Глава III. ЭЛЕМЕНТЫ СХЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Рис. III.1. Характеристики выход — вход элементов в режиме релейного (а) и ключевого (б) повторителя.
Y и Y1 — значения выходного параметра при отсутствии (Y) и наличии (Y2) входного сигнала Xу; Х1 и Х — значения входного параметра, при которых происходят восходящее (X1) и нисходящее (X2) изменения выходной величины.
Представление двузначной информации с помощью релейных и ключевых устройств
возможностей можно присвоить символические численные значения: состоявшемуся событию — единицу (1), несостоявшемуся — нуль (0). Такая символика в обозначении содержания информации позволяет наглядно описывать различные ситуации, а самое главное, проводить аналитические расчеты и преобразования на основе специального математического аппарата. В соответствии с двузначным характером информации любые устройства, имеющие два дискретно различных состояния, могут быть использованы для ее фиксации. Этим свойством, в частности, обладают различные двухпозиционные электромагнитные, пневматические, акустические (и т. д.) релейные устройства, характеристика выход — вход которых представлена на рис. III.1, а.
Возможна фиксация двузначной информации и с помощью элементов, не обладающих дискретностью зависимости выход — вход, например усилителей. Характеристика последних, как известно, имеет вид монотонно меняющейся кривой с переходом на последнем участке в насыщение. Если подавать на вход таких элементов сигналы, достаточные для доведения их до насыщения, то наличию сигнала (информации) будет отвечать максимальное значение выходной величины, и его отсутствию — минимальное. Здесь важно, чтобы сигнал имел значение выше насыщающего. Такие устройства получили название устройств ключевого * режима (см. рис. III.1, б).
*Устройства ключевого режима, как и реле, требуют наличия определенного входного сигнала, при этом выходная величина может принимать также одно пз двух дискретных состояний в зависимости от характера информации.
Рис. ΙΙΙ.2. Переход в режимы инвертора (а) и триггера (б) при смещении.
В релейных и ключевых устройствах можно смещать характеристику относительно начала координат путем подачи на вход некоторой постоянной величины Хсм той же природы, что и входная. Тогда в зависимости от значения Хсм релейная характеристика по отношению к входному сигналу сдвигается (рис. III.2). Характеристика, показанная на рис. III.1, а, соответствует случаю, когда входному сигналу, превышающему X2, отвечает высокий уровень выходной величины (уровень Υ1 принимается за нулевой). Отсюда, если X = 1, то Υ= 1, а если X = 0, то и Υ= 0. Выходная величина здесь по алгебрологическому значению повторяет входную; такой вид релейного или ключевого устройства называется повторителем. Смещенная характеристика, приведенная на рис. III.2, а, отличается обратным соотношением значений выхода и входа; если Х = 0, то Υ = 1, а если X = 1, то Υ = 0, т. е. выходная величина инвертируется; такой вид релейного устройства называется инвертором.
При смещении на меньшую величину, чем у инвертора, как это показано на рис. ΙΙΙ.2, б, релейное устройство приобретает способность запоминать свое последнее состояние. В самом деле, если был подан положительный сигнал (+Ху >Х2), то выходная величина устанавливается на уровне Y2, а по прекращении входного сигнала рабочий режим определяется точкой М. Таким образом, снятие сигнала не меняет, в отличие от того, как это было в инверторе и повторителе, значения выходного параметра, остающегося на высоком уровне, хотя сигнал прекратился. Иначе говоря, выходная величина запоминается. Аналогично работает описываемый элемент и при отрицательном сигнале (—Ху < —X1), только в этом случае выходная величина будет Y и после снятия сигнала она также сохранится (точка N характеристики). Переход выходной величины от одного состояния к другому осуществляется кратковременными входными импульсами, имеющими знак, противоположный бывшему ранее. Такие релейные устройства получили название триггеров.
Элементы ключевого типа, в отличие от релейных, могут работать только в режимах повторителя или инвертора. Поэтому их можно использовать для фиксации информации, а также для ее преобразования. Запоминание же осуществляется либо триггерными элементами,' либо устройствами, состоящими из нескольких ключевых элементов, объединенных в общей схеме, обладающей свойством запоминания информации.
В обобщенном виде устройство, содержащее только двухпозиционные элементы, рассмотренные выше (повторители, инверторы, триггеры), может быть представлено структурной схемой, независимо от конкретных типов составляющих ее релейных или ключевых элементов. Структурное представление позволяет с достаточной полнотой судить о работоспособности схемы и алгоритме ее действия. Больше того, такая абстракция создает предпосылки для математизации схемных задач, анализа и синтеза схемных решений.
Специфика вопроса определила возможность использовать несколько необычный математический аппарат, известный как алгебра логики, или алгебра Буля (по имени ее создателя). Эта алгебра предусматривает операции с двузначными величинами. Она была разработана для математизации логических заключений или суждений, т. е. для задач формальной логики. В ней на основе логической связи исходных или так называемых простых суждений, являющихся аргументами, создаются отвечающие их совокупности сложные суждения — логические функции. Для формализации и обобщения правил и законов аппарат алгебры логики не входит в смысловое содержание аргументов или функций, ограничиваясь их двузначной оценкой: истинностью или ложностью. Истинному значению присваивается символ 1, а ложному 0. Этими символическими значениями и оперирует математическая логика.
В 30-х годах работами К. Шеннона, В. А. Шестакова, М. А. Гаврилова и других исследователей было показано, что электрические схемы, составленные только из двухпозиционных элементов (повторителей, инверторов, триггеров), по зависимостям подобны комбинациям простых суждений. Если обозначить замкнутую электрическую цепь символом 1, а разомкнутую 0, то она будет полностью подчиняться законам алгебры логики.
Отсюда вытекает возможность использовать аппарат алгебры логики для математической обработки схемных задач. Если идти в этом направлении дальше и полагать, что замкнутое или разомкнутое состояние выходной цепи элемента (повторителя, инвертора или триггера) связано с фиксацией наличия или отсутствия той или иной информации, поступающей на их входы (например, с сигналами о положении или состоянии управляемых объектов), то роль логических аргументов будет играть информация, которую, как указывалось, также можно оценить двузначно (наличию события соответствует 1, а отсутствию — 0). Исходя из этого можно по совокупности информации вычислить с помощью алгебры логики необходимые в данной ситуации воздействия, например определить нужные команды, что создает предпосылки для автоматизации процесса управления.
Таблица ΙΙΙ.1
Элементарные логические функции
Рис. 11.13. Зависимость амплитуд вибросмещения А, виброскорости V и вибро ускорения W от частоты.
Рис. 11.14. Принципиальные схемы реле осевого сдвига.
В — вал турбины; Д — датчик; ФВ — фазочувствительный выпрямитель; Р — сигнальное реле; КД — катушки датчика; ФУ — фазочувствительный усилитель; ВУ — выходное устройство.
В алгебре логики перечисленные элементарные операции имеют разную значимость. Некоторые из них, например «и», «или», запрет, инверсия, являются наиболее употребительными. Операции «штрих Шеффера» и «стрелка Пирса» носят универсальный характер, позволяя выразить почти все остальные логические зависимости. Некоторые операции используются весьма редко (или совсем не используются) в практических задачах. Нужно отметить, что ту или иную логическую функцию можно реализовать, как правило, разными сочетаниями других логических операций, соблюдая только равносильность преобразований, осуществляемых на основе законов алгебры логики (см. § IV.1).
Комплект аппаратуры, выполняющий одну из элементарных логических операций, называют логическим элементом. Естественно стремление к максимальному сокращению разновидностей аппаратуры, т. е. к сокращению номенклатуры элементов, так как это облегчает их проектирование, производство, монтаж и эксплуатацию, но, с другой стороны, неизбежно ведет к увеличению потребного для той или иной установки количества элементов. На практике находят компромиссное решение — выпускают промышленные серии бесконтактных логических элементов, рассчитанные обычно на четыре — семь наиболее употребительных логических операций (хотя имеются серии, в которых разнообразные логические зависимости создаются с помощью только одной универсальной операции, например «стрелки Пирса»).
Как было показано, логические элементы могут быть созданы на основе различных релейных или ключевых устройств, начиная от обычных контактных электромагнитных реле. Более надежными, обладающими большим сроком службы, быстродействием и способностью работать в тяжелых условиях представляются бесконтактные устройства, как магнитные, так и полупроводниковые. Кроме того, получили распространение также и пневматические логические элементы и системы. В нашей стране и за рубежом для построения схем автоматического управления газотурбинными установками используют различные типы релейных и ключевых логических элементов, как контактных, так и бесконтактных. Это объясняется тем, что каждый тип элементов обладает своими отличительными свойствами, причем некоторые из этих свойств дают ряд преимуществ одному типу перед другим. Вместе с тем нет достаточных оснований категорически утверждать, что какой-либо из типов логических элементов существенно лучше или хуже других.
При сравнительном рассмотрении выпускаемых промышленностью серии логических элементов необходимо принимать в расчет, что каждая система управления промышленной установкой, и особенно такой сложной, как газотурбокомпрессорный агрегат, должна содержать: 1) собственно логические элементы, с помощью которых строится логическая связь схемы, обеспечивающая алгоритм управления установкой; 2) элементы, осуществляющие временную задержку сигналов, если этого требует технологический процесс; 3) усилительные элементы, предназначенные для связи логической части системы с исполнительными устройствами и механизмами (выходные усилители); 4) преобразовательные элементы, предназначенные для преобразования непрерывных сигналов в дискретные или, наоборот, дискретных сигналов в непрерывные в зависимости от характера работы отдельных частей системы; 5) источники питания, обеспечивающие нормальную работу системы управления.
При выборе той или иной промышленной серии элементов надо учитывать наличие в ее составе полного набора необходимых устройств, а также возможность или невозможность сочетания их с примененными в данной установке устройствами других систем. Оптимальный вариант аппаратурной базы можно выбрать путем сравнения комплексных схем управления, выполненных на различных типах элементов, по технико-экономическим показателям, к которым в первую очередь относятся: 1) эксплуатационная надежность, 2) простота наладки и эксплуатации, 3) величина капитальных и эксплуатационных затрат, 4) требования, предъявляемые системой элементов к источникам питания, 5) помехоустойчивость и помехозащищенность системы управления.
Однако в связи с тем, что основой схемы управления обычно является ее логическая часть, состоящая почти целиком из логических элементов, то технико-экономические показатели системы в целом определяются главным образом показателями логических элементов. Это допущение подтверждается тем обстоятельством, что в реальных схемах, как правило, используется малое количество элементов времени (задержки,) а усилительные и преобразовательные элементы практически могут быть одними и теми же для большинства серий, они в основном определяются типами датчиков, исполнительными устройствами и механизмами технологического оборудования.
В системах управления компрессорными станциями могут найти применение различные виды логических элементов: релейно-контактные, полупроводниковые, магнитные. Отдельные специалисты отдают предпочтение пневматическим элементам. Рассмотрим основные технические показатели наиболее перспективных видов логических элементов, выпускаемых отечественной промышленностью серийно.
