Мехатроника и динамика мини-роботов

тысяч бит, т. е. является небольшим по сравнению с объемом памяти операционных автоматов.

Рассмотрим контур, состоящий из операционного и управляющего автоматов (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Контур из операционного и управляющего автоматов

На вход операционного автомата (канал 1) поступает преобразуемая информация; с выхода операционного автомата (канал 2) снимаются результаты преобразований; по каналу 3 поступают управляющие воздействия, соответствующие реализуемому алгоритму; по каналу 4 на вход управляющего автомата поступают признаки, характеризующие преобразуемую информацию; по каналу 5 – сигнал, определяющий выполняемое преобразование и его начало; по каналу 6 – сигнал окончания операции. Каналы 1 и 2 называются

информационными, каналы 3–6 – управляющими.

190

Глава 7. ДВОИЧНЫЕ И ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Электронные системы управления обычно являются двоичными или цифровыми.

Вдвоичных системах двухуровневые управляющие сигналы, т. е. командные сигналы переключений, соединяются друг с другом, сохраняются и вновь выводятся уже в форме логических сигналов.

Способ связи сигналов между собой описывается алгеброй ре-

лейно-контактных систем.

Вцифровых системах управления несколько двоичных сигналов либо серия двоичных импульсов кодируются в виде чисел, сохраняются и обрабатываются в таком виде.

Способы связи между числами описываются на основе арифметических действий, например сложения и умножения. Модулями цифровых управляющих систем являются в большинстве случаев интегральные схемы (ИС), микропроцессоры и микрокомпьютеры.

7.1.Двоичные логические связи

Вдвоичных системах управления требуются конструкционные элементы, с помощью которых можно соединять двоичные сигналы, например, сигналы бесконтактных выключателей приближения. Двоичные управляющие системы с очень большим числом сигнальных связей в большинстве случаев являются электронными системами управления с двоичными логическими схемами либо оснащенными микропроцессорами, системами программного управления от ЗУ.

Независимо от того, являются ли эти сигналы механическими, пневматическими или электрическими, среди логических операций различают функцию И, функцию ИЛИ и функцию НЕ (отрицание). Для наглядного представления этих связей выбрана форма уравнений (переключательных функций) с использованием алгебры ре- лейно-контактных схем и схем сигнализации.

Логический элемент И посылает на свой выход сигнал со зна-

чением 1, если на одном и на другом входе также имеет место сигнал со значением 1, например: логический сигнал, напряжение, давление и т. д. (табл. 7.1).

191

Таблица 7.1

Логическая операция И

В таблице значений функций (см. табл. 7.1) представлены все возможные коммутационные состояния для входных сигналов a, b

с указанием относящегося сюда значения функции для выходного сигнала x. Если входы a, b проводят каждый сигнал со значением 0,

то выход x также посылает сигнал со значением 0. Если на входе a имеет место сигнал со значением 0, а на входе b – сигнал со значением 1, то выход x снова проводит сигнал со значением 0. Если, напротив, a проводит сигнал со значением 1, а вход b – сигнал со значением 0, то на выходе опять-таки будет сигнал со значением 0. И только если входные сигналы a иb будут сигналами со значени-

ем 1, то и выходной сигнал x также будет сигналом со значением 1.

В алгебре релейно-контактных (переключательных схем), именуемой также булевой алгеброй, такая функциональная зависимость выражается в виде переключательной функции x a b, что

означает: x равен a иb.

В электрической схеме функцию И реализуют на основе последовательно включенных контактов. Только при замыкании контактов a иb на реле поступает электрический ток и включает контакт x

(см. табл. 7.1).

192

Уэлектронных схем существует множество форм исполнения –

взависимости от вида используемых полупроводниковых элемен-

тов. Например, через резистор R протекает электрический ток (и соответственно на R подается напряжение) только в том случае, если на выводах базы двух транзисторов a иb имеет место управ-

ляющее напряжение (см. табл. 7.1).

Операция И механического действия может быть реализована, например, с помощью двух коленчатых рычагов (см. табл. 7.1): только когда нажаты установочные кнопки a иb, длины хода ко-

ленчатых рычагов будет достаточно, чтобы отжать болт x вправо

(сигнал со значением 1).

Пневматическим способом операцию И можно реализовать посредством включенных друг за другом распределителей, приводимых в действие, например, за счет нагружения давлением и пружинного возврата (см. табл. 7.1). Оба вентиля закрыты в состоянии покоя, и лишь когда задействованы оба присоединения управляющей линии, выход x проводит давление. Обычно в качестве эле-

мента И используется регулятор двойного давления (см. табл. 7.1). Логический элемент ИЛИ всегда посылает на свой выход сигнал со значением 1, если на одном входе или на другом входе или на обоих входах имеет место сигнал со значением 1. И только когда все входы проводят сигнал со значением 0, на выходе также по-

явится сигнал со значением 0 (табл. 7.2).

Таблица 7.2

Логическая операция ИЛИ

193

Связь между входными сигналами и выходным сигналом представлена через таблицу значений функций либо через переключательную функцию x a b, что означает: x равно a илиb.

В электрической схеме функцию ИЛИ реализуют на основе параллельно включенных контактов. При замыкании контактов a илиb

(или обоих сразу) реле производит включение контакта x.

При электронной схеме входы сигналов есть выводы без параллельно включенных транзисторов. Если на одном или на обоих выводах базы имеет место положительное напряжение, то включаются один либо оба транзистора. Тогда выход также проводит сигнал положительного напряжения x.

Для механической функции ИЛИ можно задействовать – на выбор – установочные кнопки a или b либо обе кнопки, чтобы от-

жать болт x вправо (сигнал со значением 1).

Пневматическим способом операцию ИЛИ можно реализовать с помощью двух распределителей. При срабатывании a илиb при-

соединение x оказывается под давлением. Операция ИЛИ возмож-

на и с использованием перекидного клапана.

Элемент НЕ (схема отрицания) вызывает изменение полярности сигнала. Из сигнала со значением 1 на входе получается сигнал со значением 0 на выходе, а из сигнала со значением 0 на входе получается сигнал со значением 1 на выходе (см. значения функций в табл. 7.3). Данная переключательная функция имеет вид x a

иозначает: x не равен a.

Вэлектрической схеме изменение полярности сигнала реализуют через реле с размыкающим контактом. При включении реле происходит размыкание релейного контакта, при выключении – его замыкание.

При электронной схеме транзистор проводит ток, если на вы-

воде его базы имеет место положительное напряжение (сигнал со значением 1) (см. табл. 7.3). В результате на резисторе R отмечается падение напряжения, и выход проводит напряжение около 0 В, т. е. имеет место сигнал со значением 0. Если на базе вообще нет напряжения (сигнал со значением 0), транзистор не проводит ток, а на выходе x есть напряжение и, следовательно, имеет место сигнал со значением 1.

194

Таблица 7.3

Логическая операция НЕ

Механический элемент НЕ меняет регулировочное направление болта на обратное. При отжатии установочной кнопки вправо (сигнал со значением 1) болт x перемещается влево (сигнал со значением 0), а если потянуть установочную кнопку а влево, болт пойдет вправо.

Пневматическим способом операцию НЕ можно реализовать с помощью распределителя с расходом в состоянии покоя.

Из семейства логических функциональных схем чаще всего находит применение серия SN 74, где логическая функция реализуется с использованием нескольких транзисторов. В этом случае говорят о ТТЛ-технике (англ. transistor-transistor-logic – транзи-

сторно-транзисторная логика). Переключающее напряжение но-

минально составляет 5 В. Для сигнала со значением 0 это напряжение может находиться в диапазоне от 0 до 0,4 В, а для сигнала со значением 1 – от 2,4 до 5,5 В. Среди прочих семейств переключа-

тельных схем можно назвать: I 2 L (англ. integrated injection logic –

интегральная инжекционная логика, И2Л), ECL (англ. emittercoupled logic – эмиттерно-связанная логика, ЭСЛ) и множество семейств MOS (англ. metal-oxide-semiconductor металлоокисный полупроводник – МОП-структура).

195

Сочетание нескольких логических операций

Функция И и функция ИЛИ могут быть расширены на несколько входов или снабжены еще и схемой НЕ (НЕ И, НЕ ИЛИ), либо несколько логических элементов могут быть вложены друг в друга с образованием единого звена связи (табл. 7.4).

Двоичные электронные функциональные схемы обычно содержат на одном чипе (кристалле ИС) несколько логических модулей, например сразу четыре элемента НЕ И.

Таблица 7.4 Функциональные схемы соединений сигналов (примеры)

П р и м е р ы

Для приведенных далее заданий определить требуемые логические функции и составить функциональнуюсхему соединений сигналов.

З а д а н и е 7.1

Двигатель шпинделя x должен включаться при нажатии сигнальной кнопки a (сигнал со значением 1), причем смазочный насос b работает (сигнал со значением 1), а двигатель зажима инструмента c не работает (сигнал со значением 0).

196

Р е ш е н и е

Логическая функция x a b c. Условное обозначение на схеме

З а д а н и е 7.2

Сигнальная лампа x должна загораться (сигнал со значением 1) при включении регулятора давления масла a (сигнал со значением 1) или срабатывании реле чисел оборотов b двигателя шпинделя (сигнал со значением 1) либо с приведением в действие двигателя зажима инструмента c (сигнал со значением 1), но без одновременной активизации тормозной муфты d (сигнал со значением 0).

Р е ш е н и е

Логическая функция x a b c d . Условное обозначение на схеме

7.2. Алгебра переключательных схем

Алгебра переключательных схем (булева алгебра, от Boole – английский математик, 1815–1864) есть математическое описание отношений между двоичными переменными. Существует целый набор правил, объяснить которые легче всего с помощью переключающих контактови возможного прохожденияэлектрического тока(табл. 7.5).

197

Таблица 7.5

Правила алгебры переключательных схем

Перечислим здесь важнейшие законы алгебры переключательных схем (табл. 7.6):

законы коммутативности;

ассоциативные (сочетательные) законы;

распределительные (дистрибутивные) законы;

законы отрицания (теорема Де Моргана – от De Morgan – английский математик, 1806–1871).

198

П р и м е р 7.1

Перевести функцию x (a b) (c d) в функцию, содержащую только термы НЕ И.

Ре ш е н и е

x(a b) (c d) (a b) (c d);

xx (a b) (c d), рис. 7.1.

Рис. 7.1. Решение примера 7.1

П р и м е р 7.2

Перевести функцию x (a b) c в термы НЕ И.

Ре ш е н и е

x(a b) c (a b) c;

xx (a b) c, рис. 7.2.

Рис. 7.2. Решение примера 7.2

199