автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка метода повышения эффективности струйных управляющих устройств систем автоматического управления технологическим оборудованием

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1.СТРУЙНЫЕ УПРАВЛЯЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

1.1.Сравнительный анализ систем автоматического управления

1.2.Область применения струйных систем автоматического управления

1.3.Характеристики струйных дискретных элементов

1.4.Типовые устройства

1.5.Влияние разброса параметров элементов на работу управляющих устройств.

1.6.Факторы, влияющие на помехозащищенность

1.7.Факторы, влияющие на быстродействие управляющих устройств

1.8.Цель работы

Глава 2.ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ЛОГИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

И УЗЛОВ СТРУЙНЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ

2.1.Допущения, принимаемые при анализе рабочего процесса.

2.2.Режим течения воздуха в коммутационных каналах

2.3.Рабочий процесс в пневматических цепях

2.4.Переходные процессы в пневматических цепях.

2.5.Принципиальные и эквивалентные схемы логических цепей

2.6.Время передачи сигнала по логической цепи

2.7.Состязание сигналов

2.8. Выводы по главе.

Глава 3.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК

СТРУЙНЫХ УСТРОЙСТВ

3.1.Экспериментальная установка и методика исследований.

3.2.Экспериментально-статистические исследования струйных дискретных элементов

3.3.Экспериментальное исследование логических цепей

3.4.Выводы по главе.

Глава 4. РЕАЛИЗАЦИЯ КОМБИНАЦИОННЫХ И ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ.

4.1.Комбинационные схемы

4.2.Последовательностные схемы

4.3.Практическая реализация построения струйных управляющих устройств последовательностью операций.

4.4.Модульное проектирование струйных цифровых управляющих устройств

4.5.Опыт промышленного внедрения струйных систем автоматического управления

4.6.Струйные локальные подсистемы комбинированных систем автоматического управления

4.7.Выводы по главе

Развитие современного промышленного производства невозможно представить без систем автоматического управления различного типа: электрических, гидравлических и пневматических.

Управляющие устройства электрических систем автоматического управления характеризуются наибольшим быстродействием и наименьшими потерями энергии при передаче информации. К числу их недостатков можно отнести чувствительность к длительным перегрузкам, необходимость дополнительных затрат для пожаро- и взрывобезопас-ного исполнения (что увеличивает их стоимость в 2-3 раза), подверженность влиянию электромагнитных и радиационных полей [1,18,53,66,68].

Следует заметить, что если исполнительные механизмы имеют достаточно большую мощность, то быстродействие в электрических системах автоматического управления не превышает быстродействия в аналогичных гидравлических и пневматических [53,91].

Использование в электрических системах автоматического управления в качестве управляющих устройств ЭВМ, в частности микро-ЭВМ и микропроцессоров, позволило решить новые задачи в развитии промышленного производства, особенно благодаря разработке электрогидравлических и электропневматических систем управления [21,36,64].

Гидравлические системы автоматического управления обладают рядом преимуществ (например, нечувствительность к электромагнитным полям ). В то же время управляющие устройства этих систем характеризуются меньшим быстродействием, большими размерами, большими потерями энергии при передаче информации, более высокой

- б стоимостью, нежели электрические системы.

Пневматические системы автоматического управления позволяют успешно решать большинство практических задач управления производственными процессами, особенно в машиностроении, химической, металлургической, пищевой и газовой промышленности и медицине, где применение пневматических систем управления наиболее эффективно [8,26,27,28,31,65].

При некоторых эксплуатационных условиях пневматические системы управления становятся единственно возможными [26]. Это относится к управлению процессами в особо взрывоопасных средах, при высоких температурах, высоких уровнях радиации и т.п., когда электронные системы автоматического управления работают недостаточно надежно. Область применения пневматических систем автоматического управления может быть расширена и на менее экстремальные условия эксплуатации там, где электроника может работать, но требует дополнительной защиты [53,743.

Вторым существенным фактором является то, что в современном машиностроении в основном используются пневматические и гидравлические исполнительные механизмы. В этом случае эффект достигается за счет упрощения обслуживания, сокращения вспомогательного времени, времени простоев и увеличения надежности за счет исключения преобразователей рода энергии.

К числу недостатков пневматических систем управления можно отнести сравнительно невысокое быстродействие управляющих устройств с подвижными деталями, обусловленное инерционностью и транспортным запаздыванием в линиях связи при передаче информации.

Современные требования, предъявляемые к пневматическим системам управления технологическим оборудованием, связаны с повышением надежности и быстродействия их управляющих устройств. Значительного увеличения быстродействия можно достичь, если реализацию управляющих устройств осуществлять на базе элементов струйной техники. Струйные элементы просты по конструкции , имеют практически неограниченный срок службы, обладают малыми габаритами, и низкой стоимостью [53,67].

Одним из перспективных направлений использования элементов струйной автоматики следует считать их применение в робото-технических комплексах и локальных системах гибкого автоматизированного производства.

Вместе с тем, внедрение систем автоматического управления, построенных на базе элементов струйной автоматики, сдерживается отсутствием работ, посвященных исследованию зависимости быстродействия и надежности управляющих устройств от параметров статических и динамических характеристик переходных процессов, протекающих в логических и цифровых цепях управляющих устройств.

Современные методы анализа и синтеза струйных систем автоматического управления не отличаются от применяемых при проектировании электронных систем. Однако, на практике использование известных методов синтеза без учета специфики работы струйных дискретных элементов, логических и цифровых цепей в управляющих устройствах ограничивает рабочую частоту проектируемых устройств. Так, для устройств, построенных на базе струйных элементов серии "ВОЛГА", надежность при работе на частотах более 50 Гц существенно снижается из-за появления сбоев [27,763.

Увеличению диапазона рабочих частот препятствует то обстоятельство, что не исследованы переходные процессы в комбинацион

- 8 ных и цифровых устройствах с учетом взаимосвязи характеристик струйных логических элементов и линий связи, транспортного запаздывания и других факторов.

Изложенное определило, что исследование закономерностей совместной работы активных и пассивных элементов и разработка на этой основе метода построения логических и цифровых устройств, применение которых повысит эффективность струйных управляющих устройств, является актуальным. Под эффективностью струйных управляющих устройств понимается способность этих устройств обеспечивать работу систем автоматического управления без сбоев в рабочем диапазоне частот.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1.На основании проведенных теоретического и экспериментального исследований установлено, что эффективность работы струйных управляющих устройств систем автоматического управления определяется не только параметрами характеристик отдельных элементов, но и параметрами аэродинамических процессов, протекающих при их совместной работе.

2.Установлено, что быстродействие струйных управляющих устройств ограничивается возникновением состязаний сигналов. Выявлена природа возникновения состязания сигналов в логических цепях управляющих устройств, сущность которого заключается в различии параметров динамических характеристик параллельно работающих комбинационных и последовательностных участков цепи.

3.Выявлено, что для обеспечения надежной работы управляющего устройства необходимо согласовать параметры статических и динамических характеристик пассивных и активных элементов, входящих в управляющее устройство. Определяющую роль играет соотношение задержек в самих логических элементах и задержек в линиях связи.

4.Получены зависимости постоянной времени пассивных пневматических цепей от геометрических и аэродинамических параметров коммутационных каналов: числа Рейнольдса Ре, пневматического сопротивления И, пневматической емкости С.

5.Разработаны, экспериментально исследованы типовые струйные управляющие устройства систем автоматического управления, исключающие возможность возникновения состязания сигналов. Это позволило существенно уменьшить затраты на предэксплуатационную наладку управляющих устройств струйных систем автоматического управления и обеспечить надежность их работы на частотах 100 Гц и выше.

6.Показаны пути дальнейшего совершенствования систем управления, основанных на комбинации струйных и электронных элементов, которые в известной мере объединяют достоинства и компенсируют недостатки систем управления, построенных только на струйной и только электронной элементных базах.

7.Результаты проведенной работы позволяют расширить возможностей разработчиков струйных систем автоматического управления в части повышения быстродействия этих систем, при создании машин-автоматов, работающих в тяжелых и экстремальных условиях эксплуатации. Этой цели служит метод расчета логических цепей, а также типовые решения построения комбинационных и цифровых автоматов, используемых при проектировании систем управления, работающих в промышленных условиях.

8.Автором разработано более 20 различных струйных систем управления, в которых были реализованы результаты настоящего исследования. Системы внедрены в производство: на НТО "Печатный двор" (Ленинград), НПО "Светлана" (Ленинград), заводе механических прессов (г.Барнаул), НПО "Пневматика" (г.Симферополь), моторном заводе (г.Ульяновск), ОАО "Химпром" (Волгоград) и ряде других предприятий и организаций.

1.Алекса A.K., Доценко С.А., Захаров В.Г. Струйная система управления азотоходом / Пневмоавтоматика. X1. Всесоюзное совещание.- М.: Наука, 1982.- С. 160-161.

2. Альтшуль А.Д., Животовский Л.С. Гидравлика и аэродинамика.- М.: Стройиздат, 1987.- 274 с.

3. А.с. 243266 СССР, МКИ G 06 D 1/08. Струйный триггер со счетным входом / Э.И.Чаплыгин, А.К.Трошкин (СССР).

4. А.с. 546878 СССР, МКИ G 06 D 1/08. Струйный сдвигающий регистр / Э.И.Чаплыгин, Л.Ф.Шмелев, Г.Г.Меркулов (СССР).

5. А.с. 842762 СССР, МКИ G 06 D 1/08. Струйное реверсивное обегающее устройство / Э.И.Чаплыгин, Л.Ф.Шмелев, А.С.Малахов (СССР).

6. А.с. 637804 СССР, МКИ G 06 D 1/08. Струйный триггер / Э.И.Чаплыгин, Л.Ф.Шмелев, А.С.Малахов (СССР).

7. А.с. 1166088 СССР, МКИ G 06 D 1/08. Струйное обегающее устройство / Э.И.Чаплыгин, В.А.Горюнов, Ю.Г.Бурков, С.Л.Берников (СССР).

8. В.Балакирев B.C., Софиев А.Э. Применение средств пневмо- и гидроавтоматики в химических производствах. М.: Химия, 1973. -176 с.

9. Бачо П., Мартон Й. Экспериментальное исследование шумов в сигналах струйных элементов /7 4-я Международная конф. по струйной технике: Тез. докл.- М., 1972.- С. 23-25.

10. Ю.Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. М.: Машиностроение, 1982. - 424 с.

11. Вельский В.К., Сорокин В.А., Чудаков А.Д. Синтез струйных сдвигающих регистров с параллельным вводом // Тр. ин-та /' НИИТеплоприбор. 1972.- Вып. 78.- С. 29-33.

12. Березин Г.А., Зенченко В.П. Метод синтеза пневматических систем машин-автоматов и опыт применения элементов УСЭППА // Системы и устройства пневмоавтоматики/ Под ред. А.А.Таля.- М.: Наука, 1969.- С. 55-62.

13. Блох А.Ш., Каспаров Г.Е., Рудницкий В.А. Формальный метод синтеза комбинационных схем в базисе пневматических многов-ходовых элементов // Пневматика и гидравлика / Под ред. Е.В.Герц.- М.: Машиностроение, 1973.- С. 179-185.

14. Бриллиант М.Д., Елимелех И.М. Пневматика в полиграфии. -Л.: Книга, 1975. 232 с.

15. Викторов В.В., Микиртумов Э.А., Ванский Ю.В., Касимов A.M. Исследование шумов непрерывного струйного усилителя // 5-я Международная конф. по струйной технике: Тез. докл.- М., 1974.-С. 47-49.

16. Глушков В,М. Синтез цифровых автоматов. М.: Физматгиз, 1962. - 476 с.

17. Дмитриев В.Н., Градецкий В.Г. Основы пневмоавтоматики. -М.: Машиностроение, 1973. 360 с.

18. Дылев В.И., Шаров Л.С. Применение струйных датчиков в комплексах оборудования с промышленными роботами // Вестник машиностроения. 1978.- N6.- С. 17-19.

19. Залманзон Л.А. Теория элементов пневмоники. М.: Наука, 1969. - 508 с.29.3арембо Л.К., Красильников В.А. Введение в нелинейную акустику.- М.: Наука, 1966.- 328 с.

20. Захаров В.И., Поспелов Д.А., Хазацкий В.Е. Системы управления.- М.: Энергия, 1977.- 424 с.

21. Ибрагимов И.А., Фарзане Н.Г., Илясов Л.В. Элементы и системы пневмоавтоматики. М.: Высшая школа, 1984. - 544 с.

22. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975. - 558 с.

23. Касимов A.M., Вайсер И.В., Ванский Ю.В., Яроль В.М. Meтоды построения приборов и устройств на модулях СМСТ-2 // Пневмоавтоматика / Под ред. А.А.Таля.- М.: Наука, 1974.- С. 92-99.

24. Клюев A.C. Автоматическое регулирование.- М.: Энергия,1973.- 391 с.

25. Колойденко А.Л., Самарский А.Г., Тучинский М.Р. Пневматическая система управления пиролизом в многотопочной трубчатой печи // Пневмоавтоматика / Под ред. А.А.Таля.- М.: Наука, 1974.-С. 54-58.

26. Конструирование функциональных узлов ЭВМ на интегральных схемах / Под ред. Б.И.Ермолаева.- М.: Советское радио, 1978.200 с.

27. Красильщиков И.И., Андронов Е.А. Опыт применения и перспективы использования струйной техники в автоматизации компрессорных установок и систем тепло- и газоснабжения // YI Международная конф. по струйной технике: Тез. докл.- М., 1976.- С.1. О А-Ор.

28. Кублановский Я.С. Переходные процессы.- М.: Энергия,1974.- 88 с.

29. Лазарев В.Г., Пийль Е.И. Синтез управляющих автоматов.-М.: Энергоатомиздат, 1989.- 328 с.

30. Лебедев И.В., Трескунов С.Л., Яковенко B.C. Элементы струйной автоматики.- М.: Машиностроение, 1973.- 360 с.

31. Лещенко В.А., Почтарь Ю.С., Ершов A.A. Струйная пневмоавтоматика эффективное средство автоматизации станков // Станки и инструмент.- 1968.- №5.- С. 3-5.

32. Лорентц 3. Примеры применения струйной техники в пищевой промышленности // 5-я Международная конф. по струйной технике: Тез. докл.- М., 1974.- С. 79-82.

33. Майзель M.M. Автоматика, телемеханика и системы управления производственными процессами.- М.: Высшая школа, 1972.- 464 с.

34. Мальцева Л.А., Фромберг Э.М., Ямпольский B.C. Основы цифровой техники.- М.: Радио и связь, 1986.- 128 с.

35. Моль Р. Гидропневмоавтоматика.- М.: Машиностроение, 1975.- 352 с.

36. Мясников В.А. Автоматизированные и автоматические системы управления технологическим оборудованием.- Л.: Машиностроение, 1978.- 232 с.

37. Ольсон Г. Динамические аналогии.- М.: Изд-во иностр. лит, 1947.- 224 с.

38. Островский Ю.И., Трескунов С. Л., Хлыст В.А. Условия работоспособности элементов пневмоники // Тр. ин-та / НЙИТеплопри-бор.- 1967.- Вып. 3-4.- С. 97-107.

39. Плоткин Е.О. Графоаналитический расчет струйных сопротивлений // Приборы и устройства струйной техники / Под ред. И.М.Елимелеха.- Л.: ЛДНТП, 1973.- С. 103-108.

40. Плоткин Е.О., Пресс Р.И. Анализ пассивных элементов струйной техники // Приборы и устройства струйной техники / Под ред. И.М.Елимелеха.- Л.: ЛДНТП, 1973.- С. 80-82.

41. Пневматические устройства и системы в машиностроении /' А.И.Кудрявцев., О.В.Ложкин, А.П.Пятидворный, Э.И.Чаплыгин, В.И. Щербаков; Под ред. Е.В.Герц.- М.: Машиностроение, 1981.- 408 с.

42. Погорелов В.И. Элементы и системы гидропневмоавтоматики.- Л.: Изд-во Ленинградский университет, 1979.- 184 с.

43. Поспелов Д.А. Логические методы анализа и синтеза схем.- М.: Энергия, 1974.- 368 с.

44. Потемкин И.С. Функциональные узлы цифровой автоматики.-М.: Энергоатомиздат, 1988.- 320с,

45. Потепаюв Ю.Н., Сазонов A.B. Вопросы синтеза универсальных устройств логического управления // Пневматика и гидравлика / Под ред. Е.В.Герц.- М.: Машиностроение, 1975.- С. 163-169.

46. Пресс Р.И., Плоткин Е.О. Импульсные устройства струйной техники.- Минск: Наука и техника, 1977.- 208 с.

47. Приборы и устройства струйной пневмоавтоматики. Под ред. И.М.Елимелеха.- Л.: ЛДНТП, 1980.- 178 с.

48. Рехтен A.B. Струйная техника.- М.: Машиностроение, 1980.- 238 с.

49. Ржевкин С.Н. Курс лекций по теории звука.- М.: Изд-во МГУ. I960.- 210 с.

50. Сердюк В.А. Методы синтеза управляющих логических устройств с унифицированной блочной структурой // Пневматика и гидравлика / Под ред. Е.В.Герц,- М.: Машиностроение, 1975.- С. 181-189.

51. Синтез позиционных систем программного управления/ А.Д.Вапьчихин, М.А.Карасин, Ф.Ф.Котченко, Н,В,Соловьев; Под. ред. А.А.Вавилова.- Л.: Машиностроение, 1977.- 280 с.

52. Соучек Б. Микропроцессоры и микро-ЭВМ: Пер. с англ.- М.:

53. Советское радио, 1979.- 517 с.

54. Струйная автоматика в системах управления /' В.В.Алферов, В.С.Владимиров, В.К.Новиков, В.П.Строгалев; Под ред. Б.В.Орлова. М.: Машиностроение, 1975.- 368 с.

55. Струйная пневмогидроавтоматика. Под ред. В.И.Чернышева. -М.: Машиностроение, 1966.- 382 с.

56. Струйные логические элементы и устройства автоматического управления технологическим оборудованием / Ю.Г.Бурков, В.А.Горюнов, Г.Я.Кривошеев, Л.Ф.Шмелев; Под ред. Э.И.Чаплыгина.-М.: ВНИИТЭМР, 1989.- 64 с.

57. Струйные логические элементы и устройства программного управления станками и промышленными роботами / Ю.Ф.Бородин, Ю.Г.Бурков, Г.Я.Кривошеев, Н.А.Махотин; Под ред. Э.И.Чаплыгина.-М. : НШМаш, 1979.- 72 с.

58. Талиев В.Н. Расчет местных сопротивлений тройников.- М.: Госстройиздат, 1952.- 212 с.

59. Фернер В. Аналогии в электротехнике и пневмонике /'/ Приборы и элементы автоматики.- 1965.- №19.- с. 11-14.

60. Фудим Е.В. Пневматическая вычислительная техника.- М.: Наука, 1973.- 528 с.

61. Фудим Е.В. Пневматические конденсаторы // Пневмоавтоматика / Под ред. А.А.Таля.- М.: Наука, 1966,- 24-26.

62. Фурдиев В.В. Электроакустика.- М.: Гостехиздат, 1948,1. Я&Р п ООО С,

63. Чаплыгин Э.И., Берников С.Л. Струйные системы управления и область их применения // Приборы и устройства струйной техники / Под ред. И.М.Елимелеха.- Л.: Знание, 1983.- С. 9-14.

64. Чаплыгин Э.И., Горюнов В.А. Построение струйных устройств управления последовательностью операций // Пневматика: Тез. докл.- М., 1996.- С. 23.

65. Чаплыгин Э.И., Горюнов В.А., Холодов B.C. Разработка струйных систем программного управления технологическим оборудованием /./ Приборы и системы управления.- 1998.- N5.- С. 43-44.

66. Чаплыгин Э.И., Дьячков Е.А., Горюнов В.А. Повышение надежности работы струйных таймеров // Автоматизация технологических процессов в машиностроении / Под ред. М.Б.Диперштейна.- Волгоград, 1997.- е. 61-65.

67. Чаплыгин Э.И., Дьячков Е.А., Горюнов В.А. Струйные реле времени // Гидромеханика в инженерной практике: Тез. докл. На-учн.-техн. конф. 27-30 мая 1996 г.- Киев, 1996.- с. 29-30.

68. Чаплыгин Э.И., Кривошеев Г.Я., Гранин В.В. Некоторые вопросы надежности струйных систем управления // Пневмоавтоматика / Под ред. А.А.Таля.- М.: Наука, 1974.- С. 119-126.

69. Чаплыгин Э.И. Разработка струйных дискретных элементов и систем управления приводами технологического оборудования. Дис. на соискание ученой степени д-ра техн. наук.- М., 1985.- 378 с.

70. Чаплыгин Э.И., Шмелев Л.Ф., Левченко Н.В. Струйная автоматика в промышленности // Приборы и устройства струйной техники / Под ред. И.М.Елимелеха.- Л.: Знание, 1976.- 87-92.

71. Чудаков А.Д. Цифровые устройства пневмоники.- М.: Энергия, 1971.- 112 с.

72. Шенк Л. Теория инженерного эксперимента.- М.: Мир, 1972.- 381 с.

73. Шкрабов Б.С., Карпинский В. В. Устройства пневмоавтоматики в ткацком и красильно-отделочном производствах.- М.: ЦНИИТЭИ Легпищемаш, 1973.- 132 с.

74. Шматков Н.А., Алекса А.К. Пневмоавтоматика в угольной промышленности // Пневмоавтоматика. XY Всесоюзное совещание: Тез. докл.- М., 1985.- С. 47-48.

75. Шпитальников К.Ф. Пневмосистемы машин и технологических линий легкой и текстильной промышленности.- М.: Легкая индустрия, 1974.- 232 с.

76. Эйгенброт В.М. Пневматические устройства телемеханики.-М.: Энергия, 1975.- 88 с.

77. Элементы и устройства пневмоавтоматики низкого давления (струйной техники) /' Е.А.Рагулин, А.П.Пятидверный, А.Ф.Караго, Ж.М.Кривко; Под ред. А.И.Кудрявцева.- М.: НИИМаш, 1973.- 68 с.

78. Automatismes pneumatiques parlong logique // Energie Fluide.- 1987.- №1.- P. 16-18.

79. Fluid Amplifiers / Edited by Y.M.Kirschner.- Mc Graw-НШ Book Company, New York, 1966.- 211 p.

80. В результате внедрения получены:

81. Годовая экономия от снижения себестоимости продукциитыс. рублей.

82. Годовой экономический эффект по приведенным затратам тыс. рублей.

83. Технико-экономические показатели: Народно-хозяйственный эффект8000 руб.1. Снижение трудоемкости%