Исследование переходных процессов при режимах переключения в элементах пневмоники
|
ВВЕДЕНИЕ 6
1. ПАТЕНТНЫЙ ОБЗОР 9
1.1 Патентный обзор изобретений на основе пневмоники 9
1.2 Цель работы 18
2. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА И ХАРАКТЕРИСТИК
ЛОГИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ И УЗЛОВ СТРУЙНЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ 20
2.1. Рабочий процесс в пневматических цепях 20
2.2. Переходные процессы в пневматических цепях 22
2.2.1. Общие положения 22
2.2.2. Аналогия пневматических и электрических процессов и
параметров 24
2.2.3. Переходные процессы в струйных RC цепях 25
2.2.4. Переходный процесс при воздействии на RC-цепь импульсного
сигнала 31
2.3. Экспериментально-статистическое исследование струйных
дискретных элементов 32
2.4. Экспериментальное исследование логических цепей 43
2.4.1. Статические характеристики цепей 43
2.4.2. Быстродействие струйных устройств 47
2.4.3. Время передачи сигнала по логической цепи 50
2.5. Выводы по главе 52
3. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ
МАТРИЧНЫХ ПНЕВМОСТРУКТУР В ПНЕВМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ 54
3.1 Управляющая аппаратура регулирования давления 54
3.2 Применение матричных пневмоструктур в робототехнических
комплексах 62
3.3 Численный расчет 70
3.4 Выводы 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 76
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 77
ПРИЛОЖЕНИЕ 81
1. ПАТЕНТНЫЙ ОБЗОР 9
1.1 Патентный обзор изобретений на основе пневмоники 9
1.2 Цель работы 18
2. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА И ХАРАКТЕРИСТИК
ЛОГИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ И УЗЛОВ СТРУЙНЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ 20
2.1. Рабочий процесс в пневматических цепях 20
2.2. Переходные процессы в пневматических цепях 22
2.2.1. Общие положения 22
2.2.2. Аналогия пневматических и электрических процессов и
параметров 24
2.2.3. Переходные процессы в струйных RC цепях 25
2.2.4. Переходный процесс при воздействии на RC-цепь импульсного
сигнала 31
2.3. Экспериментально-статистическое исследование струйных
дискретных элементов 32
2.4. Экспериментальное исследование логических цепей 43
2.4.1. Статические характеристики цепей 43
2.4.2. Быстродействие струйных устройств 47
2.4.3. Время передачи сигнала по логической цепи 50
2.5. Выводы по главе 52
3. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ
МАТРИЧНЫХ ПНЕВМОСТРУКТУР В ПНЕВМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ 54
3.1 Управляющая аппаратура регулирования давления 54
3.2 Применение матричных пневмоструктур в робототехнических
комплексах 62
3.3 Численный расчет 70
3.4 Выводы 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 76
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 77
ПРИЛОЖЕНИЕ 81
Развитие современного промышленного производства невозможно представить без систем автоматического управления различного типа: электрических, гидравлических и пневматических.
Управляющие устройства электрических систем автоматического управления характеризуются наибольшим быстродействием и наименьшими потерями энергии при передаче информации. К числу их недостатков можно отнести чувствительность к длительным перегрузкам, необходимость дополнительных затрат для пожаро- и взрывобезопас- ного исполнения (что увеличивает их стоимость в 2-3 раза), подверженность влиянию электромагнитных и радиационных полей [1,18,53,66,68].
Следует заметить, что если исполнительные механизмы имеют достаточно большую мощность, то быстродействие в электрических системах автоматического управления не превышает быстродействия в аналогичных гидравлических и пневматических [53,91].
Использование в электрических системах автоматического управления в качестве управляющих устройств ЭВМ, в частности микро-ЭВМ и микропроцессоров, позволило решить новые задачи в развитии промышленного производства, особенно благодаря разработке электрогидравлических и электропневматических систем управления [21,36,64].
Гидравлические системы автоматического управления обладают рядом преимуществ (например, нечувствительность к электромагнитным полям). В то же время управляющие устройства этих систем характеризуются меньшим быстродействием, большими размерами, большими потерями энергии при передаче информации, более высокой стоимостью, нежели электрические системы.
Пневматические системы автоматического управления позволяют успешно решать большинство практических задач управления производственными процессами, особенно в машиностроении, химической, металлургической, пищевой и газовой промышленности и медицине, где применение пневматических систем управления наиболее эффективно [8,26,27,28,31,65].
При некоторых эксплуатационных условиях пневматические системы управления становятся единственно возможными [26]. Это относится к управлению процессами в особо взрывоопасных средах, при высоких температурах, высоких уровнях радиации и т.п., когда электронные системы автоматического управления работают недостаточно надежно. Область применения пневматических систем автоматического управления может быть расширена и на менее экстремальные условия эксплуатации там, где электроника может работать, но требует дополнительной защиты [53,743].
Вторым существенным фактором является то, что в современном машиностроении в основном используются пневматические и гидравлические исполнительные механизмы. В этом случае эффект достигается за счет упрощения обслуживания, сокращения вспомогательного времени, времени простоев и увеличения надежности за счет исключения преобразователей рода энергии.
К числу недостатков пневматических систем управления можно отнести сравнительно невысокое быстродействие управляющих устройств с подвижными деталями, обусловленное инерционностью и транспортным запаздыванием в линиях связи при передаче информации.
Современные требования, предъявляемые к пневматическим системам управления технологическим оборудованием, связаны с повышением надежности и быстродействия их управляющих устройств. Значительного увеличения быстродействия можно достичь, если реализацию управляющих устройств осуществлять на базе элементов струйной техники. Струйные элементы просты по конструкции, имеют практически неограниченный срок службы, обладают малыми габаритами, и низкой стоимостью [53,67].
Одним из перспективных направлений использования элементов струйной автоматики следует считать их применение в робото-технических комплексах и локальных системах гибкого автоматизированного производства.
Вместе с тем, внедрение систем автоматического управления, построенных на базе элементов струйной автоматики, сдерживается отсутствием работ, посвященных исследованию зависимости быстродействия и надежности управляющих устройств от параметров статических и динамических характеристик переходных процессов, протекающих в логических и цифровых цепях управляющих устройств.
Современные методы анализа и синтеза струйных систем автоматического управления не отличаются от применяемых при проектировании электронных систем. Однако, на практике использование известных методов синтеза без учета специфики работы струйных дискретных элементов, логических и цифровых цепей в управляющих устройствах ограничивает рабочую частоту проектируемых устройств. Так, для устройств, построенных на базе струйных элементов серии "ВОЛГА", надежность при работе на частотах более 50 Гц существенно снижается из-за появления сбоев [27,763].
Увеличению диапазона рабочих частот препятствует то обстоятельство, что не исследованы переходные процессы в комбинационных и цифровых устройствах с учетом взаимосвязи характеристик струйных логических элементов и линий связи, транспортного запаздывания и других факторов.
Изложенное определило, что исследование закономерностей совместной работы активных и пассивных элементов и разработка на этой основе метода построения логических и цифровых устройств, применение которых повысит эффективность струйных управляющих устройств, является актуальным. Под эффективностью струйных управляющих устройств понимается способность этих устройств обеспечивать работу систем автоматического управления без сбоев в рабочем диапазоне частот.
Управляющие устройства электрических систем автоматического управления характеризуются наибольшим быстродействием и наименьшими потерями энергии при передаче информации. К числу их недостатков можно отнести чувствительность к длительным перегрузкам, необходимость дополнительных затрат для пожаро- и взрывобезопас- ного исполнения (что увеличивает их стоимость в 2-3 раза), подверженность влиянию электромагнитных и радиационных полей [1,18,53,66,68].
Следует заметить, что если исполнительные механизмы имеют достаточно большую мощность, то быстродействие в электрических системах автоматического управления не превышает быстродействия в аналогичных гидравлических и пневматических [53,91].
Использование в электрических системах автоматического управления в качестве управляющих устройств ЭВМ, в частности микро-ЭВМ и микропроцессоров, позволило решить новые задачи в развитии промышленного производства, особенно благодаря разработке электрогидравлических и электропневматических систем управления [21,36,64].
Гидравлические системы автоматического управления обладают рядом преимуществ (например, нечувствительность к электромагнитным полям). В то же время управляющие устройства этих систем характеризуются меньшим быстродействием, большими размерами, большими потерями энергии при передаче информации, более высокой стоимостью, нежели электрические системы.
Пневматические системы автоматического управления позволяют успешно решать большинство практических задач управления производственными процессами, особенно в машиностроении, химической, металлургической, пищевой и газовой промышленности и медицине, где применение пневматических систем управления наиболее эффективно [8,26,27,28,31,65].
При некоторых эксплуатационных условиях пневматические системы управления становятся единственно возможными [26]. Это относится к управлению процессами в особо взрывоопасных средах, при высоких температурах, высоких уровнях радиации и т.п., когда электронные системы автоматического управления работают недостаточно надежно. Область применения пневматических систем автоматического управления может быть расширена и на менее экстремальные условия эксплуатации там, где электроника может работать, но требует дополнительной защиты [53,743].
Вторым существенным фактором является то, что в современном машиностроении в основном используются пневматические и гидравлические исполнительные механизмы. В этом случае эффект достигается за счет упрощения обслуживания, сокращения вспомогательного времени, времени простоев и увеличения надежности за счет исключения преобразователей рода энергии.
К числу недостатков пневматических систем управления можно отнести сравнительно невысокое быстродействие управляющих устройств с подвижными деталями, обусловленное инерционностью и транспортным запаздыванием в линиях связи при передаче информации.
Современные требования, предъявляемые к пневматическим системам управления технологическим оборудованием, связаны с повышением надежности и быстродействия их управляющих устройств. Значительного увеличения быстродействия можно достичь, если реализацию управляющих устройств осуществлять на базе элементов струйной техники. Струйные элементы просты по конструкции, имеют практически неограниченный срок службы, обладают малыми габаритами, и низкой стоимостью [53,67].
Одним из перспективных направлений использования элементов струйной автоматики следует считать их применение в робото-технических комплексах и локальных системах гибкого автоматизированного производства.
Вместе с тем, внедрение систем автоматического управления, построенных на базе элементов струйной автоматики, сдерживается отсутствием работ, посвященных исследованию зависимости быстродействия и надежности управляющих устройств от параметров статических и динамических характеристик переходных процессов, протекающих в логических и цифровых цепях управляющих устройств.
Современные методы анализа и синтеза струйных систем автоматического управления не отличаются от применяемых при проектировании электронных систем. Однако, на практике использование известных методов синтеза без учета специфики работы струйных дискретных элементов, логических и цифровых цепей в управляющих устройствах ограничивает рабочую частоту проектируемых устройств. Так, для устройств, построенных на базе струйных элементов серии "ВОЛГА", надежность при работе на частотах более 50 Гц существенно снижается из-за появления сбоев [27,763].
Увеличению диапазона рабочих частот препятствует то обстоятельство, что не исследованы переходные процессы в комбинационных и цифровых устройствах с учетом взаимосвязи характеристик струйных логических элементов и линий связи, транспортного запаздывания и других факторов.
Изложенное определило, что исследование закономерностей совместной работы активных и пассивных элементов и разработка на этой основе метода построения логических и цифровых устройств, применение которых повысит эффективность струйных управляющих устройств, является актуальным. Под эффективностью струйных управляющих устройств понимается способность этих устройств обеспечивать работу систем автоматического управления без сбоев в рабочем диапазоне частот.
1. На основании проведенных теоретического и экспериментального исследований установлено, что эффективность работы струйных управляющих устройств систем автоматического управления определяется не только параметрами характеристик отдельных элементов, но и параметрами аэродинамических процессов, протекающих при их совместной работе.
2. Установлено, что быстродействие струйных управляющих устройств ограничивается возникновением состязаний сигналов. Выявлена природа возникновения состязания сигналов в логических цепях управляющих устройств, сущность которого заключается в различии параметров динамических характеристик параллельно работающих комбинационных и последовательностных участков цепи.
3. Выявлено, что для обеспечения надежной работы управляющего устройства необходимо согласовать параметры статических и динамических характеристик пассивных и активных элементов, входящих в управляющее устройство. Определяющую роль играет соотношение задержек в самих логических элементах и задержек в линиях связи.
4. Получены зависимости постоянной времени пассивных пневма
тических цепей от геометрических и аэродинамических параметров коммутационных каналов: числа Рейнольдса Ре, пневматического
сопротивления Р, пневматической емкости С.
5. Разработаны, экспериментально исследованы типовые струйные управляющие устройства систем автоматического управления, исключающие возможность возникновения состязания сигналов.
6. Показаны пути дальнейшего совершенствования систем управления, основанных на комбинации струйных и электронных элементов, которые в известной мере объединяют достоинства и компенсируют недостатки систем управления, построенных только на струйной и только электронной элементных базах.
2. Установлено, что быстродействие струйных управляющих устройств ограничивается возникновением состязаний сигналов. Выявлена природа возникновения состязания сигналов в логических цепях управляющих устройств, сущность которого заключается в различии параметров динамических характеристик параллельно работающих комбинационных и последовательностных участков цепи.
3. Выявлено, что для обеспечения надежной работы управляющего устройства необходимо согласовать параметры статических и динамических характеристик пассивных и активных элементов, входящих в управляющее устройство. Определяющую роль играет соотношение задержек в самих логических элементах и задержек в линиях связи.
4. Получены зависимости постоянной времени пассивных пневма
тических цепей от геометрических и аэродинамических параметров коммутационных каналов: числа Рейнольдса Ре, пневматического
сопротивления Р, пневматической емкости С.
5. Разработаны, экспериментально исследованы типовые струйные управляющие устройства систем автоматического управления, исключающие возможность возникновения состязания сигналов.
6. Показаны пути дальнейшего совершенствования систем управления, основанных на комбинации струйных и электронных элементов, которые в известной мере объединяют достоинства и компенсируют недостатки систем управления, построенных только на струйной и только электронной элементных базах.