Файл: Фудим Е.В. Пневматическая вычислительная техника. Теория устройств и элементов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 223
Скачиваний: 0
Е.В. ФУДИМ
ПНЕВМАТИЧЕСКАЯ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ
ТЕХНИКА
ТЕОРИЯ УСТРОЙСТВ И ЭЛЕМЕНТОВ
/f=}5b ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА» УМ Г Л А В Н А Я РЕДАКЦИЯ
.r-jC ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
М о с к в а 1 9 7 3
6г
6Ф6.5 Ф 94
УДК 62-50
Пневматическая вычислительная техника. Ф у- д и м Е. В. Главная редакция физико-математической литературы, Издательство «Наука», М., 1973, 528 стр.
Монография посвящена широкому кругу проблем пневматической аналоговой и цифро-аналоговой вы числительной техники с непрерывным и дискретным во времени режимами работы устройств.
Излагаются вопросы построения и даются схемы и конкретные реализации элементов и узлов. Описыва ются методы анализа и синтеза устройств. Рассматри ваются типовые структуры, и даны многочисленные схемы устройств для выполнения линейных и нелиней ных операций над различными сигналами и формами их представления. Проведена апалогпя с электриче ством, которая позволила применить электрические обозначения, терминологию, методы расчета цепей и собирать устройства из таких же (по уравнениям) элементов, как электрические. Линейное сопротивление и ряд важных узлов реализуются па основе разработан ного метода прерывистого выполнения вычислений в пневматике.
Табл. 11. Илл. 390. Библ. 199 назв.
© Издательство «Наука», 1973.
Ефрем Владимирович Фудим
П Н Е В М А Т И Ч Е С К АЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ Т Е Х Н И К А (теория устройств и элементов)
М., 1973 г., 528 стр. с илл. Редактор Я . В. Иванов
Техн. редактор Е. Н. Земская Корректор Т. А. Папькова
Сдано в набор 13/VI11-1973 г. Подписано к печати 22.XI-1973 г. Бумага 84x108/32
Физ. печ. л. 16,5. |
Условн. печ. л. 27,72. |
Уч.-изд. |
л. 26,42. |
|
Тираж |
4600 экз. |
Т-16968. |
Цена книги |
2р. 49к. |
Заказ |
Wi 2771. |
|
|
|
Издательство «Наука» Главная редакция физико-математической литературы
117071, Москва, В-71, Ленинский проспект, 15
Москва, Шубинский пер. 10., 2-я типрграфия издательства «Наука»,
,3314—1836 Ф :042 (02)-73 167-73
ПРЕДИСЛОВИЕ
Проникновение в пневмоавтоматику элементного принципа построения и печатного монтажа существенно расширило ее функциональные возможности и сферы применения. Однако этот переворот в технических сред ствах пневмоавтоматики почти не коснулся аналоговой вычислительной техники из-за давнего ее порока — отсутст вия линейных пневматических сопротивлений в стандарт ном диапазоне давлений. Поэтому пневматические вычисли тельные устройства (ВУ) продолжали строить на сложных механических конструкциях, что ограничивало точность и реальный для практических применений объем вычис лений; ряд операций вообще не имел приемлемого тех нического решения.
В поисках выхода из создавшейся ситуации автором был предложен метод прерывистого выполнения вычислений. Этот метод позволил получить пневматическое сопротив ление с линейной характеристикой при любых применя емых диапазонах давлений и с проводимостью, линейно зависящей от частоты дискретного управляющего сигнала, а также другие точные элементы и узлы; он сделал доступными вычисления над различными видами аналоговых и дискретных сигналов без применения преобразователей и обеспечил независимость основных характеристик элементов и устройств, включая точность, от параметров состава газа.
Этим была открыта возможность создания пневмати ческой вычислительной техники, оперирующей с набо ром из нескольких .элементов, которые взаимодействуют без механических связей посредством соединения пнев матическими линиями; техники с регулярными методами анализа и синтеза устройств, в которой наряду с анало говыми устройствами реализуются цифро-аналоговые, наряду с работающими непрерывно во времени — рабо тающие дискретно во времени, наряду с линейными — нелинейные; техники, входными и выходными сигналами
1*
4 |
|
ПРЕДИСЛОВИЕ |
|
|
в которой могут быть давление, расход и количество |
газа, |
|||
количество |
и частота импульсов, |
объем, цифровые |
сиг |
|
налы различных видов энергии. |
|
|
||
Широкому кругу |
проблем этой аналоговой и цифро- |
|||
аналоговой |
техники |
и посвящена |
данная монография. |
Проблематика рассматриваемой техники содержит две самостоятельные части. Первая часть, являющаяся пред метом теории цепей (главы I , I I I , V ) , связана с определе нием набора типовых элементарных операций и метода ми перехода от цепи, собираемой из типовых элементов, к реализуемой операции и обратно. Вторая часть, физикотехническая (главы I I , I V ) , состоит в изучении и выборе физических процессов, предназначенных для выполнения типовых операций иад конкретными физическими величи нами, и в технической реализации этих процессов.
В книге применяется теория электрических цепей, ко торая понимается и трактуется как теория, пригодная для цепей вне зависимости от их физической природы, лишь бы они оперировали с набором элементов, которые описываются уравнениями такого же вида и, что особенно важно, с таким же взаимовлиянием физических перемен ных (параметров), как и в электрических цепях. Это при менение для устройств стандартного диапазона давлений стало возможным благодаря появлению набора элемен тов, удовлетворяющего названным требованиям.
Идентичное взаимовлияние параметров, иными слова ми, наличие пневматических аналогов параметров электри ческих цепей, обеспечивается аналогией процессов в пнев матических и электрических цепях. В обоих типах цепей протекающие процессы представляют собой направленное перемещение частиц — молекул газов в пневматике и электронов проводимости в электричестве. Тела, в кото рых частицы могут иаправленио перемещаться, являются проводниками. Плотность частиц в проводниках является одним из основных параметров таких процессов. В обоих типах цепей поток частиц направлен в сторону их мень шей плотности, вызывает увеличение последней в тех местах, куда он притекает, и равен произведению объем ной плотности частиц, линейной скорости их перемеще ния и сечения проводника; соблюдаются баланс потоков частиц в узле и баланс перепадов их плотностей в замк нутом контуре.
ПРЕДИСЛОВИЙ
Поскольку потенциал и ток электрических цепей опре
деляются соответственно плотностью и потоком частиц, |
|
то пневматические параметры-аналоги также должны ос |
|
новываться на плотности и потоке частиц. Поэтому в |
ка |
честве пневматического потенциала принято давление, |
ко |
торое равно |
произведению объемной плотности молекул |
на наиболее |
вероятную энергию молекулы и вследствие |
этого трактуется как внутренняя энергия единицы объема газа, а в качестве пневматического тока — молекулярный расход, определяемый количеством молекул, протекаю щих в единицу времени через сечение проводника.
Введенная система параметров (§ 1) инвариантна к со ставу газа и лишена недостатков применявшихся ранее систем, при которых во всех или в ряде случаев законо мерности цепей не соблюдаются, линейные процессы опи сываются нелинейными уравнениями, и поэтому невоз можны применение теории линейных цепей и калибровка элементов при их изготовлении. Эта система параметров пневматических цепей отличается от известных опреде лением тока. Необходимо отметить, что молекулярный расход может быть точно измерен обычными пневматиче скими средствами (§ 20) без того, чтобы прибегать к изме рению объемного или весового расхода, а в случае исполь зования широко распространенных измерителей объем ного расхода ои вычисляется проще, чем весовой или при веденный объемный расходы.
Чтобы все положения, формулировки и схемы теории цепей не приходилось переводить на язык пневматики, в монографии используются принятые в теории электри ческих цепей условные обозначения и названия элемен тарных операций, элементов и их параметров. Однако в целях облегчения восприятия текста понятия «ток» и «потенциал», а также некоторые электрические обозначе ния употребляются вперемежку с их пневматическими аналогами; кроме того, подвод сигналов давления часто показывается на схемах одной линией, что соответствует привычному для специалистов по пневмоавтоматике соединению реальных устройств одной линией с приме нением вместо второй линии сообщений с атмосферой.
Физико-техническая часть проблематики, определяе мая газовыми процессами (взаимодействием молекул газа между собой и с другими телами), направлена на создание
•6 ПРЕДИСЛОВИЕ
пневматических элементов, прежде всего линейных. Ре
шение этой задачи |
для диапазона давлений |
0,2 -н |
1,0 кгс/см2 затруднено вследствие значительных |
рабочих |
|
изменений плотности |
молекул. |
|
В отличие от электротехники, которая имеет дело с практически неизменной по плотности средой, в пневма тике диапазона 0,2 1,0 кгс/см2, среда существенно изменяющаяся: относительные изменения плотности элек тронов проводимости и молекул соответственно равны 10~" и 0,667 * ) . По этой причине активные сопротивле ния, конденсаторы и индуктивности в электричестве прак тически линейны, а в пневматике существенно нелинейны, емкость проводников в электричестве ничтожно мала, а в пневматике велика (в 1 см3 частиц больше в 2,5-101 0 раз). Последнее позволяет эффективно использовать в пперматике проводники в качестве заземленных конденсато ров, однако приводит к большим «паразитным» емкостям пневматических линий и камер, обусловливающим значи тельные запаздывания в передаче давлений и тем самым требующим очень больших потоков молекул. При объе мах проводника 1 cms запаздывание в пневматике, боль шее в 0,9-106 раз (отношение скорости света в вакууме к скорости звука в воздухе), достигается при потоке частиц, большем в 0,28-105 раз.
Передача по проводнику сигнала, изменяющегося в пол ном диапазоне, в пневматике со скоростью в 0,9-106 раз меньшей, чем в электричестве, требует скорости направ ленного перемещения частиц в 70 - Ю 6 раз большей (220 и 3- 1 0 - G м/сек), поскольку последняя равна произведению скорости распространения воли (света, звука) иа относи тельное изменение плотности частиц. Это определяет очень большие затраты энергии на передачу сигналов и термодинамические погрешности в пневматике [150, 151].
Скорость v направленного перемещения частиц харак теризует также отклонение среды от установившегося состояния. При очень малой по сравнению с хаотической скоростью частиц величине v среда никогда ие бывает
*) Здесь п ниже приводятся данные для диапазонов давлений 0,2-=-1,0 кес/см2 и напряжений —100-r-lOO в, причем последние рас считаны для сферического проводника объемом 1 см3 в вакууме при одном электроне проводимости у каждого ядра.
ПРЕДИСЛОВИЕ |
7 |
заметно отклоненной от равновесного состояния и во всех режимах могут применяться уравнения установившегося состояния. При скоростях v, соизмеримых с хаотической, среда намного сложнее равновесной и требует специаль ного изучения. Отношение максимальной скорости на правленного перемещения частиц к хаотической состав ляет в пневматике 0,44, в электричестве — 3 X Ю - 9 .
Из изложенного следует, что линейности пневматиче ских элементов и простоты процессов можно достичь при достаточно низком рабочем диапазоне относительно изме нения плотности молекул либо при отказе от примене ния процессов течения газа с целью выполнения линей ных операций и использования существующих линейных соотношений установившегося газа.
В силу известных трудностей первый путь до сих пор не привел к промышленной пневматической технике по стоянных или переменных токов. Рассматриваемая вычис лительная техника использует вторую возможность. Высокая точность и другие преимущества обеспечиваются благодаря методу прерывистого выполнения вычислений,
который |
позволил реализовать |
ряд основных элементов |
и узлов |
посредством решения |
уравнения состояния газа |
с применением подвижных тел только в дискретном ре жиме работы.
Поскольку наиболее употребляемые устройства раз работанной техники серийно выпускаются приборострои тельной промышленностью и используются во многих отраслях народного хозяйства, автор надеется, что книга окажется полезной широкому кругу специалистов.
Е. В. Фудим
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
|
В ф о р м у л а х |
|
||
р |
— абсолютное |
давление |
||
р |
— избыточное |
давление |
||
р° |
— давление, |
отсчитанное |
||
от_уровня ро {ро) |
||||
Poi |
Ро — давление |
уровня |
||
отсчета |
(«нуль», |
«земля») |
||
р,, |
рт,р,-, |
РУ, р,.мп — дискрет |
||
ный сигнал |
|
|
и, Л/?, Д — напряжение, раз
|
ность |
(перепад) |
давлений |
i |
— ток |
(расход) |
газа |
R, |
г — активное |
сопротив |
|
|
ление |
|
|
С |
— емкость |
|
|
L |
— индуктивность |
||
Z — импеданс |
|
||
а |
— проводимость |
||
к |
— постоянная |
Больцмана |
|
0 — абсолютная |
темпера |
||
|
тура |
|
|
t, |
т — время |
|
Т — постоянная времени
/— частота
N |
— количество |
молекул |
||
|
газа, |
количество |
им |
|
|
пульсов |
|
|
|
п |
— количество |
импуль |
||
|
сов, |
плотность |
газа |
|
F, |
G — усилие, вес |
|
||
|
Sj — эффективная |
пло |
||
|
щадь |
|
|
|
М , m — масса
V— объем
v— скорость
с— жесткость
s |
— оператор |
Лапласа |
|
||
Р |
(s) или Р, |
U (s) |
или |
U, |
|
|
I (s) или I , X |
(s) |
или |
X, |
|
|
Z (s) или Z — лапласовы |
||||
|
изображения |
функций, |
|||
|
обозначаемых |
|
соответ |
||
|
ствующими |
|
строчными |
||
|
буквами |
|
|
|
|
I I а р и с у н к а х
мембрана с жестким центром
сообщение с атмосферой или уровнем от счета
-(. сообщение с источником питания
сообщепие с источником стабилизирован ного питания