Устройство для моделирования переменной емкости

 

Зс с

Г а нтно

ОП ИСАЙ ИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик (11) 527716

К АВТОР СКОМУ СВИДЕТЕЛЬ СТВУ (о1) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 22.10.73 (21) 1966520/24 с присоединением заявки №(23) Приоритет(43) Опубликовано 05.09.76.Бюллетень № 33 (46) Дата опубликования описания 2 7.04.77 (51) М Кл

С 06 G 7/48

Гоеударственный комитет

Совета Министров СССР по делам изооретений н открытий (53) УДК681.3Э2.4;

:371.69 (088.8) (72) Авторы изобретения

Ф. Г. Темпель, С. М. Кунко и Н. Б. Айзенберг

Среднеазиатский научно-исследовательский институт природного газа (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕННОЙ

ЕМКОСТИ

Изобретение относится к вычислительной и измерительной технике и может быть использовано в аппаратуре, где требуется корректировать величину рабочей емкости в процессе выполнения вычислений согласно любой задаваемой функции управления.

Использование переменной (управляемой) емкости целесообразно, в частности в аналоговых, квазианалоговых, цифро-аналоговых и цифро-.квазианалоговых (т,е. гибридных) 10 вычислительных системах, предназначенных для решения задач теории поля, описываемых нелинейными дифференциальными уравнениями в частных производных, обшие аналитические методы интегрирования которых 1а в настояшее время отсутствуют, а численные ограниченны. К таким задачам относится, например, задачи движения сплошных сред в трубах (задачи расчета и управления технологией транспорта нефти, газа и др.), 20 открытых руслах, пористой среде (задачи разработки нефтяных, газовых и других месторождений) и т.д.

Во многих случаях для решения указанного выше круга задач необходимо уметь 25 управлять ке резисторными, а емкостнымп характеристиками RC — сетки.

Известно устройство для моделирования переменной емкости, содержашее блок конденсаторов, которые отключаются плп подключаются параллельно рабочей цепи в управляемой последовательности блоком управления переключателями.

Однако в устройстве для моделированпя переменной емкости возможности управления величиной рабочей емкости в процессе вычислений ограничены. Отключение плп подключение х рабочей цепи (т. е. к узловой емкости) какого-либо дополнительного конденсатора происходит тогда, когда величина напряжения рабочей цепи достигает определенного значения, Значение этого напряжения переключения может быть установлено только при регулировке вычислительного устройства перед выполнением вычислений, но его нельзя изменять в ходе вычислительного процесса. Для решения задач, описываемых нелинейными управлениями в частных производных, управление величиной емкости только рабочим напряжением недостаточно, пото527716 му что указанный выше переменный коэффициен в этих уравнениях часто представляет собой сложную зависимость от искомой функции, которую обычно не удается представить в явной форме. 5

Участки цепей, соединенные с каждым конденсатором, содержат резисторы, Через каждый резистор проходит электрический ток в то время, когда соответствуюший конденсатор отключен от рабочей цепи, 10 поэтому в такой цепи происходит не строгое изменение рабочей емкости, а переключение рабочей цепи от емкости на сопротивление.

Это затрудняет решение сложных задач теории поля, поскольку процесс их решения про- 15 должается значительное время (например, несколько секунд или более), в течение которого токи, проходяшие через указанные сопротивления, обусловливают значительную погрешность вычислений, Учет этого факто- 20 ра в процессе вычислений создал бы определенные затруднения.

Кроме того, втаком устройстве и в других устройствах аналогичного назна чения скачкообразный характер заряда запоминаю- 25 ших емкостей приводит к амплитудной ошибке.

Целью изобретения является исключение такой ошибки.

Эта цель достигается тем, что устройст- ЭО во, состояшее из блока конденсаторов, блока переключателей, первая группа контактов которого подключена к конденсаторам блока конденсаторов, вторая — к выводу подключения устройства, например одному из узлов 3 моделируюшей RC - сетки, и блоку управления переключателями, содержит блок компенсации напряжений, выполненный, например, в виде повторителя напряжения, вход которого подключен к выводу подключения уст- 4о ройства, а выход — к третьей группе входов блока переключателей.

Емкость относится к реактивным электрическим элементам, следствием чего яв» ляется функциональное различие между one- 45 рациями уменьшения и увеличения емкости переключаемых конденсаторов. Это различие заключается в сохранении непрерывности изменения напряжения на рабочей емкости при отключении конденсаторов и в ее нарушении при подключении резервных конденсаторов к рабочей цепи, Сушественно, что напряжение на рабочей емкости одновременно является аналоговой (квазианалоговой) величиной, которая, будучи сформирована на RCсетке (и необходима в вычислительном процессе) в силу закономерностей изучаемого явления, изменяется (в большинстве случаев) непрерывно. Это объясняет важность и обусловливает необходимость обеспечения непрерывности изменения напряжения на рабочей емкости.

Сушность и причина функционального различия между операциями уменьшения и увеличения емкости системы переключаемых конденсаторов может быть показана на примере.

Рассмотрим сначала два идеальных (т. е, без утечек) конденсатора с емкостями С и

С,соединенными один с другим параллельно. Емкость такого составного конденсатора равна С + Са Пусть теперь конденсаторы С и Са включены в рабочую цепь, например, подключены к узлу RC - сетки.

Тогда напряжением U на конденсаторах будет напряжение в узле RC — сетки. Отклк чение одного из конденсаторов от узла RCсетки не вызь вает изменения значения U в момент отключения, Таким образом> операция скачкообразного уменьшения емкости путем отключения части из конденсаторов, подключенных к рабочей цепи, не нарушает непрерывности изменения во времени напряжения рабочей цепи.

Перейдем к рассмотрению процессов при подключении дополнительного конденсатора к рабочей цепи. Рассмотрим сперва два идеальных конденсатора с емкостями С и С

Обозначим через Ц и Б исходные напряжения на этих конденсаторах. Если эти конденсаторы соединить один с другим параллельно и согласно (т. е. плюс с плюсом и минус с минусом), то напряжение на образовавшемся составном конденсаторе станет равным

2 (4+%а Ср, + Саvà

С С + G С,+ Cа

В обшем случае величины U u U не рава ны . Следовательно, результируюшее напряжение U отличается и от Q, и от U . По4 R этому операция подключения конденсаторов одного к другому сопровождается обычно скачком напряжений на конденсаторах. Если конденсатор С соединен с рабочей цепью и

U — напряжение рабочей цепи, то при подключении (с целью увеличения рабочей емкости) параллельно и согласно конденсатора

С рабочее напряжение изменяется скачком на величину (u, — u,). Подобные явления происходят и тогда, когда подключается группы, состояшие из нескольких конденсаторов.

Поэтому можно утверждать, что в обшем случае подключение группы конденсаторов к рабочей цепи, с целью увеличения рабочей емкости, сопровождается нарушением непрерывности изменения во времени напряжения в рабочей цепи, вследствие скачкообразного изменения последней.

527716

Функциональное различие между операциями уменьшения и увеличения емкости системы переключаемых конденсаторов проявляется здесь в различном влиянии на непрерыв-. ность изменения рабочего напряжения: при отключении части параллельных конденсаторов эта непрерывность сохраняется, а при подключении обычно нарушается.

Поскольку во время работы вычислительной системы могут происходить и уменьше- )0 ния, и увеличения рабочей емкости, необходимо устранить скачки напряжения на конденсаторах при подключении их к рабочей цепи.

В предложенном устройстве переключаемый набор конденсаторов дополнен блоком компенсации, позволяюшим устранить схачхи напряжения при подключении дополнительных конденсаторов к рабочей цепи. Блох компенсации обеспечивает непрерывность изменения рабочего напряжения в моменты как уменьшения, тах и увеличения рабочей емкости.

Возможность устранения схачхов напряжения при подключении конденсаторов к рабочей цепи (при отключении таких скачков нет) вытекает из написанного выше выражения для результируюшего напряжения Ц, Полагая Uî = U по"учим Uã Ц Это зо означает, что для сохранения непрерывности изменения напряжения в рабочей цепи необходимо конденсатор или хонденсаторы, подлежашие подключению х рабочей цепи, предварительно зарядить до напряжения, равного напряжению рабочей цепи в момент (целесообразно непосредственно перед моментом) подключения этих конденсаторов х рабочей цепи. Таким образом, задача сводится к компенсации разности напряжений 40 между подключаемыми конденсаторами и рабочей цепью- непосредственно перед подключением конденсаторов к рабочей цепи.

Эту задачу — компенсацию разности указанных напряжений — выполняет блок компен- 45 сации.

На чертеже показана схема предлагаемого устройства для моделирования переменной емкости, хах часть вычислительной системы.

Устройство 1, моделируюшее управляемую50 переменную емхость, содержит блок 2 хонденсаторов, блок 3 переключателей, блок уп— равления 4 перехлючателями, блок компенсации 5.

Точка 6 подключения устройства (узел)

ЯС вЂ” сетхи и обшая шина 7 корпус (или

"земля" ) являются рабочими точками фущ ционируюшей цепи, к хоторым подхлючено устройство 1 для моделирования переменной емкости. 60

Число каналов передачи информации 9 и

10 должно соответствовать числу устройств переменной емхости, (блоки питания, блоки начальных условий и т.п. на чертеже не показаны ).

При среднем положении какого-либо переключателя блока 3 соответствуюший конденсатор блоха 2 не задействован. При верхнем положении какого-либо переключателя блока 3 соответствуюший конденсатор блоха 2 подключен к выходу блока компенсации 5.

Вход блока компенсации 5 подключен к точкам подключения устройства. Узловое напряжение в точке 6 поступает в цифровой автомат 8 через блок компенсации

5 и по ханалу 9 передачи аналоговой величины узлового напряжения от RC-сетки к цифровому автомату. По аналогичным каналам в цифровой автомат передаются напряжения и от других узлов RC -сетки (на чертеже не показаны). Команда на подключение отдельных конденсаторов из набора в положение "рабочее, " к блоху компенсации" и "не задействован поступают от цифрового автомата 8 по каналу 1 0 в блок управления переключателями. По таким же ханалам передаются команды в остальные устройства переменной емкости, подключенные к другим узлам КС-сетки (на чертеже не показаны).

Во время вычислений непрерывно изменяется чапряжение U между рабочими точками, на рабочих конденсаторах и на выходе блока компенсации. Величина заряда на рабочей емхости изменяется пропорционально рабочему напряжению, поэтому тох из рабочей цепи через емкость пропорционален суммарной емкости рабочих конденсаторов, т. е. тех, которые в данный момент времени подключены х рабочей цепи. Такое же напряжение U = U, должно вырабатываться на выходе блока компенсации, поэтому те из резервных конденсаторов, которые в данный момент подключены к этому блоху, также заряжены до напряжения U . Электрический тох через эти конденсаторы (при изменениях U во времени) проходит только в выходной цепи блока компенсации. За короткое время переключения какого-либо хонденсатора из положения "к блоку компенсации" в положение "рабочее" напряжения в рабочей цепи и на конденсаторе заметно измениться не успевает, чем и обеспечивается равенство напряжений в рабочей цепи и на подключаемом х ней хонденсаторе, необходимое для предотврашения скачка напряжения в момент подключения. Отключение какого-либо хонденсатора от рабочей цепи

527716 происходит, как указывалось, беэ скачков напряжения.

После переключения конденсатора из положения "не задействован" в положение "к блоку компенсации" может происходить дополнительный заряд или разряд конденсатора до напряжения Q от выходной цепи блока

1 компенсации. Команды на изменение положений переключателей 3 поступают от блока управления. 10

Компенсация небаланса напряжений на рабочих и резервных конденсаторах может осуществляться в разных режимах. Проше всего осуществляется режим, когде все конденсаторы все время подключены к блоку компенсации, Более сложен режим, когда, например, хонденсаторы подключаются к блоку компенсации только на некоторый промежуток времени перед подачей команды на переключение рабочей емкости. При таком режиме один блох хомпенсации может быть использован последовательно при управлении несколькими емкостями.

Согласно изложенному, блок компенсации должен поддерживать, по возможности более 5 точно, равенство напряжений 0 в рабочей цепи и U на конденсаторах (конденсаторе), подлежаших подключению к рабочей цепи.

Следовательно, электронный блок компенсации выполняет функцию следящей системы; на его вход поступает напряжение U, которое является также напряжением на рабочей емкости, а с выхода отводится напряжение У», по возможности равное величине Ц . 35

Электрические характеристики блоха компенсации должны удовлетворять ряду требований.

Погрешность слежения, (т. е. отличие U от U / должна быть малой, что зависит от 40

4 совершенства электрической схемы блоха.

В простейшем случае это может быть повторитель напряжения, В более сложной схеме могут быть использованы, например, узлы сравнения, узлы усиления и согласования 45 разностных сигналов, выходные узлы в виде управляемых источников напряжения.

Входные цепи блока компенсации должны иметь высокое входное сопротивление, чтобы не создавать заметных токов утечки 50 иэ рабочей цепи, поскольку увеличение токов утечки снижает точность работы вычислительной системы. Входное сопротивление блока хомпенсации должно быть намного больше эквивалентного сопротивления рабо- 55 чей цепи между точками подключения блоха компенсации.

На точность работы вычислительной системы влияет также величина входной емкости блоха компенсации. Обычно эта величина 60 на несколько порядков меньше, чем величина рабочей емкости, поэтому наличие входной емкости практически не ограничивает воэможностей использования блока компенсации.

Выходное сопротивление блока компенсации должно быть достаточно малым. Выходная цепь блока компенсации с подключеннь ми к ней резервными конденсаторами характеризуется постоянной времени, пропорциональной выходному сопротивлению и емкости этих конденсаторов. При изменениях (в хо-де вычислительного процесса) напряжения в рабочей цепи и на входе блока компенсации небаланс напряжений отрабатывается тем быстрее, чем меньше величина указанной постоянной времени. Следовательно, точность работы вычислительной системы тем выше, чем меньше выходное сопротивпение блока компенсации. Постоянная времени выхода блоха хомпенсации с подклк ченными к нему конденсаторами должна быть столь малой, чтобы на промежуток времени, численно равный величине этой постоянной, напряжение рабочей цепи успевало измениться (в ходе вычислений) на возможно малую относительную величину.

Кроме того, запаздывание при отработке процесса слежения во внутренних цепях блока хомпенсации также должно быть малым по сравнению с рассмотренной постоянной времени, Перечисленные требования х характеристихам блока хомпенсации непротиворечивы и технически осуществимы, поскольку не выходят за пределы требований, хоторым обычно удовлетворяют ламповые и полупроводниковые электронные устройства.

Формула изобретения

Устройство для моделирования переменной емкости, содержащее блох хонденсаторов, блок перехлючателей,первая группа контактов которого подключена х хонденсаторам блока конденсаторов, вторая — к выводу подключения устройства, например, одному из узлов моделирующей RC-сетки, блох управления переключателями, выходы которого соединены с управляющими входами блока переключателей, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью исключения амлитудной ошибки, вызываемой скачкообразным характером заряда емкости конденсаторов, устройство содержит блок компенсации напряжений, выполненный, например, в виде повторителя напряжения, вход которого подключен к выводу подхлючения устройства, а выходк третьей группе входов блока переключателей .

527716

Составитель В. Кудрявцев

Редактор Д. Утехина Техред М. Левицкая Корректор А. Власенко

Заказ 644/29 Тираж 864 Подписное

UHHHHH Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная. 4