ПРОГРАММНО-ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ОПТИМИЗАТОР

Предлагаемая полезная модель относится к автоматике и предназначена для использования в автоматических системах работающих по разомкнутому циклу: в системах управления с повышенными требованиями к пожаро- и взрывобезопасности, вибрационной и радиационной стойкости, суровым климатическим условиям и др. Устройство может найти применение в системах управления химико-технологическими процессами, в теплоэнергетике и в горном деле, в системах пневмотранспорта, для управления мобильными объектами различного назначения, а также в качестве управляющей системы с переменной структурой.
f
f1
fn
Известен, так называемый автором /Алиевым Р.А./, табличный автомат (пневматический оптимизатор), реализующий оптимальную характеристику компенсации, структурная схема которого представлена на рис.1. Автомат состоит из преобразователей признака в код параметров 1 (ППКП), сумматора 2 и запоминающего устройства 3 (ЗУ). Работа автомата заключается в следующем. Значения возмущений f{f1,...,fn} поступают в соответствующие ячейки ППКП, откуда снимаются коды параметров (КП) N{N,...,N}, присвоенные данным значениям возмущения. Эти КП поступают в сумматор, где определяется сумма присвоенных им кодов, т.е.
1
m
Полученное значение σ является адресным ключом, которое из сумматора поступает в ЗУ. Из соответствующей ячейки памяти снимается значение сигналов управлений u {u,...,u}.
f1
Принципиальная схема реализации такого оптимизатора (прототип) для случая трех возмущений представлена на рис.2. Работа схемы заключается в том, что сигнал пневматического датчика возмущений f1-Pпоступает параллельно на трехмембранные элементы сравнения 4-7, на входы которых с помощью задатчиков давлений 8-11 подается давление,
f1вых
f2вых
соответствующее граничным значениям возмущений. С выходов элементов сравнения 4-7 сигналы поступают на входы универсальных реле 12-15, соединенных по схеме блокировки так, что при срабатывании элемента сравнения 4 только выход реле 12 соединяется с общей выходной линией, а реле 13-15 находятся в закрытом состоянии. На реле с помощью переменных 16-19 и постоянных 20-23 сопротивлений подаются соответствующие пневматические сигналы. По выходной линии, объединяющей все выходы реле 12-15, пневматический выходной сигнал P поступает на вход элемента сравнения 24, где суммируется с давлением Р, соответствующего текущему значению f2 (см. рис.2).
f2вых
Аналогично описанному способу формируется давление P.
f1вых
f2вых
f3вых
f1вых
f2выx
f3выx
1опт
2опт
На вход элемента сравнения 25 для суммирования подаются давления (P+P) и Р. На выходе элемента 25 формируется давление (Р+Р+Р), соответствующее сумме кодов признаков σ, которое поступает на вход запоминающего устройства 26. Полученное значение давления соответствует текущему сочетанию частных значений возмущений, и в запоминающем устройстве 26 фиксируются оптимальные значения управления u, u в зависимости от конкретных значений возмущений (рис.2), (см. Алиев Р.А. Принцип инвариантности и его применение для проектирования промышленных систем управления. - М.: Энергоатомиздат, 1985. с.78, рис.42).
Основными недостатками рассмотренного устройства являются:
- отсутствие возможности изменять вид функции на выходе сумматора;
- значительная конструктивная сложность устройства и его элементов;
Таким образом, целью разработки полезной модели является расширение функциональных возможностей и упрощение конструкции пневматического оптимизатора.
Поставленная цель достигается тем, что в схеме программно-перестраиваемого пневматического оптимизатора применяется программная
матрица для пневматических систем управления дискретного действия [1], которая обеспечивает программно-перестраиваемую конфигурацию схемы оптимизатора, а параллельное соединение нескольких ее выходов позволяет реализовать функцию сравнения, аналогичную той, которую обеспечивают универсальные пневмореле, соединенные по схеме блокировки.
Размерность программной матрицы определяется количеством преобразователей в код параметров (ППКП) (см. рис.1), разрядностью кода параметров, а также количеством суммирующих пневмоэлементов.
Сущность предлагаемой модели поясняется чертежами, где на рис.3 а) изображена схема обратного клапана со свободной мембраной, на рис.3 б) - структурная схема устройства сравнения; на рис.4 - предлагаемая модель программно-перестраиваемого пневматического оптимизатора; на рис.5 - элемент принципиальной схемы программно-перестраиваемого оптимизатора.
Детектирующие элементы в пневматических программных матицах могут быть представлены использованием одного из известных пневматических обратных клапанов. Работу пневматических диодов, используемых в конструкции программной пневмоматрицы [1], можно описать на основе обратного клапана со свободной мембраной 27 (рис.3 а)). Движение воздуха в одном направлении обеспечивается в нем наличием канавки 29 в плате. Когда давление Рвых>Рвх, свободная мембрана «перелетает» вниз и разобщает входной канал 28 с выходным каналом 30.
Если выходы нескольких детектирующих элементов (ДЭ) объединить в один выходной канал, то можно получить устройство сравнения для n входных величин. Для n=3 структурная схема устройства сравнения представлена на рис.3 б).
Работа такого устройства описывается уравнением:
При объединении выходов пневматических матриц соединение детектирующих элементов 31 можно реализовать по схеме устройства сравнения (рис.3 б)). Т.е. пневматическая матрица размерностью, например, 3×3 может использоваться как устройство сравнения, описываемое уравнением (1).
1
2
3
Выходное давление Рвых в любой момент времени определится наибольшей величиной (Рмакс) входного давления P, P или Р, за счет перекрывания детектирующими элементами (обратными клапанами) входных каналов с давлением меньшим Рмакс. Т.е. при объединении соответствующим образом выходов программной пневмоматрицы (ПМ) можно получить аналог универсальных реле 12-15 соединенных по схеме блокировки (см. рис.2).
Пневмореле, используемые в схеме прототипа, конструктивно представляют собой трехмембранные элементы сравнения, каждое из которых состоит из 3-ех подвижных мембран, двух клапанов типа «соплозалонка», пружинного элемента и др. Работа пневмореле включенных по схеме блокировки, также обуславливается наличием достаточно сложной системы коммутации каналов, соединяющих их с элементами сравнения 4-7 и между собой (см. рис.2).
Сложность конструкции элементов пневматического оптимизатора является сдерживающим фактором на пути увеличения разрядности ППКП (см. рис.1, 2) при сохранении требуемого уровня надежности прототипа.
Детектирующий элемент матрицы, состоящий из входного и выходного каналов, и одной мембраны, имеет значительно более простую конструкцию, чем универсальное пневмореле в прототипе. В тоже время, благодаря описанной выше структурной схеме прохождения пневматических выходных связей, каждый детектирующий элемент программной пневмоматрицы функционально является аналогом сложного пневмореле, включенного по схеме блокировки.
Схема пневматического оптимизатора, построенного с использованием программной пневмоматрицы 32, приведена на рис.4.
Анализ схемных решений показывает, что пневматический оптимизатор, построенный с использованием программной пневмоматрицы, значительно упрощает существующую схему (см. рис.2) за счет замены универсальных реле пневматической матрицей и ликвидации дополнительных элементов регулирования давления (постоянных 17-20 и переменных 13-16 сопротивлений (см. рис.2)).
вых
f1вых
f2вых
f3вых
Рассмотрим расширение функциональных возможностей схемы пневматического оптимизатора. Пневматическая матрица позволяет соединить любую строку (вход) матрицы с любым столбцом (выходом). Таким образом, если все входы элемента сравнения 33 подключить к выходам ПМ, а выход элемента сравнения подать на вход ПМ (рис.5), то выходная функция F будет зависеть от заложенной программы обработки входных пневматических сигналов P, P, P. В такой схеме ПМ играет роль программно-перестраиваемого блока.
вых
вых
Глухие камеры элементов сравнения (В, Д), при увеличении давления в которых выходное давление F элемента сравнения 33 увеличивается, назовем положительными. Камеру Г будем считать отрицательной, т.к. увеличение давления в ней приводит к уменьшению давления F (см. рис.5).
Перечень операций и соответствующие схемы функциональной перестройки элементов сравнения для одного элемента сравнения 33 (см. рис.5), приведены в табличной форме на рис.6.
Подключив аналогичным образом к программной матрице элемент сравнения 34 (см. рис.5), можно дополнительно увеличить количество операций выполняемых над выходными функциями ППКП (рис.1).
Использование программных пневмоматриц [1] позволит конфигурировать схему для получения функции заданного вида на выходах
элементов сравнения. При этом в основе реконфигурации схемы лежит свойство программируемости пневматического оптимизатора.
Предлагаемое устройство имеет по сравнению с известными в данной области техники решениями следующие конструктивные отличительные признаки:
- использование в схеме пневматического оптимизатора пневматической программной матрицы;
- коммутация выходов программной пневмоматрицы, позволяющее реализовать функцию сравнения, аналогичную той, которую обеспечивают универсальные пневмореле, соединенные по схеме блокировки;
- использование детектирующего элемента пневмоматрицы в качестве элемента сравнения.
Совокупность вышеуказанных отличительных признаков, новые элементы и связи, обеспечивают наличие признаков новизны с одновременным расширением функциональных возможностей и упрощением конструкции пневматического оптимизатора.
Список литературы
1. Патент №6217 на пол. мод. РФ. Программная матрица для пневматических систем управления дискретного действия. / Ю.Ф.Мухопад, А.Ф.Бовкун, А.З.Комков. - Опубл. в бюл. №12. - 27.04.2007.
2. Алиев Р.А. Принцип инвариантности и его применение для проектирования промышленных систем управления. - М.: Энергоатомиздат, 1985. с.78, рис.42.