автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Исследование аэрогидромеханических методов построения струйных логических схем и разработка многотактных устройств

Р Г Б ОД

г 4 АПР 1995

Дудников Дмитрий Александрович

исследование аэропщромеханических методов построения струйных логических схем и разработка многотактных устройств

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Еолгоград 1995

Работа выполнена на кафедре "Гидравлика и гидроприводы" Волгоградского государственного технического, университета.

Научный руководитель Доктор технических наук

• профессор Чаплыгин Э.И.

Официальные оппоненты Доктор технических наук

профессор Шндак В. И. Кандидат, технических наук, доцент Сутин А.И.

Ведущее предприятие

Волжский филиал ВНИИАШ, г.Волжский Волгоградской области

Зэлдата состоится " " < ¿.<.' (I-( 1995 года в ~ час. нз заседании специализированного совета К 063.75.04 по присуждению ученой степени кандидата технических наук Волгоградского государственного технического университета по адресу:

400066, Волгоград, пр.Ленина, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан "(0 ■■ О-^риС'V1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических

совета ^^

наук ^ Быков Ю.М.

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В настоящее время при автоматизации производственных процессов нашли применение стру. .ше управляющие устройств Основными преимуществами .таких устройств являются высекал на дежность их работы, ' особенно в тяжелых условиях эксплуатации, простота и технологичность конструкции. Струйные элементы защищены от взрыва и излучения « малочувствительны к механическим и термическим натру акал.

Струйные системы управления находят применение в нефте-хшической промышленности, машиностроении , при изготовлении и упаковке твердых и жидких взрывчатых веществ, радиоактивных веществ, для контроля ядерньс-: реакторов, управления и контроля газовыми турбинами, например в самолетах и ракетных двигателях, для управления и контроля технологическими процессами, а такие в медицинской аппаратуре.

Современные требования к автоматизации производственных процессов связаны с повышением быстродействия систем управления (СУ), что сложно реализовать бег совершенствования элементной базы.

Нз основании анализа и теоретического обобщения работ, посвященных разработке СУ'установлено, что для их реализации _используются два метода:

1. Математические методы синтеза логических устройств,

2.Методы реализации устройств, исполгэуищие различные азрогвдродкнамическй* эффекты и позволяющие получить заданные алгоритмы работы проектируемоего устройства.

Существующие математические методы синтеза струйных СУ, шея ряд несомненных преимуществ, не обеспечивают получение СУ, удовлетворяющих требованиям, с точки зрения быстродействия и габаритных размеров.

В то же время азрогидромеханические методы построения струйных систем программного управления технологическим оборудованием, приведенные в работах Уоррена и др.. позволили по- . лучить устройства, которые имеют значительно больвэе быстродействие, экономичность и малые габаритные размеры по сравнена с устройствами, реализованными на основе методов синтеза схем.

Вместе с тем отсутствие теоретических и экспериментальных исследований, посвященных рабочему процессу аэрогвдроди-наыических устройств ке позволяет на сегодняшний день создать высоконадежные и быстродействующие струйные устройства.

Таким образом, задача разработки и создания аэрогидромеханических струйных СУ является актуальной.

Дедь работы.

Повышение эффективности струйных систем програмного управления технологическим оборудованием, посредством применения в их конструкции быстродействующи многотактных логических устройств, построенных с использованием аэрогидромэха-яическах методов построения.

Методы исследован1Ш.

При теоретическом и экспериментальном исследовании характеристик логических устройств использованы законы аэрогидродинамики, теории конечных автоматоЕ и автоматического регулирования.

Научная новизна.

Научная новизна работы заключается в разработке физической модели рабочего процесса последовательности^* зэрогид-родинамических логических устройств струйных СУ , которая позволила установить взаимосвязь азрогидромеханических и reo- . метрических параметров рабочего процесса, протекающего , как в отдельных элементах, так и в устройствах в целом, с параметрами их внешних статических и динамических характеристик.

Практическая ценность.

На основании теоретического и экспериментального исследований рагработзны быстродействующие а надежные многотактные логические устройства, использование которых в струйных системах программного управления технологическим оборудованием позволяет значительно расширить области их применения.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались- и обсужд&тисъ на научно-технических конференциях ВолГТУ ( г. Еолгоград, 1992 - 1595 г.г.), МАДИ (г.Москва,-1992 г.), 9-й международной конференции по пневматике и гидравлике (г.Дрезден, 1993 г.). Публикации.

Основные материалы ■ диссертации опубликованы в девяти печатных работах и грех патентах о изобретении.

Объем работы.

Диссертационная работа изложена на 108 страницах маши-•нописногс текста, иллюстрируется 42 рисунками, 3 таблицами и состоит из введения, четырех глав, общи выводов, списка использованной литература ив 165 наименований и одного приложения на 22 страницах.

На зашиту выносятся :

• -физическая модель рабочего процесса последователькостных аэрогидродинамических логических устройств струйных СУ , которая позволила установить взаимосвязь аэрогвдромеханичес-ких и геометрических параметров рабочего процесса, протекающего , как в отдельных элементах и в устройствах в целом, с параметрами их внешних статических и динамических характеристик.

-способ управления рабочим процессом аэродинамических струйных логических схем, посредством использования поперечного перепада давлений , возникающего в рабочей камере биста-бильного элемента с внутрекней аэрогвдромеханической обратной связью.

. -результаты теоретических и экспериментальных исследовании рабочего процесса струйного бистабильного элемента.

-принципы построения схем триггеров со счетным входом, имеющих высокое быстродействие и надежность по сравнению с существующими и обеспечивающих существенное повышение быстро-дейсгв!н рзаработанных на их базе многотактных логических устройств.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы .сущность которой состоит в установлении закономерностей построения аэро-гадромеханическиыи 'методами струйных логических устройств и ставится прсблемз повышения эффективности струйных систем программного управления технологическим оборудованием.

В первой главе лриведен ачзлиг современных тенденций развития исследований в области методов построения многотакт-

- 7 - '

ных логических устройств.Обоснована цель и сформулированы задачи исследования.Покззано, что результаты исследований рабочего процесса струйного бистабшьного элемента открывают, дальнейшие возможности для совершенствования устройств, построенных на основе аэрогидродинамических явлений, сопровождающих процесс переключения силовой струи в рабочей камере струйных элементов.

Проведен анализ логической структуры струйных управляющих устройств и на этой основе установлено, что эффективность работы управляющих устройств систем программного управления определяют схемы триггеров, счетчиков и сдвигающих регистров, характеристики которых в наибольшей степени оказывает влияние на работу систем управления. Поэтому повышение эффективности работы систем управления связано с реализацией таких быстродействующих и надежных схем.

Исследование методов реализации управляющих устройств струйной автоматики показало, что наиболее перспективным подходом к построению управляющих устройств является метод реализации, основзяный на использовании аэрогидромеханических эффектов.В литераторе опубликованы работы, посвященные построению логических устройств с использованием азрогпдромехаяи-ческих методов реализации.Так,в работах Уоррена показала принципиальная возможность построения логических схем на этой .основе.В работах Э.И.Чаплыгина и С.Л.Трескунова рассмотрен механизм возникновения эффекта внутренней гидромеханической* обратной связи и исследовача роль отраженного потока в формировании области повышенного давления у стенки элемента. На основе этих работ, авторами были предложены схема счетных триггеров, которые были построены с использованием параметров

гидромеханической обратной связи.Однако в этих работах не было уделено должного внимания взаимосвязи рабочих процессов , происходящее как в ^струйных элементах , входящих в рассматриваемые схемы, гак и в самих логических схемах, с внешними . характеристиками зтих схем, что не позволило разработать быстродействующие и надежные схемы.

В соответствии с результатами анализа и теоретического. обобщения известных работ, для досииенйя поставленной цели, были сформулированы следующие задачи исследования:

1.Провести теоретическое и экспериментальное исследование взаимосвязи параметр т рзбочего проц§сса триггера со счетным входом с характеристиками струйных активных и пассивных элементов, входяют. в схему триггера.

2.Установить влияние аэрогидродинакических параметров рабочего процесса струйных активных и пассивных элементов на параметры внешних статических и динамических характеристик многотактных устройств.

3.На основе результатов теореимеского и экспериментального исследований разработать■азрогвдродинамичеекзш метод построения быстродействующих схем счетных триггеров.

4.Создать аэрогедродинамические многотактные устройства счетчиков к сдвигающих регистроз, превосходящих по быстродействию Существующие аналоги.

Во второй главе проведен анализ рабочего процесса потенциального триггера со счетным входом и на основе анализа полученных результатов исследования разработана физическая модель рабочего процесса триггера со счетным входам, построенного на основе бистабивьньк струйных элементов.В результате установлена взаимосвязь азрогидромеханических параметров par

- в - ;

бочего процесса триггера со счетным ехсдом с геометрическими параметрами бистабильных элементов и их внешними статическими и динамическими характеристиками.

Ка основе проведенного аналига рабочего процесса счетного триггера выявлены основные аэрогидромеханические и геометрические параметры, определяйте работу триггера. К этим параметрам относятся:

1.Поперечный перепад давлений ¿уэ > вогнккзюяяй в рабочей камере активного элемента.

2.Бремя переключения силовой струи ¿"в рабочей камере активного триггера.При атом, переключение силовой струи сопровождается мгновенным изменением направления скоростей и возникновением гвукозого давления в приемных и управляющих канатах триггера.

3.Величина расхода смещения Ос, сформировывающего в рабочей камере активного триггера и поступающего по коммуникационному каналу з рабочую камеру пассивного триггера.

4. Сопротивления канатов управления активного триггера, определяемые их шириной , ёу и длиной ,которые определяют также и порог "срабатывания активного триггера рср.

5.Величина импульса результирующего потека сформировывающегося в рабочей камере пассивного трпггерз.

6.Статические и динамические характеристики активного и .пассивного триггеров.

Кг аналига Ееличин давлений,ру, сформировывающихся в рабочей камере биетабильного струйного элемента (рис.1) получены математические выражения велгсиз давлений, определяющих поперечны:"! перепад давлений (1).

- 10 -/у -

р = 3 -Р(^) ,/>_ / У (Г. у.гЛ'

_/У [Ш^Г // (Г.^

-/I

/•ёп

■л-

где: - давление на срезе канала смещения; Ру - давление на срезе канала управления; /^<4- давление в вектидляциокнм канале; ^ - плотность рабочей среды; У^/ - коэфицпэнт расхода канала управления;

- коэфацнзят расхода вентилляцлоннго канала; У^д/- коэфицнэнт рзсхода канала управления при

направлении потока со стороны рабочей камеры; ^у - ширина канала управления; 6с - ширина канала смещения; ^7/ - ширина канала витания;

(5" - свободная постоянная формулы скоростей Шакхтинга; «5' - криволинейная координата вдоль оси струи; У - поперечная коордшата, показывают расстояние

от оси силовой струи до ее границы в данном сечении;

■

- 12 -

Кг этих выражений следует, что величину поперечного перепада давлений определяют величины сопротивлений каналов управления и характеристики силовой струи.

При анализе механизма переключения силовой струи была принята модель переходного процесса, состоящая из четырех фаз, определяв^« четыре квазистацпонарных состояния силовой струи, отраженного потока и потока, поступающего в приемный канал элемента. Первые три фазы процесса переключения определяют устойчивую стадию развития процесса.В четвертой фазе перемещение силовой стру;: к стенке рабочей камеры вызывает от-рыЕ отраженного потока от конца стенки и оброс его в атмосферу. Однако, учитывая лавинооСразность процесса и сопротивление атмосферного качала, считается, что не весь отраженный поток уходит в атмосферу.Часть его выбрасывается в приемный канал элемента. Следом за ним, лавинообразно, на входе в приемный канал возникает переключенный поток, сформированный силовой струей.

Возникновение отраженного потока у другой стенки рабочей камеры (положительной обратной связи), при поступающем расходе управления, вызывает перераспределение давлении в области входа какала управления в рабочую кзыеру элемента..Этот процесс имеет ярко выраженную релейность и его модно рассматривать как динамический удар в области каната управления, что объясняется мгновенным изменением направления скоростей потоков, распространяющихся в рабочей камере активного триггера, и встречным соударением оСразоЕаваегося отраженного потока и потока управления, поступающего по каналу управления.

- 13 - •

Примыкание переключенной силовой струи к стенке рабочей кзмеры, учитывая инерционность струи, вызовет появление градиента давления'со стороны стенки, что , в итоге, определит возникновение затухагацк колебаний переключенной струи в положении ее статического равновесия и нестационарность величин расхода и давления потока , поступающего в приемный канал.

Окончательно,все эти процессы вызовут в приемном канале элемента появление акустической продольной волны и головной волны азрогидродинамического давления, распространяющихся далее. Первой будет распространяться акустическая волна.Ее распространение происходит со скоростью звука и не зависит от сопротивления и емкости коммуникационного канала.Вслед за ней, отставая на различны): сопротивлениях, но со скоростью згука на прямых участках, будет распространяться фронт волны гидродинамического давления. Непосредственно за этим фронтом будет следовать оскоеной нестационарный поток с расходом, определяемым расходом силовой струи в приемном канале струйного элемента.

Динамический 'удар . в области качала управления Еызоьет аначогшный процесс в канале управления.

Таким образом, предложенная модель переключения объясняет механизмы возникновения аэродинамических эффектов в приемных и управлявши каналах элемента.

В силу сложиваихся конструктивных решений рабочей камеры струйного элемента, пришедшая по каналу управления акустическая продольная волна будет воздействовать на корневую часть силовой струн последующего элемента, что, согласно работам H.H.Иванова и A.A.Гаунсенда, вызывзет некоторую ламина-

ризацию струи и.затягивает наступление развитого турбулентного релима.Эго значительно уменьшает действие эффекта Коанда между струей и стенкой рзбочей камеры.Поэтому возникают колебания струи сигнала счетного входа в рабочей камере пассивного триггера, что вызывает сбои в рабочем процессе схемы триггера со счетным входом.

рассмотрение схемы соударения струй в пассивном триггере (рис.2) дало возможность получить выражения для импульса результирующей струи (2) и его угла отклонения (3):

'= X Л Ра ' ¿3.

< &ра ■а

\

где

"^пр - импульс результирующего потока,

импульс потока сигнала, поступающего в райочую камеру по приемному каналу, Ос. " импульс потока, поступающей в рабочую

(2)

(3)

камеру по каналу питания, 'а - перепад давлений между давлением в

циркуляционной зоне и атмосферным давлением, О- - расстояние от оси канала питания до' среза

- 16 -канала управления, 1Ъ - расстояние от срега канала питания до точки

соударения струй, 0 - угол между направлениями поступающих потокое, ^ - угол между направлением результирующего потока л плоскостью срегз канала питания,

В последней части второй главы приводится . методика и регульгаты экспериментальной проверки проведенного анализа' рабочего процесса бистзбильного элемента.

Экопериментадьн. "слученные гавиоззмоотк влияния геометрических параметров на Белг-,'ину расхода по каналу управления подтверждают предположение о влиянии сопротивления каналоЕ управления на величину поперечного перепада давлений.

Регульгаты исследования изменения давления в приемном и управляющем канала?: глементз, при его переключения, приведены на представленных ь диссертации осциллограммах и графиках.Эти результаты подтвердил:: принятую модель рабочего процесса триггера.

Проведенное исследование позволило установить оптимальные геометрические параметры рабочих камер элементов "и гздромеханическле параметры сигналов.

Б третьей главе дается описание конструкций и принципа работы схем триггеров со счетным входом, построенных с учетом результатов теоретических в экспериментальных исследований диссертации.

Схема счетного триггера С12Э построена на принципах, предложенных Уорреном (рнс.З). Принципиальное ее отличие от схемы Уоррена состоит в том, что в качестве управляющего яе-

репада давлений, определяющего работу схемы, используется разность давлений между давление«, создаваемым внутренней гидромеханической отрицательной обратной связью активного тригера, и давлением разрежения, создаваемом циркуляционной зоной этого же триггера. Полученный таким образом перепад давлении имеет более высок!'® стабильность, чем перепад давлений в схеме Уоррена, и, поэтому, обеспечивается более надежная работа первого каскада схемы.

Экспериментальное исследование схемы позволило устано- -вить, что различные по уровням давления сигналы, поступайте на счетный вход схемы, не всегда выше заданного давления срабатывания активного триггера.Особенно это проявлялось при.высоких частотах работы схемы.Б результате наблюдались пропуски сигналов управления. Усгрзнить данный недостаток' схемы было невозможно.

Для устранения недостатков первой схемы была предложена схема счетного триггера СИЗ (рис.4), имеющая усилитель сигналов первого каскада. Б згой схеме, поступающие на счетный вход сигналы.управления, имеющие разные уровни давлений, усиливаются до величины язвления срабатывания активного триггера. Поэтому на всех частотах работы пропусков сигналов в схеме не наблздалось.

При экспериментальном исследовании схемы подтвердилось предположение о влиянии акустического эффекта на рабочий про- ' цесс струйного элемента. Соединением коммуникационного канала с атмосферой, влияние данного аэродинамического эффекта было устранено.

Результатом исследований третьей главы явилось создание надежной и быстродействующей схемы счетного триггера, обеспе-

■и

щ Ш

S*

I

о

Í:

Р

К н—

Ш

$ «

а

Ба ш

Й

п

Ю

с

Й

а

63

п

I- tWOKTO

ET Ж

«О

ü

QÏ

m

сз Ci Ci Vé M

M Ci Vi 4t

м •vi VJ

II 41

'S <M >0 Ч- Ч> К

<5 'VJ

«о" »

I:

i

it?

3

1

tw

4

Kl

W ■kl VJ

'S4

Г t.

t

liJ

й

ЕЗ Ш

^ т-ем

в?

Iq

« 3

з

Е-

§ §

чиващей пропускание частоты сигналов на счетном входе в 1000 герц.Это в 2-3 раза выше, чем у известных схем счетных триггеров. Поэтому применение этой схемы в струйных системах программного управления технологическим оборудованием позволит значительно расширить области их применения.

В четвертой главе дается описание конструкций и принципа работы многотактных устройств, созданных на базе разработанной схемы счетного триггера.

В соответствии с исследованиями, проведенными в первой глазе, бьаи разработаны схема вычитаниего счетчика с установкой числа (рис. 5) и схемы сдвигаю ос. регистров (рис.6 и 7). Именно эти схемы определяют работу я быстродействие различных типов систем числового программного управления, систем управления рабочими органами станков-автоматов, различных адресных схем, схем индикации и других.

Экспериментальное исследование полученных схем позволило установить, что схема сдвигающего регистра (рис.6) имеет быстродействие г 100 герц, что а 2-3 раза выше быстродействия известных схем сдвигавдих регистров.Схема вычитающего счетчика (рис.5) обеспечЯвает максимальную частоту работы в 125 герц, что значительно превосходит быстродействие известных логических счетных схем.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Произведен анализ эффективности работы струйных управляющих устройств.На основе анализа установлено, что эффективность управляю®« устройств, в основном, определяется характеристиками основного структурного элемента этих устройств

- схемы триггера со счетный входом.

2.Наиболее перспективным подходом к построению упрагля-■иццх устройству целях повышения и" быстродействия, является метод их реализаций, основанный на использовании азрогидроме-ханических-эффектов.

3.Разработана физическая модель рабочего процесса бис-табильныу. струйных элементов последовательностнь!>: аэрогидродинамических логических схем и установлена взаимосвязь параметров рабочего процесса и геометрических параметров элементов и устройств с внешними статическими и динамическими характеристиками последи ^ельностных струйных логических схем, что обеспечило разработку агрогпдродинамической схемы триггера со счетным входом и быстрод-:лстЕующих многотактных устройств.

4. Модель механизма переключений с-1лоьой струи, состоящая кг четырех фаг, позволила установить закономерности возникновения и влияния аэродинамических эффектов в приемки?: и управляющее каналах бистаблльного элемента.

5.При переключении силовой струи в рабочей камере активного бистабильного элемента, и происходящем при этом мгновенном изменении направления скоростей, возникает акустическая волна которая влияет на рабочий процесс пассивного бистабильного элемента и вызывает его ложные переключения, что приводит к сбоям в работе- схемы триггера.

6.Установлено, что величину поперечного перепада давлений определяют величины сопротивлений каналов управления и характеристики силовой струи на срезе канала питания.

основное содержание • диссертации опубликовано в следую- .

щя работах:

1.Комплекс струйных элементов "Волга" /Э.И.Чаплыгин, Д.А.Дудников, А.В.Воробьев, Ю.Г.Бурков/ 9л Международная конференция по пневматике и гидравлике, Дрезден, 1993.'

2.Устройство поэтапного ввода программ цикловых управляющих устройств /Чаплыгин Э.И., Дудников Д.А./-"Приборы и системы управления",//?7, 1994. ' •

3.Влияние акустического эффекта на работу схемы аэро-гидродияампеского счетного триггера/Чаплыгин Э.И., Дудников Д.А./-"Приборы и системы управления", л/» 4, 1995.

4.Аэродинамические счетные триггеры / Д.А.Дудников/ деп. в ПНКИТсИприборостроенкя ДР 5107-ар93, опубликовано в библиограф, указателе ЕШ'ТЛ "Депонированные научные работы" , 1933,4'. 8.

5.Устройство систем циклового программного управления /Д.А.Дудкккоа/ деп. в ЦШ01Тс]'.приборостроения ДР 5105-прЭЗ ,-опубликовано б библиограф, указателе ВИНИТИ "Депонированные научные работы" , 1933,«А 8.

6.Управляющий перепад давлений иедду входами бистабиль-ного элемента /Чаплыгин Э.И., Д.А.Дудников/ деп. в ДНИИТЭИп-риСоростроения ДР 5157-пр34 , опубликовано в библиограф, указателе ВИНИТИ "Депонированные научные рзботы" , 1994,V?. 7.

7.Устойчивость сплсаой струи в рабочей камере бистз-бильного элемента /' Д.А.Дудников/ деп. в ДНИИТЭйприборострое-кия ДР 5153-пр94 , опубликовано в библиогрзф. указателе ВИНИТИ "Депонированные научные работы" , 1994,М 7.

3.Механизм переключения силовой струи в бистабильном струйном элементе /Чаплыгш Э.И,, Д.А.Дудников/ деп. в ЦНШ-ТЗИпркборостроения ДР 5159~пр94 , опубликовано в библиограф.

- 22

« ,

указателе ВИНИТИ "Депонировачные научные работы" , 1994, 7.

9.Акустический эффект в работе струйной логической схемы / Д.А.ДуднккоЕ/_деп. в ЦНШсИлрибороотроенкя ^Р 5160- пр94 , опубликовано в библиограф, указателе ВИНИТИ "Депонированные научные работы" , 1934,/?.

/ о

10.Патент об изобретении //'2052225 ка. (3 06. Г 1/02

от 30.10.94, Струйный триггер / Чаплыгин Э.И., Дудников Д.А., Бел. л; 20.

11.Патент об изобретении 2020543 кл. В.06 С 1/10

от 20.03.84 .Струйный -оиггер со счетным входим/Чаплыгин Э.И. , Дудников Д.А., Телица С.Г., Бюл./-18.

12.Решение о выдаче патента на изобретение (от' 29.09.94) по заявке &£-041134/24 от 12.08.ЗЗг, Способ управления ра.очш процессом схемы аэродинамического струйного триггера со счетным входом / Чаплыгин 3-Я., Дудниксе Д.А.