые реализуемы блоками механически соединенных подвижных тел, найдем при
равниванием к нулю |
определенных |
коэффициентов в ра |
венстве (3.13). |
|
|
Так, при равенстве нулю всех сг |
в устройстве со што |
|
ком в установившемся |
режиме при постоянных Дрг , или |
|
при равенстве нулю всех с; , L 4 и i?4 |
имеем . |
|
п |
|
|
2ЯрдАРг + Др»1,В = ° . |
||
или при записи через |
суммарные эффективные площади |
|
ASDi тел, на которые |
действуют давления р*: |
|
71+1 |
|
(3.14) |
|
|
1=1
Следовательно, в устройствах с подвижными телами
алгебраическое суммирование давлений (с умножением каждого на коэффициент) и усилий осуществляется за счет суммирования усилий (механических потенциалов) посредством параллельного соединения их источников. Источником усилия служит подвижное тело, не имеющее сопротивления, по обе стороны которого подведены раз ные давления. Параллельное соединение выполняется путем организации механического жесткого соединения одного конца каждого подвижного тела и источника внешних усилий, т. е. объединения в единый блок, все
78 М Е Т О ДЫ Р Е А Л И З А Ц И И Б А З О В Ы Х ОПЕРАЦИЙ [ГЛ. I I
тела которого совершают синхронное, равное или пропор
циональное *) |
перемещение. |
|
|
|
|
|
|
||||
Если, кроме того, равны нулю все силы непиевмати- |
|||||||||||
ческого происхождения |
(Gs = 0), получаем из |
равенства |
|||||||||
(3.14) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
ASaipi |
= |
о, |
|
|
|
|
или |
|
|
1=1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VH |
= |
2 |
КщРь |
|
|
|
(3-15) |
||
|
|
KPii |
= |
- |
ASoi/AS3k. |
|
|
|
(3.16) |
||
При равенстве пулю всех сопротивлений механиче |
|||||||||||
ского происхождения |
и |
всех |
непневматических |
сил |
рас |
||||||
|
|
|
|
|
смотренный |
блок |
подвижных |
||||
|
°Э1 |
|
|
|
тел может быть применен в |
||||||
|
|
Pi |
|
качестве трансформатора |
с ря- |
||||||
111111111П| |
|
|
дом входов. Так, если |
к-я |
каме |
||||||
|
|
|
|
|
ра герметизирована, |
то в |
ней, |
||||
шпш |
|
Рг |
|
поскольку по условию суммар- |
|||||||
4* |
|
пая жесткость, как и другие |
|||||||||
|
|
|
сопротивления, равна нулю, за |
||||||||
Рпс. 3.4. Схема пневматического |
|
счет изменения объема с пере |
|||||||||
трансформатора. |
|
|
|
мещением блока подвижных тел |
|||||||
|
|
|
|
|
давление рк |
будет |
определять |
||||
|
|
|
|
|
ся |
из |
равенства (3.15). |
|
|||
Устройство |
с |
двумя |
подвижными |
телами |
(п |
= 2), |
|||||
если средняя камера соединена с «землей», |
является |
||||||||||
трансформатором |
избыточных давлений |
( р и с |
3.4); исполь |
||||||||
зуя уравнение |
(3.15), |
получаем: |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
Рг |
= |
-о—Pi, |
|
|
|
|
т. е. коэффициент трансформации избыточных давлений равен отношению эффективных площадей:
(3.17)
*) В случае рычага, являющегося механическим трансформато ром усилий, . . . .
В Ы П О Л Н Е Н И Е ПРОСТЕЙШИХ ОПЕРАЦИЙ |
79 |
Коэффициент трансформации тока равен
В общем |
случае К\ =j= 1/Кр. |
Если S31 = SVl, |
SB2 — SV2, |
|||
a |
Pi ~ |
p% |
(при этом щ ^ |
пг), |
имеет место |
соотношение |
Кг |
^ HKV. |
У трансформатора |
с рычагом |
|
Ограничение хода, реально существующее в устройст вах с подвижными телами, делает их нелинейными эле ментами с характеристиками типа «насыщение». Что ка сается активного сопротивления,основанного на вязком трении при перемещении тела, то оно пока не нашло при менения как элемент вследствие трудностей, возникающих при стабилизации коэффициента трения / т р и герметиза ции (ибо в противном случае работает также нелинейное сопротивление пневматического происхождения — про ток газа через неплотности), а также из-за отмеченного выше ограничения, обусловливаемого конечностью путп при одностороннем перемещении, и длительности возвра та подвижного тела в исходное состояние. Однако в тех нике переменных токов или в определенных частных слу чаях применение механического сопротивления может быть достаточно эффективным.
Проиллюстрируем возможное применение механического актив ного сопротивления.
На, рис. 3.2, а приведена схема интегратора с отсчетом выхода в виде перемещения Д/i, например, визуально в лабораторных усло виях при прозрачных стенках цилиндра. Его уравнение:
(. |
и |
|
и |
|
и |
Ah = \vdt = |
[ |
( p i ~ P o ) S |
dt=-£-\pldt, |
Л = Л Н + - Д - |
[pldt,- |
J |
J |
' т р |
' т р J |
' т р |
у |
где p i и po — входные давления. Такой интегратор не требует гер метизации поршня.
Схема умножения на |
коэффициент |
показана на рис. 3.2, б. |
Реализуется уравнение |
|
|
„о |
А !ш. -р |
Jhvo |
Р |
* |
f i * P P l ~ |
К * 1 , |