Пневматический импульсный делитель

 

Изобретение относится к пневматической аналоговой технике и позволяет расширить класс аппроксимируемых функций. Делитель содержит переключатель 1, широтно-импульсный модулятор 2, три дросселя 3, 7, 9 и емкость 4. Сущность изобретения состоит в создании преобразователя широтно-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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я>ю G 06 G 5/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ bCTBY (21) 4905787/2.4 (22) 28,01.91 (46) 23,08.92. Бюл. N 31 (71) Ленинградский электротехнический институт им, В.И.Ульянова (Ленина) (72) В,В.Сальников (56) Авторское свидетельство СССР

N 1292012, кл. G 06 F 5/00, 1985.

Авторское свидетельство СССР

N. 1316004, кл. G 06 F 5/00, 1985. (54) ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ИМПУЛЬСНЫЙ

ДЕЛИТЕЛЬ (57) Изобретение относится к пневматической аналоговой технике и позволяет расширить класс аппроксимируемых функций.

Делитель содержит переключатель 1, широтно-импульсный модулятор 2, три дроссе,,5U,, 17569О5 А1

2 ля 3, 7, 9 и емкость 4. Сущность изобретения состоит в создании преобразователя ши- . ротно-модулированного импульсного пневматического сигнала в давление по гйперболической зависимости, ориентированной на плавную (сквозйую) 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 интейсивностью.

Использование импульс»його делителя в ка- честве базового элемента расширяет функциональные воэможноСти пневматических нелинейных преобразователей при простой технической реализации, 3 ил.

1756905

Изобретение относится к пневматическим вычислительным устройствам и может найти прйменение в системах пневмоавто- .. матики, где распространено представление информации в виде скважности импульсных 5 с игналов.

Известен способ выполнения вычислительных операций, позволяющий реализовать устройства на пневматических элементах. 10

Построение пневматических вычислительных устройств основано на использовании пневмоемкостей, которые соединяют дискретно ло времени между собой и соответствующими каналами с помощью управ- 15 ляемых командными импульсами лневмоконтактов, Здесь реализуется ряд вычислительных операций, исходя из вираже ййя

20 и >, (Pi Vi)

Р— (=! и, . М; а именно. умножение на постоянный коэффициент при и = 2, усреднение при и одинаковых К где Р— давление, V — обьем.

Однако реализация данного устройства имеет ограниченные воэможности по вычислительным операциям и предназначена для работы с постоянными сигналами, Известно устройство осреднения пнев- З5 матического сигнала, которое имеет более широкие возможности и позволяет выполнять операцию усреднения и функциональное преобразование одновременно.

Работа устройства осреднения пневма- 40 тического сигнала заключается в преобразовании давлений в количестве газа по заданным моментам времени и суммирования полученных количеств газа для выработки результирующих давлений в общем 45 объеме камер в другой момент времени и ричем преобразуемые количества газа пропорциональны за счет фиксированных объемов газа в указанные моменты времени.. 50

Цикл, за который осуществляется осреднение пневматического си нала, разби-вается На и равных интервалов аппроксимации At, по которым выполняется кусочно-ступенчатая 55

n —

t! =, (Р At)

i =0 или кусочно-линейная аппроксимация и — Р,+P,+ площади 1, где P| — значение входного параметра в точках i разбиения цикла на интервалы At.

Среднее значение входной величины P за цикл находится делением интегрального значения площади под кривой! на длительность цикла Т = t tt. Для первого случая результат определяется выражением и — 1 n —

X (Р! t) Х Р;

It !=о i=о т ът и о а Для второго выражения

n-f

n-f г (я; Р, ° 1 Q (ll„-Р„g( р I но

hf и 2п

Po+2P. +2 i+ гИ + 2!n

Я у7

Значения входного параметра Р запоминаются камерами Чо, Vt, Vz,...,Vn по точкам разбиения цикла на интервалы в моменты О, 1, 2,...,п-1, определяемые сигналами Ро, Р1, Р2,...,Рп-1.

В конце цикла по команде Рп-! 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

Pi Vi

RF где Vi — 1-й объем, определяемый камерой;

R —. газовая постоянная;

0- абсолютная температура, тогда и-т

Е ("v)

Таким образом

Z (v;> . v;

<=о а при соблюдении соотношений

1756905 получается Р1 и и ри

Рвых = y(P1 Р2) + Р2.

Чо=Ч1=Ч2=... = Vl="=Vn-

Vo = Vn, V1 = V2 = ... = Vi = ... = Vn-1 2Vo получается Рг.

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

Известна устройство, где входйая информация представлена скважностью широтно-ймпульсного сигнала и реализуется на выходе выделением постоянной состав- ляющей давления. Широтно-импульсный управляемый делитель давления содержит широтно-импульсный модулятор, вйход которого связан с управляющим входом переключателя, дроссель, выход которого соединен с емкостью и выходным каналом, а вход — через переключатель с двумя вход- ными каналами.

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

7 где y = — — относительная длительность

Т, широтно-импульсного сигнала;

Р1 и Pz — давление во входных каналах, Делитель работает следующим образом, Широтно-импульсный модулятор выpa- батывает входной сигнал, скважность которого модулирована управляющим сигналом. Под воздействием широтно-импульсного сигнала переключатель подает на вход дросселя то давление Р1, то давление

Pz входных каналов, т,е. иТ

Р2 (1 /") Ри кТ.+ с <Й < (к+Я Т у где k =- О, 1, 2,..., oo;

t — текущее время.

Дроссель и емкость образуют обычный низкочастотный фильтр, формирующий на выходе средйее значение давления

Рвых = Р1 У Р2 (1 — y ) = ) (Р1 — P2) + Р2

Недостатком данного делителя являются его ограниченные функциональные возможности. что обусловлено выходной характеристикой устройства, не позволяю5 щей непосредственно реализовывать сквозные аппроксимации нелинейных зависимостей.

Наиболее близким по технической сущность к предлагаемому является широтно10 импульсный управляемый делитель давления, который имеет более широкие функциональные возможности, чем аналог, что обусловлено выходной характеристикой, позволяющей непосредственно реали-, 15 завывать сквозные аппроксимации нелинейных завиСимостей. К тому же известный делитель ориентирован на работу со скважностью входного широтно-импульсного сигнала, чего нет в аналоге, а кроме

20 того, известный делитель обладает большей простотой, Известный делитель содержит переключатель, управляющий вход которого со е д и н е и с " *цгй р о т и О - и м и у л ь с и ы м .

25 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

30 переключателя. Устройство работает следующим образом.

Ш иротно-импульсный модулятор вы рабатывает входной сигнал, относительная длительность которого у соответствует те35 кущему значению аргумента, Этот сигнал поступает на управляющий вход переключателя. Во входной канал 8 подают давление

Рв,, а в опорный 7 — давление Ро. Пусть в начальный момент времени переключатель 40 разомкнут, а давлеййе в выходном канале

Рвых соответствует опорному давлению Рр

При замыкании переключателя под воздействием разности входного Рв; и выходного

Р, давлений образуется поток газа во

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

50 опорной цепи, протекающий через второй дроссель. После размыкания переключателя входной поток прерывается, а остается лишь поток газа в опорной цепи, который за время (Т вЂ” г) уменьшает избыточное давле55 ние в емкости. В следующий период Т на время твновь замыкается переключатель, и поток газа во входной цепи вновь протекает через первый дроссель; увеличивая давление в камере пневмоемкости. При размыка1756905

Рвых

Са1 =(Рвх — Рвых) а1 У а2 (Рвых Ро) а2

Ga> =Оч+Ga2 или

= P„a> у+ Роа2 нии переключателя на время (Т-r.) входной поток, как и в первом периоде, прерывается, давление в емкости 4 начинает падать за счет потока газа в опорной цепи. Далее процесс повторяется, 5

Расход газа по входной цепи при входном давлении Рвх и выходном давлении

Рвых определяется в зависимости от относительной длительности управляющего сигнала y = — следующим образом; к

Т где a> — коэффициент пропорциональности 15 между расходом газа и перепадом давлений, задаваемый сопротивлением дросселя входной цепи.

Далее выполняется осреднение полученного количества газа, при котором рас- 20 ход газа следующий:

V о Рвых " =л

25 где V — обьем емкости, в котором выполняется осреднение; .

R — газовая постоянная;

0 — абсолютная температура.

Количества газа, «е участвующие в ос- ?0 реднении, сбрасываются в опорный канал

Ро с заданной сопротивлением дросселя опорной цепи интенсивностью с . При этом получается расход газа, определяемый выражением 35

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.

V бРвых

Рвых(а У + a2) + R

Решение полученного уравнения характеризует выходное давление

P„d Г " (g(P + 6(y ) t g

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 у. а) у

= (Рвх Ро) - + Ро. а y+a2

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 позволяет эффективно . реализовать 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 пневмотехники для создания сопротивления течению воздуха { дросселирование потока газа), В предлагаемом техническом решении вводимый элемент используется по прямому назначейию, проявляя при этом в отдельности известные свойства. Однако взятые в совокупности этот элемент и элементы известного делителя с новой органиэацией связей проявляют новое свойство— преобразование относительной длительности широтно-импульсного пневматического сигнала в давление 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 нв повторяет ни одно из известных свойств и че является их суммой.

Введенный элемент отдельно взятый необходим для обеспечения сформулирован ного положительного эффекта, а все элементы вместе взятые, т,е, с учетом их взаимосвя1756905 эей, достаточны. чтобы отличить устройство ключателя 1 на время (Т вЂ” г) опустошение в целом от других подобного назначения и емкости через дроссель 3 прекращается и характеризовать его в том качестве, которое выходное давление опять определяется копроявляется в сверхсуммарном результате эффициентом пневматического делителя, — расширении функциональных возможно- 5 реализованного на дросселях 6 и 9. стей пневматического импульсного делите- В следующий период Т на время т вновь ля, замыкается переключатель 1 и процесс по. Сущность предлагаемого изобретения вторяется. состоит в создании преобразователя ши- В установившемся режиме при достаротно-модулированного импульсного пнев- 10 точно большой емкости 4 постоянные соматического сигнала в давление rio. ставляющие потоков в цепи емкости гиперболической зависимости, ориентиро- становятся равными нулю. Давление в емкованной. на плавную (сквозную) аппроксима- сти 4 от периода к периоду при одном и том цию функций с особенностями. за .счет же значении у практически не меняется и дросселирования входного потока газа при . 15 определяет функциональную характеристиодновременном осреднении и сбрасывании icy пневматического импульса делителя в канал опорного давления газа с заданной Все элементы предлагаемого устройстинтенсивностью по линейному закону и в ва являются известнйми . Для реализации атмосферу с управляемой интенсивностью, переключателя 1 применяются, например, На фигЛ изображен известный дели- 20 различные пневмоклапаны. Широтно-имтель; на фиг.2 — схема предлагаемого пнев- пульсный модулятор 2 может быть построен матического импульсного делителя. на на элементе сравнения и генераторе пилофиг.З вЂ” временная диаграмма его работы.. образных импульсов, например. по иэвестДелитель содержит переключатель 1. ной схеме. Дроссели 3. 6; 9 и их расходные управляющий вход которого соединен с ши-. 25 характеристики также известны. В качеСтве ротнО-импульсным модулятором 2, а выход емкости 4 можно использовать. например, через первый дроссель 3 связан с емкостью постоянную пневмоемкость.

4 и выходным каналом 5, который через вто- В основу построейия устройства полоройдроссель 6 подключен к каналу7опор- жен принцип преобразования давления ного давления. и входной канал 8; причем 30 входного сигнала в количество газа по литретий дроссель 9 соединен с входным ка- . нейному закону, суммиРование полученных налом 8, а коммутируемый вход переключа- количеств газа для выработки результируютеля 1 Соединен с атмосферой 10. щего давления при одновременном непреПневматический импульсный делитель- рывном сбрасывании суммируемых работает следующим образом. . 35 количеств газа по линейному закону в ойорНа выходе широтно-импульсного моду- ный канал и йропорционально относительлятора 2 формируется периодическая {с пе- ной: длительности входного риодом Т) последовательность широтно-модулирОванного импульсного прямоугольных импульсов, относительная пневматического сигнала в атмОсферу, придлительность которых у изменяетСя дис- 40 чем коэффициейт передачи делителя rio ги- танционно и является информативным па- перболической зависимости формируется раметром, Этот сигнал поступает на как результат оСреднения в установившемуправляющий вход переключателя 1.:Во ся режиме, когда количество газа, подаваевходной канал 8 подают давление Р х, в. мое за период по входному;каналу, равно опорный 7- давление Ро, а коммутируемый 45 количеству газа. удаляемому rio опорному и вход переключателя 1 соединен с атмосфе- атмосферному кайалам. рой 10.::; . Расход газа в цепи атмосферного давПусть в начальный момент времени пе- ления при выходном давлении Р, х опредереключатель 1 разомкнут. Давление в вы- ляется в зависимости от относйтельной: ходном канале 5 определяется 50 длительности управляющего сигнала коэффициентом пневматического делителя, Х реализованного на дросселях 6 и 9. — r .Т

При замыкании переключателя 1 под воздействием разности выходного Рецх li .. Ga> =Påûõ 1у ° атмосферного давлений образуется поток 55 газа в цепи агмосферного давления, проте- где а . — коэффициент пропорциональнокающий в течение времени r через дрос- сти между расходом газа и перепадом давсель 3. При этом количество газа в емкости лений, задаваемый сопротивлением

4 уменьшается. После раэмыкания пере- дросселя вцепиатмосферногодавления.

1756905

Ga2 = (Рвых Ро) а2

/ (вх Рвых) а3 " = или

Р РВХ a3 + Pp а2 а1 g+а2 +a3

Осц = (Рвх Рвых) С 3

25

V о Рвых 3

Ga3 Gv + Ga + Ga2

40 или

Расход газа в цепи опорного давления

Ро при выходном давлении Рвых определяется как где а2 — коэффициент пропорциональности между расходом газа и перепадом давлений, задаваемых сопротивлением дросселл в цепи опорного давления, Расход газа по входной цепи при входном давлении Рвх и выходном давлении Рвых определяется как где a3 — коэффициент пропорциональности между расходом газа и перепадом давлений. задаваемый сопротивлением дросселя входной цепи.

Далее выполняется осреднение полученного количества газа, при котором расход газа следующий; где V — объем емкости;

R — газовая постоянная;

Π— абсолютная температура.

Общий расход газа характеризуется равенством входного расхода за период преобразовайия с одной стороны и суммой расходов на осреднение и сбрасывание в 35 атмосферу и опорный канал с другой стороны, т.е.

< рвьи, (Рвх Рвых)44- Re

Отсюда

V 6Рвых

Ра ы ю " f " " з Re d 4 - Рвх 4+ Р 2.

Решение полученного дифференциального уравнения характеризует выходное давление . р, + р в вх 3 Оак

Qb>X о(g + g(+о(- — 9 3" с4 "3 х

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

= Рвых а1 7 Т + (PBblx — Ро) а2 Т где Рвых — сглаженное значение выходного давления; а1, a2,а3 — проводимость соответственно первого 3, второго 6 и третьего 9 дросселей.

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

С помощью предлагаемого делителя возможна аппроксимация различных нелинейных функций. Например, у в диапазоне

0,1»y» 1 аппроксимируется с приведенной погрешностью 0,03% линейной комбинацией Вида г 3 0464 — 9,7893 + 0,5336 У -ЗЯ"64 y+3,4102 + r+ 01589

Результат формируется как сумма простых дробей с характеристиками предлагаеМого пневматического импульсного делителя. Требуемые значения масштабных коэффициентов обеспечиваются надлежаЩИМ ВЫбОРОМ Рвх, Ро, а>, а2 И а3.

Предлагаемый пневматический импуль, сный делитель характеризуетсл расширенными функциональными возможностями, так как коэффициент передачи делителя представляетсл 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 элементйой базы, что и у известного, позволяющая сохранить технологичность устройства и реализуемость его на известных элементах пневмоавтоматики.

Формула изобретения

1756905

4х"з hei

Составитель В.Сальников

Техред M,Моргентал Корректор Л.Лукач

Редактор И.Дербак

Заказ 3089 Тираж . - Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-иэдател ьский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Пневматический импульсный делитель, содержащий переключатель. управляющий вход которого соединен с выходом широт-но-импульсного модулятора, а выход через первый дроссель связан с емкостью и вы- 5 ходным каналом, который через второй дроссель подключен к каналу опорного давления и входной канал, о т л и ч а ю щ и с я тем, что, с целью расширения класса апнроксимируемых функций, в нем установлен третий дроссель, вход которого подкл>очен к входному каналу, выход — к емкости. а коммутируемый вход переключателя соединен с атмосферой.