Дифференциальный усилитель.

Аналоговые ВУ.

 

Для несложных задач управления могут стать оптимальными простые механические элементы для задания программы работы: упоры, кулачки, рычаги.

Области рационального применения включает

- часть функций при многопараметрическом управлении,

- работу в неблагоприятных условиях,

- аварийное управление, например, в случае прерывания подачи электроэнергии.

 

Кулачок. Примером может служить механический таймер барабанного типа. На часовом валу устанавливают кулачки, которые выступом замыкают контакты реле. Программирование таймера сводится к закреплению кулачков с помощью регулировочных винтов. Скорость вращения вала (аналог тактового генератора) определяет временные параметры. Аналогично работают механические копиры.

 

контакты реле

часовой вал

регулировочный винт

кулачок

Рис. Эскиз механического кулачкового программоносителя.

 

Рис. Управление клапаном и потенциометром с помощью кулачкового механизма.

 

Рычаг, в основном, выполняет функцию масштабирования.

 

 

Рис. Соотношение плеч L2 / L1 рычага изменяет величину перемещения от U доY в K раз.

 

Копир. Для изготовления очень больших или очень маленьких деталей удобно использовать модель, удобных для человека размеров.

Рис. Система управления копировальной установкой с гидравлическим следящим приводом и механической обратной связью: 1 — гидроцилиндр; 2 — гидропривод; 3 — резец; 4 — заготовка; 5 — фасонная часть детали; 6 — пружина; 7— гидрораспределитель; 8 — модель - копир; 9 — щуп.

 

 

С помощью наборной панели производится коммутация электрических и электронных устройств быстро, но вручную с помощью проводов со штекерами.

 

 

Рис. Наборная панель.

 

 

 

Рис. Клеммные матрицы предусматривают установку программируемых логических контроллеров (ПЛК).

 

 

Рис. К-, Н-, Е- конструктивные системы.

 

Для задания команд существуют различные по конструкции программаторы. Например, кулачковый командоаппарат является программатором механического типа с кинематическим заданием программы. Его выполняют в виде барабана 1 с приводом 2 от электродвигателя со встроенным редуктором (рис. 5, б). Барабан периодически поворачивается на определенный угол и фиксируется в заданном положении. На его цилиндрической поверхности, выполняющей роль панели, предусмотрены гнезда 3, в которые устанавливают штекеры (шарики или штифты). Количество гнезд по окружности барабана равно числу этапов программы, а вдоль образующей барабана — числу программируемых параметров. Информация считывается блоком 4 путевых переключателей; при наличии штекера переключатель срабатывает и выдает команду. Конструктивно кулачковый командоаппарат часто выполняют дисковым (рис. 5, б). На торце диска 1, имеющего дискретный привод 2, сделаны гнезда. Информацию считывает блок 3 путевых переключателей. Командоаппарат со сменным алюминиевым диском 3 показан на рис. 4, в. На диске записывают (путем пробивки в определенных местах отверстий 4) требуемую информацию, считывание которой осуществляет фотоэлектрический прибор. Диск можно использовать многократно. Дискретный привод командоаппарата состоит из электромагнита 1 и храпового механизма 2.

Рис. Схемы конструкций командоаппаратов: а — барабанного типа; б — дискового типа; в — со сменным перфорированным диском (1 — электромагнит; 2 — храповый механизм; 3 — диск).

 

Рис. Функциональная схема программируемого командоаппарата: 1 — центральный процессор; 2 — постоянное запоминающее устройство; 3 — входное устройство; 4 — сканатор; 5 — выходное устройство; б — программная панель.

Программируемые командоаппараты (ПК), построенные на базе микроэлектроники, являются универсальными системами ЦПУ. Они представляют собой управляющие логические машины последовательного действия.
Программируемый командоаппарат состоит из центрального процессора (управляющего устройства) 1, постоянного запоминающего устройства 2, входного 3 и выходного 5, устройств сканатора (генератора импульсов) 4 (рис. 6).
Программную панель 6 (загрузчик программ), оснащенную декадными переключателями и клавишами с обозначением логических элементов можно подключать к ПК. Программирование осуществляют последовательным нажатием клавишей. Программа записывается и запоминается в устройстве 2. В режиме работы сканатор 4 поочередно подключает к процессору 1 устройства 3 и 5. В процессоре 7 согласно программе выполняются заданные логические операции, преобразующие состояния входов в состояния выходов.

 

Пневмоника.

 

Для исполнительных и вычислительных устройств используется пневмоника (греч. - дуновение) - струйная пневмо – гидро - автоматика. Она эффективна для реализации несложных устройств (не более нескольких тысяч элементов) в условиях:

- высоких температур,

- значительных перегрузок и ударов,

- интенсивного радиационного воздействия,

- действия внешних электрических и магнитных полей.

Пневмонические элементы используются в системах управления

- мощных роботов, манипуляторов,

- кондиционирования воздуха, вентиляционных сетей устройств создания микроклимата производственных помещений.

Быстродействие уступает электронным устройствам, но выше, чем у обычных пневматических устройств (клапанов, реле и т.п.). Время переключения струйных реле (при сечении канала в доли мм²) - порядка 0.1 мс, верхняя граница диапазона частот - порядка 1 КГц. Надежность - выше, если при замкнутой циркуляции использовать очищенные воздух и жидкости - устройства выдерживают 10.000.000 переключений.

 

Используются эффекты:

- примыкания струи к стенкам,

- соударения 2-х или нескольких струй с образованием 3-ей струи определенного направления,

- турбулизации течения в струе, завихрения основного потока.

 

4 3

1

 

2 5

Рис. Схема струйного элемента реле и элемента памяти.

 

Струя воздуха из сопла 1 под действием давления канала 4 прижимается к нижней стенке и поступает на выход 5. При создании повышенного давления в канале 2 струя поступает на выход 3. Струйный элемент может работать в режиме реле или элемента памяти, если после снятия давления на входе 2 струя остается примкнувшей к стенке. Это реализуется аналогично недостаточно наклоненному чайнику, когда вода стекает по стенке, а не образует вертикальную струю. Для стирания создается давление в канале 4.

 

1 3

 

Рис. Струйный логический элемент НЕ ИЛИ с турбулизацией течения.

 

Если не поданы давления к каналам 2, то струя от входа 1 будет двигаться без перемешивания (ламинарная струя) и создавать давление в канале 3. Если имеется давление хотя бы в одном из каналов 2, то движение частиц в струе становится неупорядоченным, турбулентным. В выходном канале 3 пропадает избыточное давление.

4 3

 

2 6 5

 

Рис. Струйное реле с логическим элементом ИЛИ.

 

Можно создать величины входных давлений в каналах 2 и 6 такими, что для переброса струи будет достаточно подачи давления в один из каналов. Реализуется логический элемент ИЛИ. Поскольку в канале 4 большее сечение, чем у каналов 2 и 6, то при подаче входных сигналов (давлений) по каналам 4 и 2 или 4 и 6, выполняется логическая операция НЕ. Подбор сечений каналов 2 и 6 может реализовать операцию И, если для переброса струи требуется суммарное давление обоих каналов.

 

Исполнительное устройство (поршневой гидропривод руки робота) может быть построено в виде ЦАП.

 

 

l₁

 

 

 

 

l₂

Рис. Схема функционирования “телескопического” гидропривода.

 

Число цилиндров должно быть равно количеству разрядов двоичного числа. Выходным элементом является шток правого гидроцилиндра, нагруженного в процессе работы силой, действующей в направлении стрелки А. Двоичные цифровые сигналы от ВУ. Если это “1”, то через электрогидравлический преобразователь жидкость под давлением поступает по каналу (гибкому шлангу) к соответствующему цилиндру. Поршень в этом цилиндре переходит в крайне правое положение. При “0” соответствующий цилиндр сообщается со сливом, и поршень переходит в крайнее левое положение. При перемещении поршня вместе с ним перемещаются все цилиндры с поршнями, правее его. Максимальное перемещение соответствует коду “1” в каждой позиции.

8-разрядный струйный процессор, построенный на пневматических вентилях, триггерах и сдвиговых регистрах. Максимальная длина отдельных порций данных, с которыми работает устройство, составляет восемь двоичных значений, аналогично процессорам, использовавшимся в 80-х годах в консолях Nintendo. Принцип работы процессора технически довольно прост. За нули и единицы отвечают создающиеся в микро-канале вакуум или давление. То есть вакуум = 0, давление = 1, а продвижение информации регулируется специальными клапанами, управляемыми в свою очередь дополнительными камерами, которые отделены от микро-канала мембраной.

 

Рис. Струйный процессор. University of Michigan. Minsoung Rhee, Mark Burns.

 

Дифференциальный усилитель.

 

Аналоговым ВУ может служить дифференциальный (операционный) усилитель в качестве компаратора - сравнивающего устройства.

Операционный усилитель имеет 2 входа: (11) прямой или неинвертирующий (+),

(10) инвертирующий (-).

R1

8

U_{вх изм} - > ¥ 7 + +U_пит

10 U_вых

+

U_{вх этал} 11 R_п 11

1 _

Рис. Схема компаратора на основе операционного усилителя.

 

Получение разности входных сигналов. Если на прямой вход подать напряжение, то на выходе будет усиленное напряжение того же знака. При подаче напряжения на инвертирующий вход усиленное напряжение будет противоположного знака. Если одинаковое напряжение подать на оба входа, то выходное напряжение станет равным 0. Если с выхода подать напряжение отрицательной обратной связи на инвертирующий вход, то произойдет частичное подавление выходного сигнала.

Программозадатчик. На один из входов подается эталонное напряжение, на другой - измеряющееся. Чем больше различаются входные напряжения, тем больше выходное напряжение. По знаку выходного напряжения можно судить, больше или меньше измеряющееся напряжение. Потенциометр с напряжением от источника питания может служить перестраиваемым эталонным сигналом (программозадатчиком).

 

+U Редуктор

 

R1 K1.1

R6

М1

 

+ DA1

> ¥ K1

 

-

от программозадающего устройства

 

Рис. Дифференциальный усилитель с потенциометром в качестве датчика положения угла поворота ротора двигателя (например, руки робота).

 

Дифференциальные усилители используются

- для определения соответствия напряжению, полученному от датчиков, требуемому по программе (стабилизационное управление),

- в качестве пороговых элементов, запускающих работу устройств при заданном уровне входного сигнала (управление предельного контроля),

- для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму (при превышении порогового уровня входного напряжения на выходе формируется напряжение, соответствующее логической “1”),

- для программного управления. При этом эталонное напряжение U_{вх этал} может подаваться от ЭВМ или формироваться с помощью потенциометра.

- в следящих приводах (к разным входам подключаются эталонное напряжение и потенциометр, движок которого связывается с исполнительным устройством),

- для формирования зоны нечувствительности.

 

 

u_вх

Инвертор Компаратор 1

Формирователь

+ U_пит синхроимпульсов СИ

Компаратор 2

R

Рис. Схема устройства синхронизации.

 

Устройство синхронизации имеет релейную характеристику с регулируемой зоной нечувствительности: U_ком1, U_ком2 (выходные напряжения компараторов при выходе сигнала u_вх за зону нечувствительности 2 Du). Величина зоны нечувствительности устанавливается переменным резистором R. Если величина сигнала u_вх превысит значение D u, то на выходе УС сформируется синхронизирующий импульс положительной полярности амплитудой около 8 В и длительностью 100 мкс.

U_ком

 

U_ком1 U_ком2

 

 

-Du 0 +Du u

 

Рис. Релейная характеристика устройства синхронизации.