книги из ГПНТБ / Дмитриев, В. Н. Основы пневмоавтоматики

ределить режим, рассматривая пневматическую цепь в виде по­ следовательного соединения эквивалентного управляющего и управляемого элементов.

2. КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА РАБОТЫ СТРУЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДИСКРЕТНОГО ДЕЙСТВИЯ

В связи с созданием различных типов струйных элементов важным является введение единых критериев оценки качества их работы [12]. Выбор критериев качества основан на результатах изучения гидродинамических свойств струйных элементов, ана­ лизе взаимодействия элементов в схеме и режимов их работы, изучении причин возможных отказов и учете статических свойств, нагрузочных характеристик и их динамики. Критерии позволяют определить условия, при которых обеспечивается функционально устойчивая работа струйных устройств и систем. В качестве кри­ териев могут быть выбраны некоторые показатели надежности.

Статической характеристикой давления называется зависи­ мость давления на выходах струйного элемента от изменения давления в каналах управления в статическом режиме. В даль­ нейшем будут рассмотрены статические характеристики давле­ ния при условии допустимых расходов на выходе, т. е. при до­ пустимых нагрузках

230

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, Po mm — максимальное и минимальное значения давления, соот­ ветствующие условному 0; Pi max, Pi mm — 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 0 и 1, коэффициенты усиле­ ния, наклон хаактеристпк и т. и. 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 pimm (при увеличении управляющего давления), а так­ же не должен сработать от рцпіп 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 =ага-ш^ ^ 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 характеристик выбирают из условия максимального значения сигнала ротах, соответствующего условному 0 (рис. 127). Эта

граница может быть определена следующим соотношением:

Рог — Ротах + ^rnaxO + бр = PomaxO + + ^l) = 'ФРОтах.

где рогпах — максимальное остаточное давление на выходе преды­

прямому срабатыванию; хі — коэффициент, определяющий про­ хождение левой граничной вертикальной прямой, к\ — 1 + /іо +

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

232

носительно минимальной единицы, поданной с выхода предыду­ щего элемента; бр— величина запаса по обратному срабатыва­ нию; К2 — коэффициент, определяющий прохождение правой

граничной вертикальной прямой;

В частном случае возможно, что /1тахо = .4maxi = Лтах. Очевидно, что при подаче на вход элемента давления, равно­

го или большего рипш, давление на выходе рассматриваемого элемента не должно быть меньше давления р)тіп. Поэтому гори­ зонтальная прямая, ограничивающая область допустимых харак­ теристик снизу, должна проходить на расстоянии pimln от оси абсцисс. На максимальное значение ру 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 рішіп, что недопустимо. Поэтому на выходное дав­ ление накладывается ограничение: оно не должно превышать значения

РІтах = Ркр ^max бр = ^зРкрі

где ркр — давление, при котором статическая характеристика пе­ ресекает горизонтальную линию, проходящую на расстоянии Pimin от оси абсцисс; Лтах— максимальная амплитуда флюктуа­ ции относительно рітах, поданного с выхода предыдущего эле­ мента; бр —-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 ротах-

Прямая характеристика может иметь зону отрицательного давления, определяемую pominЭто 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(/1тах + бр).

где бр — 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 роштОграничение, накла­ дываемое на давление рітах, 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 функциональном устойчивости струпного элемента

памяти:

а — прямого переключения; б — обратного переключения

на выходе было давление рп\, соответствующее значению условной единицы. Статические характеристики для инверсного выхо­ да в зависимости от давлений р уи рс показаны на рис. 128За­

поминание сигнала, соответствующего значению условного 0, про­ исходит при подаче и последующем снятии сигнала р у,соответ­ ствующего условной единице. Граничные значения давлений р іг и par устанавливают так же, как и для логических элементов ИЛИ — НЕ ИЛИ. Величины р1Шп, р]тах, ротах, Ротт, соответст­ вующие значениям условных 1 и 0, из условия совместной ра­ боты логических и запоминающих элементов следует выбирать одинаковыми. Возможно наличие отрицательных давлений р уи

РсОднако максимальные значения указанных отрицательных давлений не должны быть меньше pominПри этом pomin выбира­ ют по той же методике, что и для элемента ИЛИ — НЕ ИЛИ. Зависимость давления рш от управляющих давлений руи 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 струнного элемента можно считать отношение

Аіп— £ішіп_ > l,

P\r

по обратному срабатыванию — отношение

Ротах

Для функционально устойчивой работы струйных элементов необходимо выполнение следующего условия:

рІ Г р о г

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 k\, 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 = —KLEEIIL > 1

Ротах

должно быть как можно большим.

Одним из основных критериев оценки элемента можно счи­ тать коэффициент усиления по давлению. Наклон статической характеристики должен быть больше минимально допустимого наклона

Ptmm — Ротах = tg а. Ріг 'Рог 'Ар

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 п 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 /Цты. а при минимальной нагрузке не должно превышать р1тах. Нагрузочные свойства элемента оценивают с помощью входной п выходной нагрузочных характеристик, пересечение которых определяет

235

рабочую зону АВС по нагрузкам (рнс. 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 сопротивлении, соответствующих минимальному п = = /ітіп п максимальному п = /гшах допустимым входным нагруз­ кам, где п — число подключаемых элементов.

Выходная нагрузочная характеристика Qв = f(pa) ограничи­ вает зону допустимых значении, образуемую в результате допу­ стимого изменения рабочих параментров элемента. От­ сюда следует, что макси­ мальная и минимальная на­ грузки элементов п соответ­ ствующие нм расходы следу­ ет выбирать таким образом, чтобы давление на выходе

соответствующее условной 1. Таким образом, число на­ грузочных элементов, пли коэффициент ветвления, при

одинаковых входных сопротивлениях элементов определяют по формуле

Qunax ^max ^4 : <?іп

где Qimax- — максимальный расход па выходе управляющего эле­

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:

236

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

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 дна-, пазону пропускаемых элементом частот. Следует учитывать, что при разном дросселировании на выходе (разном числе п под­ ключаемых элементов) максимальная частота пропускания штах будет различной. На рис. 130 показана амплитудно-частотная характеристика струйного элемента при разных нагрузках. По оси ординат отложено отношение выходной амплитуды давления

Р ъ К В Х О Д Н О Й у О у ср .

Ограничением по допустимой пропускаемой частоте является

.минимальное допустимое отношение амплитуд

Plmin

при котором запас по давлению минимальный. Если П\ < п2 < п3,

Накладывается также ограничение по фазовому сдвигу. Каждой нагрузке (п\, п%, п3) при выбранной допустимой величи­ не фдоп фазового сдвига соответствует своя допустимая рабочая частота 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

Лоі,

Pimin

где hQ характеризует допустимую относительную амплитуду шумов.

3. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ СТРУЙНЫХ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ЭЛЕМЕНТНОМ СПОСОБЕ ПОСТРОЕНИЯ СХЕМ

Ранее были описаны струпные элементы дискретного дейст­ вия. Возникает задача о выделении такого набора элементов, ко­ торый был бы полным нлп 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

мыи методу ламповых операторов, когда выражение для собст­ венной функции системы разбивают иа 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-

Рпс. 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 зрения 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