ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК G06G5/00 

Изобретение относится к пневматическим вычислительным устройствам и может найти применение в системах пневмоавтоматики, где распространено представление информации в виде скважности импульсных сигналов.

Известно устройство осреднения пневматического сигнала, которое позволяет выполнять операцию усреднения и функциональное преобразование одновременно.

Работа устройства осреднения пневматического сигнала заключается в преобразовании давлений в количества газа по заданным моментам времени и суммирования полученных количеств газа для выработки результирующих давлений в общем объеме камер в другой момент времени, причем преобразуемые количества газа пропорциональны за счет фиксированных объемов газа в указанные моменты времени.

Цикл, за который осуществляется осреднение пневматического сигнала, разбивается на n равных интервалов аппрокси- мации Δt, по которым выполняется кусочно-ступенчатая
I₁= (P_iΔt) или кусочно-линейная аппроксимация
I₁= { [(P_i+P_i+1)/2] Δt} площади I, где Р_i - значение входного параметра в точках i разбиения цикла на интервалы Δt.

Среднее значение входной величины Р за цикл находится делением интегрального значения площади под кривой 1 на длительность цикла T = Δt˙n. Для первого случая результат определяется выражением
= I₁/T= [(P_i·Δt)] /(Δt·n)= [P_i] /n , а для второго
= I₂/T= [(P_i+P_i+1)/2] Δt)/(Δt·n)= (P_i-P_i+1)/(2n)=
= (P₀+2P₁+ . . . +2P_i+2P_n-1+2P_n)/(2n).

Значения входного параметра Р запоминаются камерами V₀, V₁, V₂, . . . , V_n-1 по точкам разбиения цикла на интервалы в моменты 0, 1, 2, . . . , n-1, определяемые сигналами p₀, p₁, p₂, . . . , p_n-1. В конце цикла по команде p_n-1 прекращается поступление входного параметра и объединяются полученные после запоминания значения путем объединения камер. В результате формируется общее давление Р, которое в следующем цикле удерживается по сигналу p_t. Запоминается величина на каждом интервале определяется выражением
P_iV_i/Rθ , где V_i - i-й объем, определяемый камерой;
R - газовая постоянная;
θ- абсолютная температура. Тогда
[(P_iV_i)/(Rθ)] = P_iV/(Rθ). Таким образом,
P= (P_iV_i)/V_i , а при соблюдении соотношений
V₀ = V₁ = V₂ = . . . = V_i = . . . = V_n-1 получается Р₁ и при
V₀ = V_n, V₁ = V₂ = . . . = V_i = . . . = V_n-1 = 2V₀ получается Р₂.

Недостатком устройства осреднения является ограниченность области его применения из-за невозможности получения функционального осреднения скважности входного сигнала.

Известно простое устройство, где входная информация представлена скважностью широтно-импульсного сигнала и реализуется на выходе выделение постоянной составляющей давления.

Широтно-импульсный управляемый делитель давления содержит широтно-импульсный модулятор, выход которого связан с управляющим входом переключателя, дроссель, выход которого соединен с емкостью и выходным каналом, а вход - через переключатель с двумя входными каналами.

Делитель осуществляет преобразование давления под управлением широтно-импульсного сигнала с выделением постоянной составляющей
Р_вых = γ(Р₁ - Р₂) + Р₂, где γ= τ/T- относительная длительность широтно-импульсного сигнала;
Р₁, Р₂ - давление во входных каналах.

Делитель работает следующим образом.

Широтно-импульсный модулятор вырабатывает входной сигнал, скважность которого модулирована управляющим сигналом. Под воздействием широтно-импульсного сигнала переключатель подает на вход дросселя то давление Р₁, то давление Р₂ входных каналов
P_др(t, γ)= где k = 0, 1, 2, . . . , ∞ ;
t - текущее время. Дроссель и емкость образуют обычный низкочастотный фильтр, формирующий на выходе среднее значение давления Р_вых = Р₁ γ+ Р₂(1 - γ) = γ (Р₁ - Р₂) + Р₂.

Недостатком делителя являются его ограниченные функциональные возможности, что обусловлено выходной характеристикой устройства, не позволяющей непосредственно реализовывать сквозные аппроксимации нелинейных зависимостей.

Известен пневматический делитель с более широкими функциональными возможностями, в котором реализуется операция отношения двух аналоговых сигналов и выполняется одновременное преобразование во временной интервал с высокой точностью.

Пневматический делитель содержит пульсирующую емкость, управляющая полость которой через контакты подключена к источникам давления нулевого уровня и входного сигнала-делителя, дроссель с линейной расходной характеристикой, связанный непосредственно с рабочей полостью пульсирующей емкости и через контакт - с источником нулевого уровня, приемную емкость, соединенную через контакты с источником входного сигнала - делимого и с рабочей полостью пульсирующей емкости, а инверсный вход - с источником входного сигнала-делителя, и блок управле- ния контактами. Управляющая полость пульсирующей емкости подключена через контакт к источнику давления питания, а рабочая полость при помощи контакта соединена с источником входного сигнала-делителя. В исходном положении приемная емкость соединена с источником сигнала Р₁. Управляющая полость пульсирующей емкости сообщается с источником Р_пит, вялая мембрана емкости занимает крайнее нижнее положение, и объем рабочей полости емкости минимален. Балластная (паразитная) емкость V_б - объем камеры прямого входа нуль-органа и соединительных линий между контактами, сообщается с источником сигнала Р₂. Сигнал на выходе нуль-органа равен единице, поскольку инверсный вход нуль-органа также соединен с источником сигнала Р₂, а нуль-орган настроен так, что при равенстве давлений на входах сигнал на его выходе равен единице.

При поступлении команды Р_t^I= 1 управляющая и рабочая полости пульсирующей емкости отключатся соответственно от источников давления Р_пит и сигнала Р₂.

Далее поступает команда P_t^II= 1. Управляющая полость пульсирующей емкости соединится с источником Р₀, а рабочая - с приемной емкостью, которая отключается от источника сигнала Р₁.

Поскольку величина давления Р₀ меньше, чем Р₁ и Р₂, вялая мембрана прогнется вверх, объем рабочей полости пульсирующей емкости увеличится и в системе, состоящей из приемной емкости, рабочей полости пульсирующей емкости и балластной емкости, установится давление Р₀.

При снятии команды Р_t^II управляющая полость пульсирующей емкости отключится от источника Р₀, а рабочая - от приемной емкости.

При поступлении команды Р_t^III = 1 управляющая полость пульсирующей емкости подключится к источнику сигнала Р₂, рабочая полость - к источнику Р₀, а выход нуль-органа - к выходу преобразователя. Вялая мембрана пульсирующей емкости прогнется вниз, а давление в рабочей полости емкости, в балластном объеме V_б и на прямом входе нуль-органа возрастает до величины Р₂. На выходе нуль-органа и в линии "Выход" сформируется единичный сигнал. Продолжительность единичного сигнала t_и, вызванного равенством давлений на прямом и инверсном входах нуль-органа, зависит от скорости истечения газа через дроссель. Газ будет вытекать через дроссель с постоянной весовой скоростью.

Истечение будет продолжаться, пока вялая мембрана не займет крайнее нижнее положение. Газ из рабочей полости пульсирующей емкости будет полностью вытеснен. Нуль-орган сработает, и единичный сигнал на его выходе, а следовательно, и в линии "Выход" исчезнет. За время t_ичерез дроссель будет вытеснен весовой заряд, равный количеству газа, перешедшего в рабочую полость пульсирующей емкости из приемной емкости, а продолжительность импульса на выходе преобразователя пропорциональна отношению величин входных давлений Р₁ и Р₂.

Недостатком пневматического делителя является его сложность, ограниченные лишь делительной операцией функциональные возможности и работа с временным интервалом по выходу, а не по входу.

Наиболее близким по технической сущности является пневматический импульсный делитель, который и выбран в качестве прототипа.

Он имеет более широкие функциональные возможности, что обусловлено выходной характеристикой, позволяющей непосредственно реализовывать сквозные аппроксимации нелинейных зависимостей. К тому же прототип ориентирован на работу со скважностью входного широтно-импульсного сигнала. Кроме того, он более прост.

Прототип содержит переключатель 1, коммутируемый вход которого соединен с входным каналом 2, управляющий вход - с широтно-импульсным модулятором 3, а выход через первый дроссель 4 связан с емкостью 5, а также второй дроссель 6, выходной канал 7 и канал опорного давления 8, который через второй дроссель 6 связан с емкостью 5 и выходным каналом 7.

Устройство работает следующим образом.

Широтно-импульсный модулятор 3 вырабатывает входной сигнал, относительная длительность которого γ соответствует текущему значению аргумента. Этот сигнал поступает на управляющий вход переключателя 1. Во входной канал 2 подано давление Р_вх, а в опорный 7 - Р₀.

Пусть в начальный момент времени переключатель 1 разомкнут, а давление в выходном канале 7 Р_вых соответствует опорному давлению Р₀. При замыкании переключателя 1 под воздействием разности входного Р_вх и выходного Р_вых давлений образуется поток газа во входной цепи, протекающий в течение времени τ через первый дроссель 4. При этом количество газа в емкости 5 увеличивается и создается избыточное давление, под воздействием которого образуется поток газа в опорной цепи, протекающий через второй дроссель 6. После размыкания переключателя 1 входной поток прерывается, а остается лишь поток газа в опорной цепи, который за время (Т - τ) уменьшает избыточное давление в емкости 5. В следующий период Т на время τ вновь замыкается переключатель 1, и поток газа во входной цепи вновь протекает через первый дроссель 4, увеличивая давление в камере пневмоемкости 5. При размыкании переключателя 1 на время (Т - τ) входной поток, как и в первом периоде, прерывается, давление в емкости 5 начинает падать за счет потока газа в опорной цепи. Далее процесс повторяется.

Расход газа по входной цепи при входном давлении Р_вх и выходном давлении Р_вых определяется в зависимости от относительной длительности управляющего сигнала γ= τ/T следующим образом
G= (P_вх - Р_вых) α₁ γ , где α₁ - коэффициент пропорциональности между расходом газа и перепадом давлений, задаваемый сопротивлением дросселя входной цепи. Далее выполняется осреднение полученного количества газа, при котором расход газа будет следующим:
G_V= , где V - объем емкости, в котором выполняется осреднение;
R - газовая постоянная;
θ- абсолютная температура. Количество газа, не участвующее в осреднении, сбрасывается в опорный канал Р₀ с заданной сопротивлением дросселя опорной цепи интенсивностью α₂. При этом получается расход газа, определяемый выражением
G = (Р_вых - Р₀) α₂. Таким образом, общий расход газа характеризуется равенством входного расхода за период преобразования с одной стороны и суммой расходов на осреднение и сбрасывание в опорный канал с другой стороны, т. е.

G = G_V + G или
P_вых(α₁γ+α₂)+ = P_вхα₁γ+P_оα₂. Решение полученного уравнения характеризует выходное давление
P_вых= (P_вхα₁γ+P_оα₂)/(α₁γ+α₂)·[1-e^(-Rθ/V)(α1^γ+α2^)t] . В установившемся состоянии выражение в скобках стремится к единице, изменение массы воздуха в емкости 5 за период равно нулю, а выходное давление определяется как
P_вых= (P_вхα₁γ+P_оα₂)/(α₁γ+α₂)= (P_вх-P_о)·(α₁γ/(α₁γ+α₂))+P_о. Таким образом, коэффициент передачи делителя представляется в виде простой дроби с аргументом γ.

Недостатком прототипа является его ограниченные функциональные возможности, обусловленные коэффициентом передачи делителя, представленным в виде простой дроби, что не позволяет эффективно реализовывать кусочно-нелинейные аппроксимации, воспроизводящие с помощью парабол различные нелинейные функции с учетом производных на отдельных участках.

Целью изобретения является устранение указанного недостатка, т. е. расширение функциональных возможностей пневматического импульсного делителя.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом делителе установлены инвертор, разностный усилитель, третий дроссель, пневмоконденсатор и второй переключатель, коммутируемый вход которого соединен с емкостью, управляющий вход - через инвертор с широтно-импульсным модулятором, а выход через второй дроссель связан с инверсным входом разностного усилителя, прямой вход которого подключен к каналу опорного давления, а выход соединен с выходным каналом импульсного делителя и одновременно через параллельно соединенные третий дроссель и пневмоконденсатор связан с инверсным входом разностного усилителя.

Это свидетельствует о наличии отличительных от прототипа признаков, включающих как дополнительные элементы (инвертор, разностный усилитель, дроссель, пневмоконденсатор, переключатель), так и ранее неизвестные связи между ними и элементами прототипа.

Введенные элементы находят широкое применение для построения аналоговых пневматических вычислительных устройств. В предлагаемом устройстве вводимые элементы, как и остальные элементы делителя, используются по прямому назначению, проявляя при этом в отдельности известные свойства. Однако взятые в совокупности эти элементы и элементы прототипа с новой организацией связей проявляют новое свойство - преобразование относительной длительности широтно-импульсного пневматического сигнала в давление на выходе по параболической характеристике, с помощью чего могут быть эффективно реализованы сквозные аппроксимации различ- ных функций, в том числе функций с существенными изменениями производных на отдельных участках, например, как синусо- идальные.

Это свойство не повторяет ни одно из известных свойств и не является их суммой. Введенные элементы отдельно взятые необходимы для обеспечения сформулированного положительного эффекта, а все элементы вместе взятые, т. е. с учетом их взаимосвязей, достаточны, чтобы отличить устройство в целом от других подобного назначения и характеризовать его в том качестве, которое проявляется в сверхсуммарном результате - расширении функциональных возможностей пневматического импульсного делителя.

Из этого следует, что предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями от известных технических решений.

Сущность изобретения состоит в создании преобразователя широтно-модулированного импульсного пневматического сигнала в давление по параболической зависимости, ориентированной на кусочно-нелинейную аппроксимацию функций с существенными изменениями производных на отдельных участках за счет поочередного заполнения и опустошения емкости с заданной управляемой интенсивностью и сглаживания выходных импульсных потоков газа.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого пневматического импульсного делителя; на фиг. 2 - временная диаграмма его работы.

Делитель содержит переключатель 1, коммутируемый вход которого соединен с входным каналом 2, управляющий вход - с широтно-импульсным модулятором 3, а выход через первый дроссель 4 связан с емкостью 5, второй дроссель 6, выходной канал 7, канал опорного давления 8, а также инвертор 9, разностный усилитель 10, третий дроссель 11, пневмоконденсатор 12 и второй переключатель 13, коммутируемый вход которого соединен с емкостью 5, управляющий вход - через инвертор 9 с широтно-импульсным модулятором 3, а выход через второй дроссель 6 связан с инверсным входом разностного усилителя 10, прямой вход которого подключен к каналу опорного давления 8, а выход соединен с выходным каналом 7 импульсного делителя и одновременно через параллельно соединенные третий дроссель 11 и пневмоконденсатор 12 связан с инверсным входом разностного усилителя 10.

Пневматический импульсный делитель работает следующим образом.

На выходе широтно-импульсного модулятора 3 формируется периодическая (с периодом Т) последовательность прямоугольных импульсов, относительная длительность которых γ изменяется дистанционно и является информативным параметром. Пусть в начальный момент времени переключатель 1 разомкнут, а переключатель 13 замкнут. Во входной канал 2 подано давление Р_вх, в канал опорного давления 8 - Р₀.

При замыкании переключателя 1 и размыкании переключателя 13 на время τпод воздействием управляющего импульсного сигнала широтно-импульсного модулятора 3 образуется поток газа в цепи дросселя 4. При этом количество газа в емкости 5 увеличивается. После размыкания переключателя 1 и замыкания переключателя 13 на время (Т - τ) образуется поток газа в цепи дросселя 6 и происходит опустошение емкости 5. В следующий период Т на время вновь замыкается переключатель 1 и размыкается переключатель 13 и процесс повторяется.

В установившемся режиме при достаточно большой емкости 5 постоянные составляющие потоков в цепи емкости становятся равными нулю. Давление в емкости 5 от периода к периоду при одном и том же значении γпрактически не меняется, и коэффициент передачи делителя формируется как результат осреднения в установившемся режиме, когда количество газа, подаваемое за период по прямой и обратной связям разностного усилителя, одинаково.

Требуемая степень подавления гармонических составляющих выходного давления обеспечивается как сглаживающей емкостью 5, так и пневмоконденсатором 12.

Все элементы предлагаемого устройства являются хорошо известными. Для реализации переключателей 1, 13 применяются, например, различные пневмоклапаны. Широтно-импульсный модулятор 3 может быть построен на элементе сравнения и генераторе пилообразных импульсов. В качестве емкости 5 можно использовать, например, постоянную пневмоемкость. Инвертор 9 может быть выполнен, например, на базе трехмембранного пневматического реле.

В основу построения пневматического импульсного устройства положен принцип преобразования давления входного сигнала в количества газа по линейному закону в моменты действия импульсов прямой относительной длительности, суммирования полученных количеств газа для выработки промежуточного давления, вторичного его преобразования в количества газа по линейному закону в моменты действия импульсов инверсной относительной длительности и усреднения этих количеств газа с развязкой выходного давления, причем коэффициент передачи делителя по параболической зависимости формируется как результат осреднения в установившемся режиме, когда количество газа, подаваемое за период по прямой и обратной связям разностного усилителя, одинаково.

Расход газа по входной цепи при входном давлении Р_вх и давлении в емкости 5 Р_v определяется в зависимости от относительной длительности управляющего сигнала γ как
G = (P_вх - Р_v) α₁ γ , где α₁ - коэффициент пропорциональности между расходом газа и перепадом давлений, задаваемый сопротивлением дросселя 4.

Расход газа в цепи второго дросселя 6 при давлении в емкости 5 P_v и давлении на инверсном входе разностного усилителя Р_у определяется в зависимости от относительной длительности управляющего сигнала равной (1 - γ ) следующим образом
G = (P_v - P_y) α₂(1 - γ ), где α₂ - коэффициент пропорциональности между расходом газа и перепадом давлений, задаваемых сопротивлением дросселя 6.

В установившемся состоянии изменение массы воздуха в емкости 5 за период Т равно нулю (Р_вх - ) α₁ γ T = ( - P_y) α₂ (1 - γ)T или
= [(P_вхα₁-P_уα₂)γ+P_уα₂] /[(α₁-α₂)γ+α₂] , (1) где - сглаженное значение давления в емкости 5;
α₁, α₂ - проводимость соответственно первого 4 и второго 6 дросселей.

При равенстве проводимостей первого 4 и второго 6 дросселей, т. е. α₁= α₂= α, выражение (1) определяется как
= (P_вх - Р_у) γ+ Р_у. Тогда расход газа в цепи второго дросселя 6 равен G= (P_v-P_y)α₂(1-γ)= [(P_вх-Р_у)γ+Р_у-Р_у] α(1-γ)= (P_вх-Р_у)(γ-γ²)α .

Таким образом функциональная характеристика расхода газа в цепи второго дросселя 6 представляется в виде квадратичной функции с аргументом γ, являющимся информационным параметром.

Прямой вход разностного усилителя подключен к каналу опорного давления 8, соответствующего давлению Р₀ условного нуля.

Расход газа G в цепи обратной связи через третий дроссель 11 при давлении в выходном канале 7 равен
G = ( - Р_у) α₃, где α₃, - коэффициент пропорциональности между расходом газа и перепадом давлений, задаваемых сопротивлением дросселя 11.

Исходя из уравнения неразрывности газовых потоков, имеем
G = G или (Р_вх - Р_у)( γ - γ ²) α= ( - Р_у) α₃. (2)
При большом коэффициенте усиления разностного усилителя 10
Р_у ≈Р₀
Тогда, решив уравнение (2) относительно , получим
= [(P_вх-P_о)γ(γ-1)α] /α₃+P_о (3) Если перенести начало отсчета длительности периодически повторяющихся прямоугольных импульсов в середину диапазона их изменения (т. е. в точку τ= T/2) и обозначить γ^I= γ- 0,5, то получим
= [(P_вх-P_о)(γ′²-0.25)α] /α₃+P_о (4)
В установившемся режиме при достаточной величине емкости сглаживающего пневмоконденсатора постоянная составляющая расхода газа через этот пневмоконденсатор равна нулю. Давление на выходе разностного усилителя при этом практически не изменяется, и вырабатываемое на выходе делителя давление определяется функциональной характеристикой устройства.

Предложенный пневматический импульсный делитель имеет расширенные функциональные возможности, так как его функциональная характеристика представляется в виде квадратичной зависимости и отличается от известного устройства с простой дробью тем, что позволяет эффективно реализовывать кусочно-нелинейные аппроксимации, воспроизводящие с помощью парабол различные нелинейные функции с учетом производных на отдельных участках. При этом не требуется существенных аппаратурных затрат, сохраняется та же однородность элементной базы, что и у прототипа, позволяющая сохранить технологичность устройства и реализуемость его на известных элементах пневмоавтоматики. (56) Авторское свидетельство СССР N 337787, кл. G 06 G 5/00, 1972.

Авторское свидетельство СССР N 1316004, кл. G 06 G 5/00, 1985.

Изобретение относится к пневматическим вычислительным устройствам и может найти применение в системах пневмоавтоматики, где распространено представление информации в виде скважности импульсных сигналов. Изобретение решает задачу расширения функциональных возможностей импульсного делителя путем преобразования относительной длительности широтно-импульсного пневматического сигнала в давление по параболической характеристике. Устройство содержит два переключателя, широтно-импульсный модулятор, три дросселя, емкость, инвертор, разностный усилитель и пневмоконденсатор. Сущность изобретения состоит в создании преобразователя широтно-модулированного импульсного пневматического сигнала в давление по параболической зависимости, ориентированной на кусочно-нелинейную аппроксимацию функций с существенными изменениями производных на отдельных участках за счет поочередного заполнения и опустошения емкости с заданной управляемой интенсивностью сглаживания выходных импульсных потоков газа. Использование импульсного делителя в качестве базового элемента расширяет функциональные возможности пневматических нелинейных преобразователей при простой технической реализации. 2 ил.

ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ, содержащий переключатель, коммутируемый вход которого соединен с входным каналом, управляющий вход - с широтно-импульсным модулятором, а выход через первый дроссель связан с емкостью, а также второй дроссель, выходной канал и канал опорного давления, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем преобразования относительной длительности широтно-импульсного пневматического сигнала в давление по параболической характеристике, в нем установлены инвертор, разностный усилитель, третий дроссель, фиксирующий пневмоконденсатор и второй переключатель, коммутируемый вход которого соединен с емкостью, управляющий вход - через инвертор с широтно-импульсным модулятором, а выход через второй дроссель связан с инверсным входом разностного усилителя, прямой вход которого подключен к каналу опорного давления, а выход соединен с выходным каналом импульсного делителя и через параллельно соединенные третий дроссель и фильтрующий пневмоконденсатор связан с инверсным входом разностного усилителя.