книги / Основы пневмоавтоматики

Рассмотрим критерии, определяющие качество статических характеристик для двух струйных элементов: ИЛИ — НЕ, ИЛИ и элемента памяти (триггера с раздельными входами). Приня­ то различать два рода статических характеристик — прямую и инверсную [12].

Прямой характеристикой называют такую зависимость вы­ ходного сигнала от управляющего, когда происходит возрастание

ной устойчивости струйных элементов. Введем обозначения для величин максимальных и минимальных допустимых значений давлений, соответствующих условным 1 и 0. Обозначим ротах, максимальное и минимальное значения давления, соот­ ветствующие условному 0; pi max, Pi min — максимальное и мини­

мальное значение давления, соответствующие условной 1

231

(рис. 127). Функциональная устойчивая работа логических струй­ ных элементов в системах управления может происходить только в том случае, если статические характеристики струйных эле­ ментов будут отвечать определенным требованиям. Этим требо­ ваниям должны удовлетворять минимальное и максимальное значения сигналов, соответствующих 0и1, коэффициенты усиле­ ния, наклон хаактеристик и т. п. Другими словами, все семейст­ во характеристик элементов, входящих в систему, должно укла­ дываться в определенным образом выделенную область допусти­ мых значений.

Построим область допустимых прямых характеристик, исходя из требований функциональной устойчивой работы элементов. При этом следует основываться на том, что элемент не должен сработать от давления р0тах и надежно должен сработать от давления pimin (при увеличении управляющего давления), а так­ же не должен сработать от p\min и надежно должен сработать

при уменьшении давления до ротах (при уменьшении управляю­ щего давления). Область допустимых характеристик следует строить так, чтобы обеспечить запасы по максимальному значе­ нию условного 0 и минимальному значению условной 1, при этом необходимо учитывать случайные флюктуации давлений. В вы­ деленной зоне статическая характеристика может занимать лю­ бое положение, однако должно соблюдаться усилие amm ^ ^ а ^ 90°. В частном случае, например, прямая характеристика может быть как чисто релейной (рис. 127, а), так и наклонной (рис. 127, б) с петлей гистерезиса Ар.

Левую граничную вертикальную прямую области допустимых

где ротах — максимальное остаточное давление на выходе преды­

прямому срабатыванию; щ — коэффициент, определяющий про­ хождение левой граничной вертикальной прямой, к\ = 1 + h0 + + h\\

hf}=S _AJS!SL;

Ротах Ротах

Правую граничную вертикальную прямую выбирают из усло­ вия минимального значения сигнала pimin, соответствующего ус­

232

носительно минимальной единицы, поданной с выхода предыду­ щего элемента; 6р — величина запаса по обратному срабатыва­ нию; %2 — коэффициент, определяющий прохождение правой

граничной вертикальной прямой;

В частном случае возможно, что Атах0 = Amaxi = Атах. Очевидно, что при подаче на вход элемента давления, равно­

го или большего давление на выходе рассматриваемого элемента не должно быть меньше давления /7imin. Поэтому гори­ зонтальная прямая, ограничивающая область допустимых харак­ теристик снизу, должна проходить на расстоянии pimin от оси абсцисс. На максимальное значение р у до определенных преде­

лов никаких ограничений не накладывается. Однако в ряде эле­ ментов при чрезмерном увеличении входного давления может происходить уменьшение давления на выходе за счет слишком большого угла поворота питающей струи и ответвления ее части в атмосферную полость. При этом давление на выходе может стать меньше pimin, что недопустимо. Поэтому на выходное дав­ ление накладывается ограничение: оно не должно превышать значения

Рlmax = Ркр ^max = ^з/?кр>

где р1ф— давление, при котором статическая характеристика пе­

ресекает горизонтальную линию, проходящую на расстоянии Pimin от оси абсцисс; Атах— максимальная амплитуда флюктуа­ ций относительно /?ипах> поданного с выхода предыдущего эле­ мента; 6р — величина запаса по критическому давлению.

Рассмотрим прямую характеристику при одновременной ра­ боте двух выходов элемента. На выходе элемента давление, при этом соответствующее значению условного 0, не должно превос­ ходить Значения /?0тах-

Прямая характеристика может иметь зону отрицательного давления, определяемую рот\п- Это давление не должно выводить

инверсную характеристику из области допустимых значений (см. рис. 127).

Из условий отсутствия ложных срабатываний (повышения помехоустойчивости) необходимо выбрать ширину петли гисте­ резиса, которая для релейной характеристики должна превосхо­ дить максимальную удвоенную амплитуду помех. Таким обра­ зом, ширину петли можно найти по следующей формуле:

АР = 2(Лтах + бр),

где 6/7 — величина запаса по давлению; Лтах — максимальная амплитуда флюктуаций по управляющему сигналу.

Аналогично определяют зону допустимых значений для ин­ версной характеристики струйного элемента. Следует отметить,

233

что инверсная характеристика имеет спад в зоне отрицательных управляющих давлений. Ограничение области допустимых зна­ чений справа определяется давлением ротшОграничение, накла­ дываемое на давление ртах, справедливо при работе элемента

на два выхода. Если используется только один инверсный выход, то эти ограничения снимаются, что в ряде случаев является це­ лесообразным.

Построим области допустимых характеристик для элемента памяти. При запоминании пневматического сигнала на инверс­ ном выходе необходимо, чтобы при подаче и снятии давления р(

Рис. 128. Зоны функциональной устойчивости струйного элемента

п ам яти :

на выходе было давление рви соответствующее значению услов­

ной единицы. Статические характеристики для инверсного выхо­ да в зависимости от давлений ру и рс показаны на рис. 128. За­

поминание сигнала, соответствующего значению условного 0, про­ исходит при подаче и последующем снятии сигнала р у,соответ­ ствующего условной единице. Граничные значения давлений р\г и рог устанавливают так же, как и для логических элементов

ИЛИ — НЕ ИЛИ. Величины P im in , P lm a x , POmax, Pom in, соответст­ вующие значениям условных 1 и 0, из условия совместной ра­ боты логических и запоминающих элементов следует выбирать одинаковыми. Возможно наличие отрицательных давлений ру и рс. Однако максимальные значения указанных отрицательных давлений не должны быть меньше pom in. При этом pom in выбира­ ют по той же методике, что и для элемента ИЛИ — НЕ ИЛИ. Зависимость давления рв\ от управляющих давлений ру и рс

показана на рис. 128, где штриховкой указана зона допустимых характеристик.

Проведенный анализ позволяет сформулировать следующие критерии качества работы струйных элементов в статическом ре­ жиме.

234

Коэффициентом запаса по прямому срабатыванию струйного элемента можно считать отношение

Р 1Г

по обратному срабатыванию — отношение

Роmax

Для функционально устойчивой работы струйных элементов необходимо выполнение следующего условия:

Pir — Рог

Выполнение неравенства k\ > 1 можно считать необходимым

условием работоспособности элемента. Элемент, не соответству­ ющий этому условию, исключается из дальнейшего рассмотре­ ния. Очевидно, что, чем больше ku тем больше запас по сраба­

тыванию и тем более функционально устойчив элемент.

Для уменьшения вероятности ложных срабатываний элемен­ та необходимо, чтобы величины условных единиц и нулей были четко разграничены и отношение

k2 = JH S H L > 1

Ротах

должно быть как можно большим.

Одним из основных критериев оценки элемента можно счи­

Одним из главных показателей качества работы струйных элементов является их нагрузочная способность. Для построения разветвленных логических схем на модулях и элементах струй­ ной техники (см. гл. VI) нагрузочные характеристики элементов должны быть такими, чтобы к их выходам можно было подклю­ чать как можно большее число элементов. Минимально допусти­ мое число элементов должно быть не менее двух. Поэтому не­ обходимо обеспечить достаточно большие и по возможности оди­ наковые входные сопротивления элементов. Приведенные выше статические характеристики были рассмотрены для нагружен­ ных струйных элементов. При максимальной нагрузке элемента давление на его выходе не должно быть меньше pimin, а при минимальной нагрузке не должно превышать pimaxНагрузочные свойства элемента оценивают с помощью входной и выходной нагрузочных характеристик, пересечение которых определяет

235

рабочую зону АВС по нагрузкам (рис. 129). Входная характери­

стика, представляющая собой зависимость между расходом и давлением на входе элемента, определяет его входное сопротив­ ление. На рис. 129 показаны характеристики двух граничных входных сопротивлений, соответствующих минимальному п = = ftmin и максимальному п = /гтах допустимым входным нагруз­ кам, где п — число подключаемых элементов.

Выходная нагрузочная характеристика QB = !{ръ) ограничи­

вает зону допустимых значений, образуемую в результате допу­

коэффициент ветвления, при одинаковых входных сопротивлениях элементов определяют по формуле

где Qimax — максимальный расход на выходе управляющего эле­ мента, соответствующий pimin*, Qiminmin— расход, необходимый для управления одним элементом при pimin-

Коэффициент усиления по расходу показывает, во сколько раз расход на выходе превосходит расход, необходимый для уп­ равления при разных нагрузках, которым соответствуют допус­ тимые значения давления.

Коэффициент усиления по мощности в общем случае равен

При сравнении энергетических показателей элементов удоб­ но использовать коэффициент полезного действия, равный отно­ шению выходной мощности элемента к мощности, подводимой извне:

N В Ы Х

#6

No+ NBX

236

Для инверсного выхода элемента NBX = О и k6 = NBbIX/N0\ для пассивных элементов No = 0 и k6 = N Bbix/NBX.

Наиболее сложным режимом для струйных элементов и си­ стем является динамический режим. При работе в динамике справедливы все критерии, характеризующие статический режим, однако необходимо ввести коэффициенты, учитывающие специ­ фику динамического режима.

В динамическом режиме на функциональную устойчивость работы элементов оказывают влияние случайные флюктуации, кроме того, в этом режиме проявляются инерционные свойства струй.

Одной из основных осо­ бенностей ■работы дискрет­ ных струйных элементов в динамическом режиме мож­ но считать вероятность лож­ ного переключения при нали­ чии шумов, что может выз­ вать сбой многотактной схе­ мы. Запаздывания передачи сигналов в каналах умень­ шают крутизну фронтов уп­

равляющих импульсов, что может привести к увеличению вре­ мени переходных процессов. Учитывая вышеизложенное, можно ввести следующие основные показатели качества, обеспечиваю­ щие функциональную устойчивую работу в динамике. Наиболее важным критерием оценки качества в динамике является быст­ родействие элементов. Оценить быстродействие можно по диа­ пазону пропускаемых элементом частот. Следует учитывать, что при разном дросселировании на выходе (разном числе п под­

ключаемых элементов) максимальная частота пропускания (оШах будет различной. На рис. 130 показана амплитудно-частотная характеристика струйного элемента при разных нагрузках. По оси ординат отложено отношение выходной амплитуды давления

рв к ВХОДНОЙ р Уср.

Ограничением по допустимой пропускаемой частоте является минимальное допустимое отношение амплитуд

Plmin

при котором запас по давлению минимальный. Если п\ < п2 < /гз,

ТО COmaxl ^ ft>max2 ^ G>max3*

Накладывается также ограничение по фазовому сдвигу. Каждой нагрузке (п\, Я2, Яз) при выбранной допустимой величи­

не фдоп фазового сдвига соответствует своя допустимая рабочая

Ч а с т о т а СОтах-

237

Частота возникающих на выходе элемента флюктуаций дав­ ления должна быть значительно выше частоты полезного сигна­ ла и лежать вне диапазона пропускаемых элементом частот. В этом случае струйный элемент будет являться высокочастот­ ным фильтром шумов. В зависимости от амплитуды шумов, как было показано ранее, выбирают также границы допустимых зна­ чений на статической характеристике, при этом отношение

^тах ^ и'

------------ # 0 1 ,

Pimin

где /ZQJ характеризует допустимую относительную амплитуду шумов.

3. ф у н к ц и о н а л ьн ы е возможности СТРУЙНЫХ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ЭЛЕМЕНТНОМ СПОСОБЕ ПОСТРОЕНИЯ СХЕМ

Ранее были описаны струйные элементы дискретного дейст­ вия. Возникает задача о выделении такого набора элементов, ко­ торый был бы полным или более чем полным с логической точ­ ки зрения. В то же время этот набор должен обеспечивать рациональное построение произвольных однотактных и много­ тактных схем.

Под полным набором понимают такой комплект элементов, который позволяет реализовать любую из операций двузначной логики, причем удаление хотя бы одного элемента из этого комп­ лекта сделает такую реализацию невозможной. Более чем пол­ ный (избыточный) набор позволяет реализовать любую опера­ цию двузначной логики даже при изъятии из комплекта элемен­ тов одного или нескольких типов в зависимости от степени избыточности. Например, полными наборами являются наборы из элементов, реализующих следующие операции: штрих Шеф­ фера, дизъюнкцию и отрицание, конъюнкцию и отрицание, стрелку Пирса и т. д.

Для правильной оценки целесообразности того или иного типа элемента в наборе необходимо выбрать некоторые оценоч­ ные критерии, например, такие, как минимум числа элементов в схеме, что позволяет строить схемы с меньшими габаритными размерами; минимум расхода воздуха на питание, пропорцио­ нального числу активных элементов; минимум времени срабаты­ вания, которое считают пропорциональным числу элементов на пути прохождения сигнала и т. д.

Рассмотрим различные наборы логических элементов. При разработке схем пневматических устройств на основе использо­ вания элементов определенного набора применяют метод, подоб­

238

ный методу ламповых операторов, когда выражение для собст­ венной функции системы разбивают на члены (скобки), соответ­ ствующие операторам элементов, имеющихся в наборе. Затем элементы, выполняющие операции, заключенные в скобки, соеди­ няют с помощью элементов, выполняющих операции, соединяю­ щие эти скобки.

Набор, состоящий из элементов ИЛИ — НЕ ИЛИ на два входа, с логической точки зрения, является полным, так как по одному из выходов он осуществляет дизъюнкцию двух аргумен-

Рис. 131. Схемы триггеров со счетным входом на турбулентных уси­ лителях:

тов, а по второму — ее отрицание. Недостатком этого набора является то, что все элементы схемы оказываются активными. Кроме того, при использовании этого набора трудно осуществить конъюнкцию, которую приходится выражать через дизъюнкцию и отрицание. Однако в ряде случаев использование элементов лишь одного типа значительно упрощает построение любой си­ стемы, облегчает соединение элементов между собой и весьма эффективно с точки зренйя промышленного производства и тех­ нологии. Примером реализации устройств дискретного действия на одном элементе может служить использование турбулентного логического элемента НЕ ИЛИ на четыре входа (см. гл. IV).

Схемы реализации наиболее распространенных однотактных логических операций, триггера с раздельными входами, генера­ торов колебаний на этом элементе приведены в табл. 7. Из рас­ смотрения таблицы следует, что наличие четырех входов в каж­ дом элементе значительно расширяет возможности выбора логи­ ческой цепочки по разным входам при реализации сложных многовходовых логических операций. Схемы триггеров со счет­ ным входом на элементах НЕ ИЛИ приведены на рис. 131.

239

= у 4 = 0

1

240