Устройство для регулирования расхода Советский патент 1985 года по МПК G05D7/00 

частоты и с входом записи регистра, четвертый выход функционального преобразователя соединен с четвертым -ВХОДОМ умножителя частоты и с входом -сброса реверсивного счетчика, вь1ход сумматора связан с входом исполнительного механизма.

2.Устройство ПОП.1, отличающееся тем, что блок разделения импульсов во времени выполнен на одном Т-триггерё, четырех Г-триг герах, четырех элементах И-НЕ и двух инверторах, причем Т-вход Т-триггера соединен с первыми входами первого и второго элементов И-НЕ, прямой выход Т-триггера соединен с вторым входом первого.элемента И-НЕ, а инверсный выход Т-триггера - с вторым входом второго элемента И-НЕ, прямые выходы первого и второго D -триггеров соединены с I)-входами соответственно третьего и четвертого D-триггеров, а инверсные выходы последних с Rвходами соответственно первого и второго D-триггеров, выход первого элемента И-НЕ соединен с Т-входом Третьего D -триггера и через первый инвертор - с первым входом третьего элемента И-НЕ, выход второго элемента И-НЕ соединен с Т-входом чет.вертого J)-триггера и через второй инвертор - с первым входом четвёртого элемента И-НЕ, прямые выходы третьего и четвертого D -триггеров соединены с втррыми входами соответственно третьего и четвертого элементов И-НЕ, выходы которых соединены соответственно с первым и вторьм выходами блока разделения импульсов, подключенного своим первым и вторым, входами соответственно к Т-входам первого и второго D -триггеров.

3.Устройство по П.1, о-т л и ч ающе ее я тем, что функциональный преобразователь выполнен

-на двух jK-триггерах, двух RSтриггерах, двух Т-триггерах, восьми элементах И-НЕ, элементе И и инверторе, причем инверсные выходы первог и второго jK-триггеров соединены соответственно с 5-входами первого и второго RS-триггеров, а также с первыми входами первого и второго элементов И-НЕ и с первым и вторым входами элемента И, при этом инверсный выход второго jK-триггера соединен также с R -входом первого Я3-тригге1)а, а прямой выход послед11

него соединен с вторым входом первоо элемента И-НЕ и с третьим входом элемента И, а прямой выход второго RS-триггера - с вторым входом второго элемента И-НЕ и с четвертым входом элемента И, инверсные выходы первого и второго RS -триггеров со.единены с входами третьего элемента И-НЕ, выход которого соединен с первым входом четвертого элемента И-НЕ, выход первого элемента И-НЕ соединен с первым j-входом первого jK-триггера и с вторым входом четвертого элемента И-НЕ, а выход последнего соединен с первым j-входом второго jK-триггера, выход второго элемента И-НЕ соединен с вторым j,входоМ второго К-триггера и с входом инвертора, выход которого со единен с вторым j-входом первого ;К-триггера, выход элемента И соединен с первым входом пятого элемен та И-НЕ и с R-в-коцамн первого и второго Т-триггеров, выход пятого элемента И-НЕ соединен со счетным входом первого Т-триггера, первые входы шестого, седьмого и восьмого элементов И-НЕ соединены с вторым входом пятого элемента И-НЕ, прямой выход первого Т-триггера соединен- с вторыми входами шестого и восьмого элементов И-НЕ, а его инверсный выход - с вторым входом седьмого элемента И-НЕ и счетным входом второго Т-триггера, прямой выход которого соединен с третьими входами седьмого и восьмого элементов И-НЕ,а инверсный выход - с третъкм входом шестого элемента И-НЕ, выход последнего соединен с R-входом второго RSтриггера, первый и второй входы функ ционального преобразователя-подключены к С-входам соответственно первого и второго jK-триггеров, прямые выходы которых соединены соответственно с его первым и вторым выходами, третий вход функционального преобразователя соединен с первым входом шестого элемента И-НЕ, выход которого соединен с третьим выходом функционального преобразователя, четвертый выход которого подключен к вьрсоду седьмого элемента И-НЕ.

4. Устройство по П.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что умножитель частоты выполнен на элементе И, сум.мирующем счетчике, регистре, вычитающем счетчике и делителе частоты, при

этом выход элемента И соединен со счетным входом суммирующего счетчика, параллельный выход которого соединен с параллельным входом регистра, а выход последнего - с параллельным входом вычитающего счетчика, выход переполнения которого соединен с его установочным входом и выходом умножителя частоты, выход делителя частоты соединен с первым входом

элемента И,,вход делителя частоты соединен со счетным входом вычитающего счетчика и первым входом умножителя частоты, второй вход которого соединен с вторым входом элемента И, третий вход умножителя частоты подключен к разрешающему входу регистра , а его четвертый вход - к входу гашения суммирующего счетчика.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ-РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА, содержащее генератор импульсов, расходомер, первый реверсивиый счетчик последовательно соединенные второй реверсивный счетчик и сумматор, исполнительный механизм, о. т л и ч а ю щ в е с я тем-, что, с целью повышения точности и быстродействия, в него введены блок разделения импульсов во времени, генератор тактовых импульсов, элемент задержки, преобразователь код-частота, четьфе элемента И, два элемента ИЛИ, управляемый переключатель, функциональный преобразователь, умножитель частоты, третий реверсивный счетчик, регистр, причем выход генератора импульсов соединен с iiep-r выми входами блока разделения импульсов во времени и функционального преобразователя, вторые входы кото- рых соединены с выходом расходомера, первый и второй выходы блока разделения импульсов во времени сое- динены с входами сложения и вычитания первого реверсивного счетчика я с первыми входами элементов ШШ, выход генератора тактовых импульсов соединен с третьими входами блока разделения импульсов во времени и функционального преобразователя, а также с первым входом умножителя частоты и через элемент задержки с первым входом преобразователя кодчастота, выход которого соединен с первыми входами первого и второго элементов И, вторые входы .которых соединены с первым и вторым выходами знака первого р.еверсивного счетчика, параллельный выход которого соединен с параллельнь1м входом преобразователя S код-частота и одними входами первого и второго элементов ИЛИ, выходы которых соединены с входами сложения и вычитания второго реверсивного счетчика, а другие входы - с в.ыходами первого ивторого элементов И, первый и второй выходы функционального преобразователя соединены с первым и вторым входами управляемого переключателя и с первыми входами третьего и четвертого элементов И, выход управляемого переключателя соединен сл с вторым входом умножителя частоты, выход которого соединен с вторыми . входами третьего и четвертого элементов И, соединенных своими выходами с входами вычитания и сложения третьего реверсивного счетчика, параллельный выход которого соединен с параллельным входом регистра, соединенного своим параллельным выходом с вторым входом сумматора, а знаковым выходом - с третьим входом управляемого переключателя, третий выход .4)ункционального преобразователя соединен с третьим входом умножителя

1

Изобретение относится к управлению технологическими процессами, в частности к устройствам автоматического регулирования расхода жидкостей и газов.

Цель изобретения - повьшение точности и быстродействия устройства.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 функциональная схема блока разделени импульсов во вpeмeниi на фиг.З функциональная схема -функционального преобразователя; на фиг.4 - функциональная схема умножителя частоты.

, Устройство содержит генератор 1 импульсов, расходомер 2 с частотноимпульсным выходным сигналом, блок 3 разделения импульсов во времени, генератор 4 тактовых импульсов, пер- вьш реверсивный счетчик 5, элемент 6 задержки, преобразователь 7 кодчастота, первый и второй элементы И 8 и 9, элементы ИЛИ 10 и 11, второй реверсивный счетчик 12, управляемый переключатель 13, функциональный пре образователь 14, умножитель 15 частоты, третий и четвертый элементы И 16 и 17, реверсивный счетчик 18, регистр 19, сумматор 20, цифроаналоговый преобразователь 21, исполнительный механизм 22.

Блок 3 разделения импульсов во времени содержит (фиг.2) Т-триггер 23, D-триггеры ,24-27, элементы И-НЕ 28-31, инверторы 32 и 33.

Функциональный преобразователь 14 содержит (фиг.З) jK-триггеры 34 и 35, R5-триггеры 36 и 37, Т-триггеры 38 и 39, элементы И-НЕ 40-47, элемент И 48, инвертор 49.

Умножитель частоты содержит (фиг.4) элемент И 50, суммирующий счетчик 51, регистр 52, делитель 53 частоты, вычитающий счетчик 54.

5 Блок 3 разделения импульсов во времени, генератор 4, реверсивные счетчики 5 и 12, элемент 6 задержки, преобразователь 7 код-частота, элементы И 8 и 9, элементы ИЛИ 10 и 11

О образуют канал измерения рассогласования и формирования первой и второй интегральных составляющих закона регулирования.

Управляющий переключатель 13,

15 функциональньш преобразователь 14, умножитель 15 частоты, элементы И 16 и 17, реверсивный счетчик 18 и регистр 19 образуют канал, формирующий пропорциональную составляющую

20 закона регулирования.

Устройство работает следующим образом.

Импульсные последовательности, частоты которых пропорциональны заданному расходу и действительному расходу, с выхода генератора 1с расходомера 2 поступают соответственно на входы 55 и 56 блока 3 разделения импульсов во времени. Работой последнего управляет тактовый генератор 4, с выхода которого импульсная последовательность с частотой F непрерывно поступает на Твход Т-триггера 23 и на входы элемен35 тов 28 и 29..

С каждым тактовым импульсом Ттриггер 23 изменяет свое состояние, поочередно открьшая элементы 28 и 29 для пр-охождения тактовых импульсов.

4Q В результате на выходах элемента

3

И-НЕ 28 и инвертора 32 образуется последовательность четных тактовых импульсов, а на входах элемента И-НЕ

29и инвертора 33 - последовательность нечетных тактовых импульсов, сдвинутых во времени относительно четных на период 1/ F. Вначальный момент D-триггеры 24-27 находятся в нулевом состоянии и элементы И-НЕ

30и 31 не пропускают тактовые, импульсы с выходов инверторов на выходы 57 и 58 блока 3. Входные импульсы заданного и фактического расхода, поступая на Т-входы D-триггеров 24 и 25 у переводят их в единичное состояние, так как наВ-входах этих триггеров постоянно присутствует единичньш сигнал. Л -триггеры 24

и 25 независимы, ke имеют общих связей и не тактируются. Поэтому импульсы заданного и фактического расхода могут поступать на Т-входы D-триггеров 24 и 25 в произвольные моменты времени и одновременно.

Далее работа блока 3 проходит в четыре такта. Первый тактовый импульс с выхода элемента 29 переписывает единичную информацию из D триггера 25 в D -триггер 27. Элемент И-НЕ 31 получает на свой первый вход разрешающий единичный сигнал с прямого вькода триггера 27.Одновременно триггер 25 noR-входу переводится в исходное нулевое состояние нулевым Сигналом с инверсного выхода Т-т1зиггера . 27.

Второй тактовый импульс, формируемьй на выходе элемента 28 и сдвинутьй во времени относительно первого на 1/F , переписывает единичную информацию из Б -триггера 24 в D триггер 26. Элемент 30 получает на свой первый вход разрешающий единичный сигнал с прямого выхода триггера 26. Одновременно триггер 24 по R- входу переводится в исходное нулевое состояние нулевым потенциалом с инверсного выхода триггера 26. Инвертированный второй тактовый импульс с выхода инвертора 32 про Ходит через элемент 31 на выход 58 блока 3. На последнем появляется тактовый импульс, соответствующий импульсу фактического расхода расходомера 2f поступившему на вход 56 блока Зг

Третий тактовый импульс, формируемый на выходе элемента 29 и сдвинутьй во времени относительно второго

594

на период I/F., возвращает триггер 27 в исходное нулевое состояние в соответствии с состоянием триггера 25. Инвертированный третий тактовый импульс с выхода инвертора 33 проходит через элемент 30 на выход 51 блока 3. На последнем появляется тактовый импульс, .соответствующий импульсу задания расхода с генератора 1, поступившему на вход«55 блока 3, и сдвинутый во времени относительно импульса на выходе 58 на период I/FT-.

Четвертый тактовый импульс, формируемый на выходе элемента И-НЕ 28 и сдвинутый относительно третьего на период 1/F, возвращает триггер 26 в исходное нулевое состояние в соответствии с состоянием триггера 24. В результате блок 3 переходит в состояние, соответствующее начальному моменту его работы. Цикл работы блока повторяется при поступлении на входы 55 и 56 очередных импульсов задания и фактического расхода.

Так как рабочий цикл блока 3 совершается четыре такта, равных зна 1ение тактовой частоты F должно удовлетворять условию

FT , , FjJ.

Для формирования, интегральной составляющей в законе регулирования с выходов 57 и 58 блока .3 разделенные .во времени импульсы поступают на

входы сложения и вычитания первого реверсивного счетчика 5, а также через элементы ИЛИ 10 и 11 на входы сложения и вычитания второго реверсивного счетчика 12.

При неравенстве частот F и Fj в счетчике 5 накапливается код, пропорциональный интегралу разности частот F и F2. К0Д со счетчика 5 поступает на преобразователь 7 кода,

вьшолненный, например, по схеме

двоичного умножителя. На другой вход преобразователя 7 через элемент 6 задержки поступают импульсы генератора 4 с частотой F . С выхода преобразователя 7 последовательность импульсов с частотой, пропорциональной частоте F следования тактовых импульсов и коду со счетчика 5, поступает в зависимости от ёнака кода, через элемент И 8 или 9 и через элементы ИЖ 10 и 11 на вход сложения или вычитания счетчика 12. Задержка тактовых импульсов на входе преобразователя 7 код-частота относительно импульсов на выходе блока обеспечивает сложение разностной . частоты Р - F. с частотой,, пропорцио нальной коду со счетчика 5, т.е. интегралу разностной частоты F 2 В результате интегрирования получен ной суммы частот на выходе счетчика 12 образуется код, пропорциональ ный сумме двух Составляющих: интеграла разностной частоты 2 двойного интеграла той же разности. Одновременно, для формирования пропорциональной составляющей, импульс ные последовательности с частотами F и F поступают на входы 59 и 60 преобразователя 14, а на вход 61 тактовые импульсы с частотой F . Коммутатор 14 периодов формирует дв последовательности взаимно чередующихся импульсов с длительностями, равными периоду Т следования импульсов задания на выходе- 62 и периоду Т следования импульсов с да чика 3 расхода на выходе 63, и импульсные команды Запись и Сброс на выходах 64 и 65 соответственно, необходимые для управления последов тельностью работы элементов канала формирования пропорциональной составляющей. Формирование пропорциональной составляющей осуществляется путем сравнения периодов Т и Т . Для сравнения импульсы, по длительности равные периодам Т и Т. в разнесенн моменты времени, заполняются опорно частотой Fjjp , причем Fgj, 77 F. Полученные коды вычитаются и в результа те образуется число N, равное NK i-TilFon (1) или с учетом T 1/F/ Число N пропорционально разности частот F и F2. . Для уменьшения влияния нелинейности, вносимой произведением Р F в .знаменателе выражения (2), опорна частотя Fon не остается постоянной, а изменяется пропорционально больше из сравниваемых частот KF. приР1-Р270; г.кF2,пpиF, где К - коэффициент пропорциональности. В результате выражение (2) пребразуется к виду -р . Р i Указанные команды Запись и Сброс формируются циклически. Импульсы с длительностями Т и Т формируются на единичных выходах jKтриггеров 34 и 35. В исходном состоянии jK-триггеры 34 и 35 находятся в нулевом, а R5-триггеры 36 и 37 в единичном состояниях. При этом на первых и вторых входах элементов И-ЙЕ 40 и 41 присутствуют сигналы l, а на выходах - сигналы О. Нулевые выходные сигналы элементов И-НЕ 40 и 41 поступают на первые j-входы триггеров 34 и 35 и. тем самым удерживают их в нулевом состоянии. Таким образом, элементы И-НЕ 40 и 41 совместно с RS -триггерами 36 и 37 образуют цепи самокалибровки триггеров 34 и 35. Элемент И-НЕ 42 и инвертор 49, подключенные своими выходами к вторым j-входам соответственно триггеров 35 и 34, образуют цепи взаимной блокировки последних. В исходном состоянии на выходах- элемента И-НЕ 42 и инвертора 49 присутствуют сигналы 1 и обе взаимные блокировки не действуют. Элемент И 48 контролирует выходы триггеров 34-37 и в исходном состоянии преобразователя 14 на всех его входах и на выходах присутствуют сигналы 1.-Т-триггеры 38 и 39 образуют пересчетную схему на четыре такта и в начальный момент находятся в нулевом состоянии. Нулевые сигналы с прямых выходов триггеров 38 и 39 запрещают прохождение импульсов тактовой, частоты F через элементы И-НЕ 45-47. Единичный сигнал с выхода элемента И 48 разрешает прохождение тактовых импульсов через элемент И-НЕ 44 на счетный вход Ттриггера 38. В процессе счета на входах элементов 45 - 47 поочередно появляются разрешающие единичные потенциалы. Тактовые импульсы, проходя через элементы И-НЕ 45-47, формирую на их выходах импульсные команды Запись, Сброс и Запуск,

в нулев.ое состояние. На выходе 63 сигнал 1 переходит в сигнал О, тем самым завершается формирование единичного импульса, равного по длительности периоду следования импульсов расходомера. В тот же момент времени включается самоблокировка триггера 35 и снимается взаимная блокировка триггера 34. Далее аналогичным образом триггер 34 формирует единичный импульс на выходе 62, равный по длительности периоду Т следования импульсов задания с выхода генератора 1, после чего триггер 34 становится на самоблокировку. В этой части цикла триггер 35 не освобождается от самоблокировки в отличие от триггера 34, так как отсутствует перекрестная связь с инверс17598

ного выхода триггера 34 на R -вход

R5 -триггера 37. Эту связь заменяет цепь команды Запуск.

В результате коммутатор периодов возвращается в исходное состояние. Далее цикл повторяется.

Элемент И-НЕ 43 предотвращает установление преобразователя в ложное устойчивое состояние, возможное при включении устройства, путем исключения одновременного действия двух взаимных блокировок.

Сформированные единичные импульсы с длительностями Т и I поочередно пропускают .через элементы И 16, 17 на входы реверсивного счетчика 18 последовательность импульсов, следующих с опорной частотой ,F-Epii этом импульсы опорной частоты Р, заполняющие период Т. , подаются на вход сложения, а заполняющие период Т - на вход вычитания счетчика 18, предварительно обнуленного командой Сброс.

В счетчике 18 образуется число N,

.

равное ( F или

Таким

образом, за один цикл работы преобразователя 14 на вьпсоде реверсивного счетчика 18 формиру ется код, пропорциональный разности частот F , F2 .

Командой Запись, следующей за формированием импульса Т , код счетчика 18 переписывается в регистр 19, после чего командой Сброс счетчик подготавливается для следующего цикла измерения. На выходе регистра 19 постоянно .находится число, пропорциональное разности частот R) и F, , обновляемое за каждьй цикл измерения - цикл работы преобразователя. Максимальное время цикла равно

T,+2Tj, при Т2 Т,-, ,

(5)

2Т,+Т,,

при Т Т

Произведение F Fvj делает нелинейной зависимость кода на выходе регистра 19 от разности частот .

V

Для приближения зависимости- г-г Рпп

Pi

f-iPi

к линейной, а также для обеспечения устойчивости работы устройства в широком диапазоне заданий (частот F) расхода опорная частота F формируется умножением частоты R или F2 на коэффициент пропорциональности К с помощью умножителя 15 частоты. В качестве входного сигнала умножител используются импульсы Т и Т , по- ступающие с выходов 62 и 63 преобразователя 14 через управляемый переключатель 13. Последний управля ется потенциалом знакового разряда регистра 19. Когда знак числа N в регистре положителен, т.е. F -FjO, на вход умножителя 15 поступает импульс Т, и происходит умножение частоты R, . При противоположном знаке F г происходит умножени частоты Таким образом, опорная частота Р определяется Р ГКРд , при P, КРг при F, Умножение частоты происходит сле дующим образом (фиг.4) ЕдиничньШ импульс с длительностью равной периоду одной из частот, например, Т. 1/F, поступая на вход 66 элемента И 50, разрешает прохожде :ние на счетный вход суммирующего счетчика 51 тактовых импульсов с час тотой . FJ- , деленной с помощью делителя 53 частоты на коэффициент пропо циональности К. За период Т в счетчике 51 накапливается К импульсов: с N,A.T к 1 . Число N параллельным кодом переписывается в регистр 52 командой Запись, поступающей с коммутатора периодов, после чего счетчик 51 . устанавливается в ноль командой ; Сброс.Выходной параллельный код чис лаМ регистра 52 подается на параллель йь1й вход вычитающего счетчика 54.Код N периодически заносится в этот счетчи импульсом переполнения по шине Р вычитания и списывается до нуля по счетному входу тактовыми импульсами с частотой Fy . На выходе Р счетчика 54 импульсы переполнения следуют с частотой, равной опорной частоте n Fr/N; . П /TT-KF. В течение цикла формирования импульсов Т и Т и записи числа N в реверсивный счетчик 18 опорная частота Fgf, постоянна, и сравнение частот R, и F2 происходит в одинаковых условиях. Одновременно в суммирующий счетчик 51 записывается новое значение числа N, и цикл повторяет ся синхронно с работой преобразователя 14. Таким образом, на выходе регистра 19 образуется код, пропорциональньм разности частот F и F по выражению (4)« Значение коэффициента К выбирается в зависимости от конструктивных особенностей расходомера 3 и исполнительного механизма 22; Код N суммируется в двоичном сумматоре 20 с кодом, пропорциональным сумме первого и второго интегралов разности частот F - F . Алгебраическая сумма кодов с выхода сумматора 20 поступает на цифроаналоговьй преобразователь 21, с выхода которого управляющий сигнал поступает на исполнительный механизм 22. Управляющий сигнал переводит исполнительньш механизм в такое положение, при котором устанавливается равенство частот Fl, и F, , т.е. соответствие действительного расхода заданному. Время, необходимое для формирования кода N, пропорционального разности частот 2, составляет согласно выражениям ts) не более трех периодов следования одной.из импульсных последовательностей,При этом отпадает необходимость в применении сглаживающего фильтра. Это означает, что по быстродействию предлагаемое устройство превосходит известное, в котором применение сглаживающих фильтров принципиально необходимо для преобразования частоты в напряжение. Использование изобретения позволит практически полностью исключить аппаратурные погрешности процессов смешения и дозирования, расширить функциональные возможности систем управления этими процессами за счет использования быстродействующих исполнительных механизмов, например приводных электродвигателей дозировочных насосов, работающих в режиме расходомеров при оборудовании их преобразователями частоты вращения в частоту электрических импульсов. Обеспечение.отработки каждого импульса задания, поступающего с генератора, гарантирует не только точное поддержание заданного расхода, но и столь же точное соответствие

11117175912

объема протекающей через расходомер ния задания в процессе работы. Это среды пропорциональному количеству свойство изобретения ценно при его импульсов, поступивших за любой от- использовании в системах непрерывнорезок времени с генератора независи- го пропорционального дозирования

МО от действия возмущений и измене-5 и смешения.

Фиг.2

50

Я

К

5Ц