Мехатроника и динамика мини-роботов

из которых может поступить импульс, то возможные последовательности входных сигналов могут быть однозначно определены при помощи восьмиразрядных двоичных чисел.

Выходом двоичного счетчика является двоичный код, который содержит информацию о входной комбинации импульсов. Однако такая простейшая схема шифратора отображает входные последовательности сигналов D, F и G в одну точку, что приводит к потере информации, содержащейся во входном потоке. Различия в перестановках можно сохранить за счет введения дополнительных разрядов, необходимых для хранения этой информации. В то время как для описания входной комбинации из п единиц и 8 – п нулей достаточно трех разрядов, для сохранения относительного расположения единиц и нулей необходимы восемь разрядов. При соответствующем расположении триггеров можно легко записать всю информацию последовательности импульсов восемью битами. Это как раз то, что получают в случае сдвигового регистра. Однако необходимо подчеркнуть, что счетчик не сохранит всей информации.

В случае аналогового сигнала логические уравнения, приведенные вначале, не позволяют различать все 2 – 1 ложных состояния при выдаче неизменяемого сигнала истинного состояния. Потеря информации при использовании любого одного логического уравнения, связывающего значения нескольких переменных, характерна для многих цифровых систем, о чем необходимо помнить при проектировании систем.

7.5.Автоматические системы управления

всистемах с памятью

Здесь речь идет об автоматическом программном управлении

собратной связью, при котором очередной запрограммированный этап работы начинается после завершения предыдущего. Сохранение переключательных сигналов и состояний управления осуществляется

спомощью триггеров с двумя устойчивыми состояниями, именуемых также «бистабильными мультивибраторами» (англ. flipflop). Они находятся либо в состоянии включения, либо в состоянии выключения и соответственно их выходные сигналы (за исключением короткого времени коммутации) имеют значения 1 или 0.

240

Для триггеров также возможны разные формы исполнения: механические, пневматические, электрические и электронные. Кроме того, они различаются по виду и действию входных сигналов.

Триггеры

Триггер с раздельным входами (RS-триггер) устанавливается сигналом со значением 1 на входе S, т. е. приводится в коммутационное состояние «включено» (табл. 7.11). Посредством сигнала со значением 1 на входе сброса R триггер возвращается в исходное состояние, т. е. приводится в коммутационное состояние «выключено». Триггер сохраняет соответствующее коммутационное состояние, даже если сигналы удаляются от входов. Коммутационное состояние триггера может быть считано на выходе Q. В большин-

стве случаев имеется еще выход с отрицанием Q, который проводит сигнал, обратный Q.

Таблица 7.11

Триггеры с раздельными входами

У механического триггера перекидной рычаг посредством пружины сжатия всегда приводится в однозначное положение (см.

241

табл. 7.11). При нажатии клавиши S осуществляется установка триггера, при нажатии клавиши R – его сброс в исходное положение. Ни в коем случае нельзя нажимать клавиши S и R одновременно. Типичным примером такого триггера является обычный тумблер.

Пневматический вариант триггера с раздельными входами может быть реализован на основе 4/2-ходового импульсного вентиля. Под действием короткого импульса давления на присоединение управляющей линии R вентиль приводится в исходное положение b. При воздействии давлением присоединение S вентиль переходит в коммутационное положение а; триггер установлен.

Электрическая триггерная схема состоит из двух реле с самоудерживающим контактом (см. табл. 7.11). В самоблокирующем ответвлении находится еще размыкающий контакт другого реле. Если посредством клавишного переключателя S устанавливается реле К1, самоудержание реле К2 немедленно прекращается. Если же задействуется клавишный переключатель R, происходит сброс релейного триггера (включается К2) и прерывается самоудержание для К1.

Электронные триггерные схемы обычно выполняются в виде интегральных схем (ИС), так что пользователю не обязательно разбираться во внутренней структуре схемы. Через входы S и R включаются два транзистора. Если под действием сигнала положительного напряжения (сигнала со значением 1) на входе S транзистор

V1 является токопроводящим, то выход Q проводит сигнал со зна-

чением 0. Но тогда через резистор R1 и на управляющий вход транзистора V2 тоже поступает сигнал со значением 0, так что этот транзистор уже не проводит ток, и на выходе Q имеет место положительное напряжение (сигнал со значением 1). Через резистор R2 на управляющий вход транзистора V1 подается положительное напряжение, так что V1 остается проводящим. При наличии обратных сигналов S и R коммутационные состояния обоих транзисторов тоже меняются на обратные (проводящие либо непроводящие).

Триггер с тактовым управлением (табл. 7.12) при появлении фронта тактового импульса принимает значение входа J или входа K, если таковое равно 1. (Неприсоединенный вход интерпретируется в большинстве случаев как 1). Если на обоих входах присутствуют сигналы со значением 1, то состояние на выходе Q изменяется с каждыми тактовым сигналом.

242

Таблица 7.12

Триггеры с входом тактовых импульсов

В примере механического исполнения триггера в показанном положении рычага верхняя плоская пружина при срабатывании входит в зацепление с выемкой в перекидном рычаге и перекидывает его, в то время как нижняя плоская пружина входит в предусмотренное в рычаге углубление и остается там. У перекинутого рычага при новом срабатывании нижняя и верхняя плоские пружины действуют обратными образом. Такой механизм часто встречается у шариковых ручек.

Рис. 7.40. Входной сигнал и выходной сигнал у триггера с входом тактовых импульсов

243

Пневматическая схема (вентили 1–5) этого триггера находит применение в управлении реверсом. При срабатывании сигнального элемента 1 вентиль 3 включается в положение a, поршневой шток

цилиндра выдвигается. Из рабочей линии В посредством перекидного клапана 5 осуществляется переключение распределителя в положение б. Повторное короткое срабатывание сигнального элемента 1 вновь включает вентиль 3 в положение б, и от рабочей линии А через перекидной клапан 4 вентиль 2 возвращается в положение a.

Поршневой шток цилиндра втягивается.

Электрическая триггерная схема действует на основе реле по-

следовательного включения с двумя коммутационными положениями. С каждым импульсом тока рабочие контакты меняют свое положение.

При электронной схеме оба транзистора управляются посредством конденсатора. Это означает, что здесь эффективны только импульсы напряжения. Импульсы положительного напряжения (сиг-

налы 0 1) попадают через диоды к транзисторам. Транзистор, не проводящий ток, становится при этом проводящим и с выдержкой времени приводит токопроводящий в данный момент транзистор в непроводящее состояние.

Нередко триггеры управляются не статическими двоичными сигналами 0 и 1, а на основе изменения состояния сигналов от 1 0 (табл. 7.13). Такой способ управления называется динамическим. Наряду с входами R, S и T имеются и другие управляющие

входы. Они могут быть как статическими, так и динамическими.

Таблица 7.13

Условные обозначения триггеров на схеме

Обозначения статических входов

Статический вход для входных сигналов 1 и 0

Статический вход с отрицанием

244

Продолжение табл. 7.13

Маркировка входов

Вход R (вход сигнала сброса)

Если сигнал принимает на R-входе значение 1, на выходе Q обязательно будет значение 0. Сброс входящего сигнала к значению 0 не вызывает никакого изменения состояния

Вход S (вход сигнала установки)

Если сигнал на входе S принимает значение 1, на выходе Q обязательно будет значение 1. Сброс входного сигнала к значению 0 не вызывает никакого изменения состояния

Маркировка видов

Вход J (вход сигнала установки на «1») Это тоже вход установки, как и вход S, с той лишь разницей, что выходной сигнал принимает дополнительное состояние, если как J, так и K имеют значение 1

Вход K (вход сброса)

Это тоже вход сброса, как и вход RS, с той лишь разницей, что выходной сигнал принимает дополнительное состояние, если как J, так и K имеют значение 1

Вход G

Только в том случае, если входной сигнал на входе С имеет значение 1, будут активны и все прочие входы

Вход С

Только в том случае, если входной сигнал на входе С имеет значение 1, будут активны и все прочие входы

Условные обозначения для динамических входов

Динамический вход, при котором действует изменение входного сигнала от 1 0

Динамический вход, при котором действует только изменение входного сигнала от

1 0

245

Продолжение табл. 7.13

Примеры

Тригер RS-типа (с раздельными входами)

Если входные сигналы на S и R имеют разные значения, выходные сигналы также будут различны. Если входные сигналы затем оба примут значение 0, выходные сигналы останутся в прежнем состоянии. Если оба входных сигнала имеют значение 1, то и оба выходных сигнала также будут со значением 1, но при сбросе входных сигналов на 0 выходные сигналы перейдут в разряд неопределенных

Тригер JK-типа

Выходные сигналы здесь такие же, как и у RS-триггера, но они всегда различны, даже если одновременно на входах J и K имеет место сигнал со значением 1. В этом случае выходы изменяют свое значение относительно предыдущего состояния. Сброс входных сигналов на 0 не вызывает никаких изменений состояния

Триггер JK-типа с тактовым управлением

JK-триггер с тактовым управлением при появлении фронта тактового импульса на С принимает значение J-входа, если таковой имеет значение 1. Если на обоих входах присутствуют сигналы со значением 1, то состояние на выходе Q меняется с каждым тактовым сигналом. Неприсоединенным входам обычно присваивается значение 1

Триггер RS-типа

С подготовленным S-входом выходные сигналы идентичны таковым у триггера с раздельными входами. Сигналы на входе SG активны только при условии, что на G-входе сигнал переходит от 1 0

246

Окончание табл. 7.13

JK-триггер по принципу «главный-под- чиненный»

Главный триггер (Master) при каждом изменении сигнала 1 0 принимает сигналы уста-

новки или соответственно сброса. Подчиненный триггер (Slave) получает сигналы установки и сброса от главного триггера при изменении состояния сигнала на G от 1 0

Триггеры обладают множеством вариантов функций. При функ-

ционировании по принципу «главный-подчиненный» (Master-Slave) с положительным фронтом тактового импульса (изменение состояния сигнала от 0 1) сигнальная информация принимается через входы J иK в главный триггер. Подчиненный триггер с учетом отри-

цательного входа G сначала ни устанавливается, ни сбрасывается. И только с последующим отрицательным фронтом импульса информация главного триггера передается подчиненному триггеру. Такое исполнение известно также как «триггер сфиксацией состояния».

247

Часть 3. ДИНАМИКА МОБИЛЬНЫХ МИНИАТЮРНЫХ РОБОТОВ

Глава 8. МАСШТАБ, ПОДОБИЕ И РАЗМЕРНОСТЬ В МОДЕЛЯХ ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

8.1. Масштабный фактор. Критерии подобия

Характерная особенность мехатронных систем – разнородность (гетерогенность) их структур, характеризующихся разной физической природой процессов, на основе которых они функционируют. В основном это механические и электродинамические процессы, а также информационно-кибернетические, использующие эффекты микроэлектрооптики. Величины, используемые для описания законов в этих областях, отличаются размерностью, что, на первый взгляд, делает их плохо совместимыми для моделирования. Однако символьный язык математики и диаграммный язык схемотехники, теории графов сделали возможным их единообразное описание как систем, состоящих из элементов (звеньев), объединенных в цепи по определенным правилам логики.

Мехатронные системы имеют широкое разнообразие не только по объединяемым в одной конструкции физическим процессам, но и по масштабу конструкций, причем масштабирование имеет выраженный эффект подобия. Например, миниатюрные роботы типа антропоидов, биороботы, дроны, колесные и гусеничные роботы имеют ясно выраженные признаки подобия с человеком, животными, самолетами, ракетами, геликоптерами, машинами, танками и т. д. Это выраженное геометрическое подобие может быть экстраполировано в область физического подобия (кинематическое и динамическое подобие). Однако если геометрическое подобие достаточно легко определяется и формализуется в геометрии, топологии, то вопросы физического подобия составляют содержание специальных дисциплин, в которых они изучаются. Физическое подобие связано с размерностью, поэтому приведем краткие сведения из разделов теории подобия и размерности.

Два явления подобны, если по заданным характеристикам одного можно получить характеристики другого простым пересчетом,

248

который аналогичен переходу от одной системы единиц измерения к другой системе.

Для осуществления пересчета необходимо знать «переходные масштабы».

Численные характеристики для двух различных, но подобных явлений можно рассматривать как численные характеристики одного и того же явления, выраженные в двух различных системах единиц измерения. Для всякой совокупности подобных явлений все безразмерные характеристики (безразмерные комбинации из размерных величин) имеют одинаковое численное значение. Обратное заключение также справедливо, т. е. если все безразмерные характеристики для двух движений одинаковы, то движения подобны.

Пусть явление определяется n параметрами, часть из которых может быть безразмерными, а некоторые являются размерными физическими постоянными. Допустим, что размерности переменных параметров и физических постоянных выражены через k основных

единиц измерения k n . В общем случае из n величин можно

составить не более n k независимых безразмерных комбинаций, образованных из определяющих параметров. Следовательно, среди всех безразмерных величин, составленных из характеристик явления, всегда можно указать некоторую базу, т. е. систему безразмерных величин, которые определяют собой все остальные величины.

Класс явления, определенный постановкой задачи, содержит явления, вообще не подобные между собой. Выделение из него подкласса подобных явлений осуществляется с помощью следующего условия: необходимым и достаточным условием подобия двух

явлений будет постоянство численных значений безразмерных комбинаций, образующих базу. Условия о постоянстве базы параметров, составленных из заданных величин, определяющих явление, называются критериями подобия.

Если условия подобия выполнены, то для фактического расчета всех характеристик в натуре по заданным данным о размерных характеристик на модели необходимо знать переходные масштабы для всех соответствующих величин.

Если явление определяется n параметрами, из которых k имеет независимые размерности, то для k величин с независимыми размерностями переходные масштабы могут быть произвольными и их

249