Пневматический импульсный делитель Советский патент 1992 года по МПК G06G5/00 

1 ел о ю о ел

Изобретение относится к пневматической аналоговой технике и позволяет расширить класс аппроксимируемых функций. Делитель содержит переключатель 1, ши- ротно-импульсный модулятор 2, три дросселя 3, 7, 9 и емкость 4. Сущность изобретения состоит в создании преобразователя ши- ротно-модулированного импульсного пневматического сигнала в давление по гиперболической зависимости, ориентированной на плавную (сквозную) аппроксимацию функций с особенностями за счет дросселирования входного потока газа при одновременном осреднении и сбрасывании в канал опорного давления газа с заданной интенсивностью по линейному закону и в атмосферу с управляемой интенсивностью. Использование импульсного делителя в качестве базового элемента расширяет функциональные возможности пневматических нелинейных преобразователей при простой технической реализации. 3 ил. (Л с

Фи&2

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

Известен способ выполнения вычислительных операций, позволяющий реализовать устройства на пневматических элементах.

Построение пневматических вычислительных устройств основано на использовании пневмоемкостей, которые соединяют дискретно по времени между собой и соответствующими каналами с помощью управляемых командными импульсами пневмоконтактов. Здесь реализуется ряд вычислительных операций, исходя из выражения

S (PI v.)

р

i 1

Zvs i - i

а именно, умножение на постоянный коэффициент при п 2, усреднение при п одинаковых V, где Р - давление, V - объем.

Однако реализация данного устройства имеет ограниченные возможности по вычислительным операциям и предназначена для работы с постоянными сигналами.

Известно устройство осреднения пнев- матического сигнала, которое имеет более широкие возможности и позволяет выполнять операцию усреднения и функциональное преобразование одновременно.

Работа устройства осреднения пневма- тического сигнала заключается в преобразовании давлений в количестве 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 п равных интервалов аппроксимации At, по которым выполняется кусочно-ступенчатая

li EViAt) 0

или кусочно-линейная аппроксимация

PI + Pi + i

At

0

5

0

площади I,

где Pi - значение входного параметра в точках 5 разбиения цикла на интервалы At

Среднее значение входной величины Р за цикл находится делением интегрального значения площади под кривой I на длительность цикла Т t п. Для первого случая результат определяется выражением

п - iп - 1

, 2 ( ДО 2 Р Р. в ы±°J Q

п Т Af nn

а Для второго выражения

, irfi V )

2 Т

At -П

2

- Po + 2Ri «-gPf+aPrt-i + ZPn . In

Значения входного параметра Р запоминаются камерами V0, Vi, V2Vn i по точкам разбиения цикла на интервалы в моменты 0,1. 2,...,п-1, определяемые сигналами Ро, Pi, Р2РгИ.

В конце цикла по команде Рп-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 Pt.

Запоминаемая величина на каждом интервале определятся выражением

PiVi RFгде Vi - i-й объем, определяемый камерой;

R - газовая постоянная;

в- абсолютная температура, тогда

Г - , L™li)

R©R0

Таким образом

n-l

I IP..VO

p,

n-1Г

I vt

ts«j

а при соблюдении соотношений

V0 Vi V2 ... Vi.., Vn-l получается Pi и при

V0 Vn. Vi V2 ... Vi ... Vn-1 2V0

получается P2.

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

Известно устройство, где входная информация представлена скважностью ши- ротно-импульсного сигнала и реализуется на выходе выделением 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 еход ными каналами.

Делитель осуществляет преобразование давления под управлением широтно- импульсного сигнала с выделением постоянной составляющей

Рвых У(Р1- Р2) + Р2,

г где у у - относительная длительность

широтно-импульсного сигнала;

PI и Ра - 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 Pi, то давление 2 входных каналов, т.е.

PAParJ ( прц ;

А P4ftv)P«/ (

где к-0, 1,2 оо ;

- текущее время.

Дроссель и емкость образуют обычный низкочастотный фильтр, формирующий на ёыходе среднее значение давления

Рвых Р Р2 (1 У ) У (Pi - Р2) + Р2.

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

Наиболее близким по технической сущность к предлагаемому является широтноимпульсный управляемый делитель давления, который имеет более широкие функциональные возможности, чем аналог, что обусловлено выходной характеристикой, позволяющей непосредственно реализовывать сквозные аппроксимации нелинейных зависимостей. К тому же известный делитель ориентирован на работу со скважностью входного широтно-импульсного сигнала, чего нет в аналоге, а кроме

того, известный делитель обладает большей простотой.

Известный делитель содержит переключатель, управляющий вход которого соединен с цГиротно-импул ьсным

модулятором, а выход через первый дроссель связан с емкостью и выходным каналом, который через дроссель подключен к каналу опорного давления, и входной канал, который соединен с коммутируемым входом

переключателя. Устройство работает Следующим образом.

Широтно-импульсный модулятор вырабатывает входной сигнал, относительная длительность которого у соответствует текущему значению аргумента. Этот сигнал поступает на управляющий вход переключателя. Во входной канал 8 подают давление РВХ. а в опорный 7 - давление Р0. Пусть в начальный момент времени переключатель

разомкнут, а давление в выходном канале Рвых соответствует опорному давлению Ро. При замыкании переключателя под воздействием разности входного РВХ и выходного Рвых давлений образуется поток газа во

входной цепи, протекающий в течение времени г через первый дроссель. При этом количество газа в емкости увеличивается и создается избыточное давление, под воздействием которого образуется поток газа в

опорной цепи, протекающий через второй дроссель. После размыкания переключателя входной поток прерывается, а остается лишь поток газа в опорной цепи, который за время (Т - г) уменьшает избыточное давление в емкости. В следующий период Т на время гвновь замыкается переключатель, и поток газа во входной цепи вновь протекает через первый дроссель, увеличивая давление в камере пневмоемкости. При размыкании переключателя на время (Т -г ) входной поток, как и в первом периоде, прерывается, давление в емкости 4 начинает падать за счет потока газа в опорной цепи. Далее процесс повторяется.

Расход газа по входной цепи при входном давлении Рвх и выходном давлении Рвых определяется в зависимости от отно,- сительной длительности управляющего сигнала у Х следующим образом:

Gtfi (Рвх - Рвых) С1 У ,

где а - коэффициент пропорциональности между расходом газа и перепадом давлений, задаваемый сопротивлением дросселя входной цепи.

Далее выполняется осреднение полученного количества газа, при котором расход газа следующий:

Gv

V d P

оых

W8 dt

где V - объем емкости, в котором выполняется осреднение:

R - газовая постоянная;

в- абсолютная температура.

Количества газа, не участвующие в осреднении, сбрасываются в опорный канал Ро с заданной сопротивлением дросселя опорной цепи интенсивностью аз.. При этом получается расход газа, определяемый выражением

С«2 (Рвых - Ро) «2 .

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.

GoM Gv + Сод или

РвЫх()

Рвх а У + Ро «2 .

Решение полученного уравнения характеризует выходное давление

Р . РВХС/., рвых -1S-

(а

.Cl..;I

В установившемся состоянии выражение в скобках стремится к единице, среднее значение на периоде изменения массы воздуха в емкости равно нулю, а выходное давление определяется как

10

р Рвх «1 У + PC G2

рвых- д1у + аа

(Р

ох

Р«)й77 + р

Таким образом, коэффициент передачи делителя представляется в виде простой дроби с аргументом у.

Недостатком известного делителя являются его ограниченные функциональные

возможности, обусловленные коэффициентом передачи делителя, представленным в виде простой дроби с аргументом как в числителе, так и в знаменателе, что не позволяетэффективнореализовать

трудновоспроизводимые функции с особенностями, например тангенсные параболические, гиперболические и другие

Целью изобретения является расширение класса аппроксимируемых функций.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемый делитель установлен третий дроссель, вход которого подключен к входному каналу, выход - к емкости, а коммутируемый вход переключателя соединен

с атмосферой. Введенный элемент находит широкое применение в устройствах пневмо- техники для создания сопротивления течению воздуха ( дросселирование потока газа). В предлагаемом техническом решении вводимый элемент используется по прямому назначению, проявляя при этом в отдельности известные свойства. Однако взятые в совокупности этот элемент и элементы известного делителя с новой организацией связей проявляют новое свойство - преобразование относительной длительности широтно-импульсного пневматического сигнала вдавление на выходе по гиперболической характеристике, с помощью чего могут быть эффективно реализованы сквозные аппроксимации различных функций, в том числе функции с особенностями, таких как тангенсные, гиперболические, параболические. Это свойство не повторяет ни одно из

известных свойств и не является их суммой Введенный элемент отдельно взятый необходим для обеспечения сформулированного положительного эффекта, а все элементы вместе взятые, т.е. с учетом их взаимосвяэей, достаточны, чтобы отличить устройство в целом от других подобного назначения и характеризов ать его в том качестве, которое проявляется в сверхсуммарном результате - расширении функциональных возможностей пневматического импульсного делителя

Сущность предлагаемого изобретения состоит в создании преобразователя ши- ротно-модулированного импульсного пневматического сигнала в давление по гиперболической зависимости, ориентированной на плавную (сквозную) аппроксимацию функций с особенностями, за счет дросселирования входного потока газа при одновременном осреднении и сбрасывании в канал опорного давления газа с заданной интенсивностью по линейному закону и в атмосферу с управляемой интенсивностью.

На фиг.1 изображен известный делитель; на фиг.2 - схема предлагаемого пневматического импульсного делителя: на фиг.З - временная диаграмма его работы.

Делитель содержит переключатель 1. управляющий вход которого соединен с ши- ротно-импульсным модулятором 2, а выход через первый дроссель 3 связан с емкостью А и выходным каналом 5, который через второй дроссель б подключен к каналу 7 опорного давления, и входной канал 8, причем третий дроссель 9 соединен с входным каналом 8, а коммутируемый вход переключателя 1 соединен с атмосферой 10

Пневматический импульсный делитель работает следующим образом

На выходе широтно-импульсного модулятора 2 формируется периодическая (с периодом Т) последовательность прямоугольных импульсов, относительная длительность которых у изменяется дистанционно и является информативным параметром. Этот сигнал поступает на управляющий вход переключателя 1. Во входной канал 8 подают давление РВх, в опорный 7- давление Р0, а коммутируемый вход переключателя 1 соединен с атмосферой 10.

Пусть в начальный момент времени переключатель 1 разомкнут. Давление в выходном канале 5 определяется коэффициентом пневматического делителя, реализованного на дросселях б и 9.

При замыкании переключателя 1 под воздействием разности выходного Рвых w атмосферного давлений образуется поток газа в цепи атмосферного давления, протекающий в течение времени г через дроссель 3. При этом количество газа в емкости 4 уменьшается. После размыкания переключателя 1 на время (Т - г) опустошение емкости через дроссель 3 прекращается и выходное давление опять определяется коэффициентом пневматического делителя,

реализованного на дросселях 6 и 9.

В следующий период Т на время г вновь замыкается переключатель 1 и процесс повторяется.

В установившемся режиме при достаточно большой емкости 4 постоянные составляющие потоков в цепи емкости становятся равными нулю. Давление в емкости 4 от периода к периоду при одном и том же значении у практически не меняется и

определяет функциональную характеристику пневматического импульса делителя

Все элементы предлагаемого устройства являются известными. Для реализации переключателя 1 применяются, например,

различные пневмоклапаны. Широтно-им- пульсный модулятор 2 может быть построен на элементе сравнения и генераторе пилообразных импульсов, например, по известной схеме. Дроссели 3. 6, 9 и их расходные

характеристики также известны. В качестве емкости 4 можно использовать, например, постоянную пневмоемкЬсть.

В основу построения устройства положен принцип преобразования давления

входного сигнала в количество газа по линейному закону, суммирование полученных количеств газа для выработки результиоую- щего давления при одновременном непрерывном сбрасывании суммируемых

количеств газа по линейному закону в опорный канал и пропорционально относительнойдлительностивходногоширотно-модулированного импульсного пневматического сигнала в атмосферу, причем коэффициент передачи делителя по ги- о перболической зависимости формируется как результат осреднения в установившемся режиме, когда количество газа, подаваемое за период по входному каналу, равно

количеству газа, удаляемому по опорному и атмосферному каналам.

Расход газа в цепи атмосферного давления при выходном давлении РВых определяется в зависимости от относительной

длительности управляющего сигнала

у j следующим образом

Ga, Рвых «1Y.

где а - коэффициент пропорциональности между расходом газа и перепадом давлений, задаваемый сопротивлением дросселя в цепи атмосферного давления.

Расход газа в цепи опорного давления Ро при выходном давлении Рвых определяется как

G02 (Рвых Ро) 02 ,

где «5 - коэффициент пропорциональности между расходом газа и перепадом давлений, задаваемых сопротивлением дросселя в цепи опорного давления.

Расход газа по входной цепи при входном давлении Рвх и выходном давлении РВых определяется как

С«з (рох - PBUX) оз,,

где аз - коэффициент пропорциональности между расходом газа и перепадом давлений, задаваемый сопротивлением дросселя входной цепи.

Далее выполняется осреднение полученного количества газа, при котором расход газа следующий:

V ЦРвых

bv WO dt

где V - объем емкости;

R - газовая постоянная;

в - абсолютная температура.

Общий расход газа характеризуется равенством входного расхода за период преобразования с одной стороны и суммой расходов на осреднение и сбрасывание в атмосферу и опорный канал с другой стороны, т:е.

Gas - Gv + G«i + Gct2

или

/DOV d РЗЫ л

1нвх-РвыхНз 1ё dt

Рвыл ЛМРвъ«-Ро)с(г.

Отсюда

V dЈebix

6 +

1ЛГ

Рвы (r + c(2+c(

вР8хе/3-«-Рвс 2.

Решение полученного дифференциального уравнения характеризует выходное

давление р

0

5

0

5

0

В установившемся состоянии выражение в скобках стремится к единице, изменение массы воздуха в емкости 4 за период Т равно нулю

(Рвх - Рвых) «3 Т PBUX «1 У Т + (Рвых - Ро) «2 Т

или

р РВХ ОД + Рр02

ВЫХ а у + «2 + од

s/

где Рвых - сглаженное значение выходного давления;

«1 , cti , 03 проводимость соответственно первого 3, второго 6 и третьего 9 дросселей.

Таким образом, коэффициент передачи делителя представляется в виде гиперболической функции с аргументом у, являющимся информационным параметром.

С помощью предлагаемого делителя возможна аппроксимация различных нелинейных функций. Например, llj/в диапазоне 0,1 у 1 аппроксимируется с приоеден- ной погрешностью 0,03% линейной комбинацией вида

9,7893

+

0,5336

у -1-3,4102 у+ 0,1589

Результат формируется как сумма простых дробей с характеристиками предлагаемого пневматического импульсного делителя. Требуемые значения масштабных коэффициентов обеспечиваются надлежащим выбором Рвх, Ро, а , (Xi и «з.

Предлагаемый пневматический импульсный делитель характеризуется расширенными функциональными возможностями, так как коэффициент передачи делителя представляется в виде гиперболической функции и отличается от известного устройства с простой дробью тем, что позволяет эффективно воспроизводить функции с особенностями, такие как тангенсные. гиперболические, параболические и другие При этом не требуется существенных аппаратурных затрат, сохраняется та же однородность элементной базы, что и у известного, позволяющая сохранить технологичность устройства и реализуемость его на известных элементах пневмоавтоматики

Формула изобретения

Пневматический импульсный делитель, содержащий переключатель, управляющий вход которого соединен с выходом широт- но-импульсного модулятора, а выход через первый дроссель связан с емкостью и выходным каналом, который через второй дроссель подключен к каналу опорного давWAfr з

А

ления и входной канал, отличающий- с я тем, что, с целью расширения класса аппроксимируемых функций, в нем установлен третий дроссель, вход которого подключен к входному каналу, выход - к емкости, а коммутируемый вход переключателя соединен с атмосферой.

t

/п

А

t

Фиг. J