Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ
ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ

ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: 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.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2006943
Класс(ы) патента: G06G5/00
Номер заявки: 4949205/24
Дата подачи заявки: 24.06.1991
Дата публикации: 30.01.1994
Заявитель(и): Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет им.В.И.Ульянова (Ленина)
Автор(ы): Смолов В.Б.; Угрюмов Е.П.; Сафьянников Н.М.; Сальников В.В.
Патентообладатель(и): Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет им.В.И.Ульянова (Ленина)
Описание изобретения: 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= (PiΔt) или кусочно-линейная аппроксимация
I1= { [(Pi+Pi+1)/2] Δt} площади I, где Рi - 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= [(Pi·Δt)] /(Δt·n)= [Pi] /n , а для второго
= I2/T= [(Pi+Pi+1)/2] Δt)/(Δt·n)= (Pi-Pi+1)/(2n)=
= (P0+2P1+ . . . +2Pi+2Pn-1+2Pn)/(2n).
Значения входного параметра Р запоминаются камерами V0, V1, V2, . . . , Vn-1 по точкам разбиения цикла на интервалы в моменты 0, 1, 2, . . . , n-1, определяемые сигналами p0, p1, p2, . . . , pn-1. В конце цикла по команде pn-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. Запоминается величина на каждом интервале определяется выражением
PiVi/RΘ , где Vi - i-й объем, определяемый камерой;
R - газовая постоянная;
Θ- абсолютная температура. Тогда
[(PiVi)/(RΘ)] = PiV/(RΘ). Таким образом,
P= (PiVi)/Vi , а при соблюдении соотношений
V0 = V1 = V2 = . . . = Vi = . . . = Vn-1 получается Р1 и при
V0 = Vn, V1 = V2 = . . . = Vi = . . . = Vn-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
Рвых = 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
Pдр(t, γ)= где k = 0, 1, 2, . . . , ∞ ;
t - текущее время. Дроссель и емкость образуют обычный низкочастотный фильтр, формирующий на выходе среднее значение давления Рвых = 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 Рпит, вялая мембрана емкости занимает крайнее нижнее положение, и объем рабочей полости емкости минимален. Балластная (паразитная) емкость Vб - 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 РtI= 1 управляющая и рабочая полости пульсирующей емкости отключатся соответственно от источников давления Рпит и сигнала Р2.
Далее поступает команда PtII= 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 РtII управляющая полость пульсирующей емкости отключится от источника Р0, а рабочая - от приемной емкости.
При поступлении команды РtIII = 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 Vб и на прямом входе нуль-органа возрастает до величины Р2. На выходе нуль-органа и в линии "Выход" сформируется единичный сигнал. Продолжительность единичного сигнала tи, 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 tичерез 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 Рвх, а в опорный 7 - Р0.
Пусть в начальный момент времени переключатель 1 разомкнут, а давление в выходном канале 7 Рвых соответствует опорному давлению Р0. При замыкании переключателя 1 под воздействием разности входного Рвх и выходного Рвых 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 Рвх и выходном давлении Рвых определяется в зависимости от относительной длительности управляющего сигнала γ= τ/T следующим образом
G= (Pвх - Рвых) 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:
GV= , 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 = (Рвых - 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 = GV + G или
Pвых1γ+α2)+ = Pвхα1γ+Pоα2. Решение полученного уравнения характеризует выходное давление
Pвых= (Pвхα1γ+Pоα2)/(α1γ+α2)·[1-e(-RΘ/V)(α1γ+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
Pвых= (Pвхα1γ+Pоα2)/(α1γ+α2)= (Pвх-Pо)·(α1γ/(α1γ+α2))+Pо. 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 Рвх, 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 Рвх и давлении в емкости 5 Рv определяется в зависимости от относительной длительности управляющего сигнала γ как
G = (Pвх - Рv) 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 Pv и давлении на инверсном входе разностного усилителя Ру определяется в зависимости от относительной длительности управляющего сигнала равной (1 - γ ) следующим образом
G = (Pv - Py) 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 (Рвх - ) α1 γ T = ( - Py) α2 (1 - γ)T или
= [(Pвхα1-Pуα2)γ+Pуα2] /[(α12)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
= (Pвх - Ру) γ+ Ру. Тогда расход газа в цепи второго дросселя 6 равен G= (Pv-Py2(1-γ)= [(Pвху)γ+Руу] α(1-γ)= (Pвху)(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 = ( - Ру) 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 (Рвх - Ру)( γ - γ 2) α= ( - Ру) α3. (2)
При большом коэффициенте усиления разностного усилителя 10
Ру ≈Р0
Тогда, решив уравнение (2) относительно , получим
= [(Pвх-Pо)γ(γ-1)α] /α3+Pо (3) Если перенести начало отсчета длительности периодически повторяющихся прямоугольных импульсов в середину диапазона их изменения (т. е. в точку τ= T/2) и обозначить γI= γ- 0,5, то получим
= [(Pвх-Pо)(γʹ2-0.25)α] /α3+Pо (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.
Формула изобретения: 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.