8. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Пневматические аналоговые и цифровые вычислительные устройства получили применение в системах автоматического регулирования в химической, нефтеперерабатывающей и газовой отраслях промышленности, что объясняется высокой надежностью действия этой аппаратуры в условиях выделения химических продуктов агрессивного действия. В качестве блоков, на основе которых создаются вычислительные устройства, применяются устройства универсальной системы элементов промышленной автоматики (У СЭППА).

Аналоговые вычислительные устройства. Аналоговые вычислительные устройства на элементах УСЭППА выполняют операции алгебраические, интегрирования и дифференцирования. Рассмотрим некоторые из этих операций, пользуясь условными обозначениями, приведенными в табл. VI.6.

Суммирование сигналов осуществляется на сопротивлениях или мембранах 127]. Схемы сумматоров на резисторах на два сигнала (рис. VI. 69,а), а также на мембранах на два сигнала и три сигнала (рис. VI.69, б) являются наиболее употребляемыми. Весовой расход воздуха в схеме, приведенной на рис. VI.70, а,

где V — объем на выходе дросселя; — газовая постоянная; — абсолютная температура.

Расход воздуха на выходе будет

Таблица VI.6 (см. скан) Условные обозначения пневмоэлементов

Рис. VI.69. Схемы суммирования на пневматических устройствах: а — с двумя регулируемыми сопротивлениями; б - на мембранных датчиках

Рис. VI.70. Схемы выполнения операций на двухвходовых усилителях: а — суммирования; С — умножения на постоянный коэффициент; в — интегрирования; г — дифференцирования

При этом через каждый дроссель сумматора с двумя выходами проходят следущие количества воздуха:

где — коэффициенты потерь.

Отсюда

Подставляя выражение (VI.159) в (VI.158), получим

В уравнение (VI. 160) введем следующие обозначения:

тогда получим

Для установившегося процесса из уравнения (VI. 161) получим

т. е. выполняется операция суммирования. Соответствующим выбором параметров и можно обеспечить с точностью до операцию

Если операция суммирования (VI. 163) выполняется на мембранах (рис. VI.69, б), то точность выполнения операций составляет ±0,5%.

Схема суммирования на двухвходовом усилителе показана на рис. VI.70,а. Постоянная времени для сопротивления 0,18 мм и составляет 0,03 с.

Умножение входной величины на постоянный коэффициент выполняется с помощью двухвходового усилителя и дроссельного сумматора (рис. VI .70, б). При коэффициенте усиления, большем единицы, имеем

где постоянный коэффициент.

Точность выполнения операции умножения — не более ±2%.

Интегрирование осуществляется на двухвходовых усилителях, на входе которых включено апериодическое звено (рис. VI.70, в).

Для этой схемы имеем

где — постоянная времени интегрирования; у — коэффициент потерь.

Операция интегрирования по схеме, приведенной на рис. VI.70, в, выполняется с точностью 2—3%. В настоящее время существуют схемы реализации операции интегрирования на пневмоэлементах с более высокой степенью точности (до 0,1%) [27].

Дифференцирование выполняется также с помощью двухвходового усилителя, в отрицательную обратную связь которого включено апериодическое звено (рис. VI.70, г). В этом случае реализуется зависимость

где — коэффициент потерь.

Устранение режима автоколебаний (см. гл. XIV) достигается регулированием о или введением в цепь обратной связи дроссельного сумматора [27].

Используя пневматические функциональные аналоговые преобразователи, можно создать промышленные регуляторы непрерывного действия различных типов: пропорциональные, пропорционально-интегральные, пропорционально-интегрально-дифференциальные и т. п.

Цифровые вычислительные устройства. Логические операции выполняют с помощью пневмореле с пружиной (рис. VI .71, а-в) или пневмореле с подпором (рис. VI.71, г-е). В схемах, показанных на рис. VI.71, а реализуется операция НЕ. С помощью пневмореле (рис. VI.71, б яд) реализуется операция ИЛИ. Операция И выполняется, если используется схема, представленная на рис. VI.70, вне.

Пользуясь условными обозначениями, приведенными в табл. VI.6, и дополнительными условными обозначениями, приведенными в табл. VI.7, составим несколько схем цифровых вычислительных устройств на пневматических элементах.

Двоичный сумматор. Схема разряда двоичного сумматора построена на пневмореле и элементе ИЛИ (рис. VI.72, а). Как видно из рис. VI.72, а, в схеме имеются три входа — и два выхода На входы поступают значения разряда суммируемых чисел, а на вход — число, перенесенное из разряда. Выход характеризует значение разряда в сумматоре, — число, полученное при переносе в разряд. Для уяснения принципа работы схемы приведена таблица (рис. VI.72, б).

Рис. V1.71. Схемы реализации логических операций на пневмореле

Триггер со счетным входом (рис. VI.73, а). В этой схеме, выполненной на трех линиях задержки выходной сигнал определяется величиной если Блок-схема триггеров со счетным входом на трех линиях задержки показана на рис. VI.73, б. В ряде случаев схему рис. VI.73, а можно упростить, если взять две линии задержки и

Ячейка памяти. Дискретный сигнал запоминается на разгруженном пневмоканале и пневмореле, включаемым по схеме повторения (рис. VI.74). Сигнал может запоминаться по единичной (рис. VI.74, а) или нулевой (рис. VI.74, б) синхронизирующей команде. В первой схеме используется замкнутый пневмоконтакт, а во второй — разомкнутый. Пневмокамера состоит из пневмореле и линии, соединяющей ее с пневмоканалом клапана. Сигналом синхронизации является

Цифровые устройства в отношении точности работы существенно отличаются от устройств непрерывного действия. В цифровых устройствах теоретически может быть достигнута любая точность вычислений. Для этого необходимо лишь увеличить число разрядов. Сами же элементы, на которых строятся цифровые устройства, не требуют высокой точности изготовления Таким образом, в отношении точности цифровые вычислительные уст ройства имеют большое преимущество перед устройствами непрерывного действия, где точность элементов непосредственно связана с точностью

Таблица V1.7 (см. скан) Условные обозначения дискретных пневматических элементов

(кликните для просмотра скана)

работы самого устройства. В системах автоматического регулирования применяют различные по точности цифровые устройства. Например, в экстремальных регуляторах цифровые устройства на пневмоэлементах имеют меньшее число разрядов, нежели цифровые сумматоры систем программного управления, выполненные на транзисторных элементах.