Устройство для моделирования переменной емкости

,с=сГ аы 1 нтноОП ИСАЙ ИЕИЗОБРЕТЕН ИЯ 1 Юнб;чо ,-Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик(46) Дата опубликования описания 27.04.77(51) М КлС 06 О 7/8 Гоеудврственный комитет Совета Министров СССР по делам изооретеннй н открытий(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕННОЙЕМКОСТИ Изобретение относится к вычислительной и измерительной технике и может быть использовано в аппаратуре, где требуется корректировать величину рабочей емкости в процессе выполнения вычислений согласно любой задаваемой функции управления.Использование переменной (управляемой) емкости целесообразно, в частности в аналоговых, квазианалоговых, цифро-аналоговых и цифро- квазианалоговых (т,е. гибридных) 10 вычислительных системах, предназначенных для решения задач теории поля, описываемых нелинейными дифференциальными уравнениями в частных производных, общие аналитические методы интегрирования которых 15 в настоящее время отсутствуют, а численные ограниченны. К таким задачам относится, например, задачи движения сплошных сред в трубах (задачи расчета и управления технологией транспорта нефти, газа и др,), 20 открытых руслах, пористой среде (задачи разработки нефтяных, газовых и других месторождений) и т.д.Во многих случаях для решения указанного выше круга задач необходимо уметь 25 управлять ке резисторными, а емкостнымп характеристиками КС - сетки.Известно устройство для моделирования переменной емкости, содержашее блок конденсаторов, которые отключаются плп подключаются параллельно рабочей цепи в управляемой последовательности блоком управления переключателями,Однако в устройстве для моделированпя переменной емкости возможности управления величиной рабочей емкости в процессе вычислений ограничены. Отключение ппп подключение х рабочей цепи (т. е. к узловой емкости) какого-либо дополнительного конденсатора происходит тогда, когда величина напряжения рабочей цепи достигает определенного значения, Значение этого напряжения переключения может быть установлено только при регулировке вычислительного устройства перед выполнением вычислений, но его нельзя изменять в ходе вычислительного процесса, Для решения задач, описываемых нелинейными управлениями в частных производных, управление величиной емкости только рабочим напряжением недостаточно, потому что указанный выше переменный коэффициен в этих уравнениях часто представляетсобой сложную зависимость от искомой функции, которую обычно не удается представитьв явной форме. 5Участки цепей, соединенные с каждымконденсатором, содержат резисторы,Через каждый резистор проходит электрический ток в то время, когда соответствующий конденсатор отключен от рабочей цепи, 10поэтому в такой цепи происходит не строгоеизменение рабочей емкости, а переключениерабочей цепи от емкости на сопротивление.Это затрудняет решение сложных задач теории поля, поскольку процесс их решения продолжается значительное время (например,несколько секунд или более), в течение которого токи, проходящие через указанныесопротивления, обусловливают значительнуюпогрешность вычислений, Учет этого фактора в процессе вычислений создал бы определенные затруднения.Кроме того, втаком устройстве и в других устройствах аналогичного назначенияскачкообразный характер заряда запоминаюших емкостей приводит к амплитудной ошибке,Целью изобретения является исключение такой ошибки.Эта цель достигается тем, что устройство, состоящее из блока конденсаторов, блока переключателей, первая группа контактовкоторого подключена к конденсаторам блокаконденсаторов, вторая - к выводу подключения устройства, например одному из узлов 35моделирующей КС - сетки, и блоку управления переключателями, содержит блок компенсации напряжений, выполненный, например,в виде повторителя напряжения, вход которого подключен к выводу подключения устройства, а выход - к третьей группе входовблока переключателей.Емкость относится к реактивным электрическим элементам, следствием чего является функциональное различие между операциями уменьшения и увеличения емкостипереключаемых конденсаторов. Это различиезаключается в сохранении непрерывностиизменения напряжения на рабочей емкостипри отключении конденсаторов и в ее нарушении при подключении резервных конденсаторов к рабочей цепи, Существенно, что напряжение на рабочей емкости одновременноявляется аналоговой (квазианалоговой) величиной, которая, будучи сформирована наКСсетке (и необходима в вычислительном процессе) в силу закономерностей изучаемогоявления, изменяется (в большинстве случаев) непрерывно. Это объясняет важностьи обусловливает необходимость обеспечения непрерывности изменения напряжения на рабочей емкости.Сущность и причина функционального различия между операциями уменьшения и увеличения емкости системы переключаемых конденсаторов может быть показана на примере.Рассмотрим сначала два идеальных (т. е, без утечек) конденсатора с емкостями С и С,соединенными один с другим параллельно, Емкость такого составного конденсатора равна С + С Пусть теперь конденсаторы С и С включены в рабочую цепь, например, подключены к узлу КС - сетки.Тогда напряжением ) на конденсаторах будет напряжение в узле ВС - сетки. Отклк- чение одного из конденсаторов от узла ВС- сетки не вызывает изменения значения 0 в момент отключения, Таким образом операция скачкообразного уменьшения емкости путем отключения части из конденсаторов, подключенных к рабочей цепи, не нарушает непрерывности изменения во времени напряжения рабочей цепи.Перейдем к рассмотрению процессов при подключении дополнительного конденсатора к рабочей цепи. Рассмотрим сперва два идеальных конденсатора с емкостями С и С Обозначим через Ц и Б исходные напряжения на этих конденсаторах. Если эти конденсаторы соединить один с другим параллельно и согласно (т. е. плюс с плюсом и минус с минусом), то напряжение на образовавшемся составном конденсаторе станет равнымЯ Ч+Яя С У,+С УС С+ С С, СВ общем случае величины Ц и 0 не равИ ны . Следовательно, результирующее напряжение 1 отличается и от Ц, и от Ц . ПоЙ этому операция подключения конденсаторов одного к другому сопровождается обычно скачком напряжений на конденсаторах. Если конденсатор С соединен с рабочей цепью и 0 - напряжение рабочей цепи, то при подключении (с целью увеличения рабочей емкости) параллельно и согласно конденсатора С рабочее напряжение изменяется скачком на величину (О, - О ), Подобные явления происходят и тогда, когда подключается группы, состоящие из нескольких конденсаторов. Поэтому можно утверждать, что в обшем случае подключение группы конденсаторов к рабочей цепи, с целью увеличения рабочей емкости, сопровождается нарушением непрерывности изменения во времени напряжения в рабочей цепи, вследствие скачкообразного изменения последней.Функциональное различие между операциями уменьшения и увеличения емкости системы переключаемых конденсаторов проявляется здесь в различном влиянии на непрерыв-. ность изменения рабочего напряжения: при отключении части параллельных конденсаторов эта непрерывность сохраняется, а при подключении обычно нарушается.Поскольку во время работы вычислительной системы могут происходить и уменьше ния, и увеличения рабочей емкости, необходимо устранить скачки напряжения на конденсаторах при подключении их к рабочей цепи.В предложенном устройстве переключаемый набор конденсаторов дополнен блоком компенсации, позволяюшим устранить схачхи напряжения при подключении дополнительных конденсаторов к рабочей цепи. Блох компенсации обеспечивает непрерывность изменения рабочего напряжения в моменты как уменьшения, тах и увеличения рабочей емкости,Возможность устранения схачхов напряжения при подключении конденсаторов к рабочей цепи ( при отключении таких скачков нет) вытекает из написанного выше выражения для результирующего напряжения Ц, Паа 0= Б(, олум 0 =Ц,. Это з 0 означает, что для сохранения непрерывности изменения напряжения в рабочей цепи необходимо конденсатор или хонденсаторы, подлежащие подключению х рабочей цепи, предварительно зарядить до напряжения, равного напряжению рабочей цепи в момент (целесообразно непосредственно перед моментом) подключения этих конденсаторов х рабочей цепи. Таким образом, задача сводится к компенсации разности напряжений 40 между подключаемыми конденсаторами и рабочей цепью- непосредственно перед подключением конденсаторов к рабочей цепи.Эту задачу - компенсацию разности указанных напряжений - выполняет блок компен сации.На чертеже показана схема предлагаемого устройства для моделирования переменной емкости, хах часть вычислительной системы,Устройство 1, моделирующее управляемую 50 переменную емхость, содержит блок 2 хонденсаторов, блок Зпереключателей, блок уп - равления 4 перехлючателями, блок компенсации 5.Точка 6 подключения устройства (узел) 5,С - сетхи и общая шина 7 "корпус (или "земля") являются рабочими точками фун 1- ционируюшей цепи, к хоторым подхлючено устройство 1 для моделирования переменной емкости. оО Число каналов передачи информации 9 и10 должно соответствовать числу устройствпеременной емхости, (блоки питания, блокиначальных условий и т.п. на чертеже не показаны),При среднем положении какого-либо переключателя блока 3 соответствуюший конденсатор блоха 2 не задействован, Приверхнем положении какого-либо переключателя блока 3 соответствуюший конденсаторблоха 2 подключен к выходу блока компенсации 5.Вход блока компенсации 5 подключен кточкам подключения устройства, Узловоенапряжение в точке 6 поступает в цифровой автомат 8 через блок компенсации5 и по ханалу 9 передачи аналоговой величины узлового напряжения от ИС-сеткик цифровому автомату. По аналогичнымканалам в цифровой автомат передаютсянапряжения и от других узлов ЙС -сетки(на чертеже не показаны). Команда на подключение отдельных конденсаторов из набора в положение "рабочее, " к блоху компенсации" и фне задействован поступаютот цифрового автомата 8 по канаду 10 вблок управления переключателями. По таким же ханалам передаются команды востальные устройства переменной емкости,подключенные к другим узлам ЙС -сетки(на чертеже не показаны).Во время вычислений непрерывно изменяется чапряжение 0 между рабочими точками, на рабочих конденсаторах и на выходе блока компенсации. Величина заряда на рабочей емхости изменяется пропорционально рабочему напряжению, поэтому тох из рабочей цепи через емкость пропорционален суммарной емкости рабочих конденсаторов, т. е. тех, которые в данный момент времени подключены х рабочей цепи. Такое же напряжение У = О, должно вырабатываться на выходе блока компенсации, поэтому те из резервных конденсаторов, которые в данный момент подключены к этому блоху, также заряжены до напряжения У, Электрический тох через эти конденсаторы (при изменениях У во времени) проходит только в выходной цепи блока компенсации. За короткое время переключения какого-либо хонденсатора из положения "к блоку компенсации" в положение "рабочее" напряжения в рабочей цепи и на конденсаторе заметно измениться не успевает, чем и обеспечивается равенство напряжений в рабочей цепи и на подключаемом х ней хонденсаторе, необходимое для предотвращения скачка напряжения в момент подключения. Отключение какого-либо хонденсатора от рабочей цепипроисходит, как указывалось, беэ скачковнапряжения.После переключения конденсатора из положения фне задействован" в положение фкблоку компенсации" может происходить дополнительный заряд или разряд конденсаторадо напряжения 0 от выходной цепи блокакомпенсации, Команды на изменение положений переключателей 3 поступают от блокауправления. 10Компенсация небаланса напряжений нарабочих и резервных конденсаторах можетосуществляться в разных режимах. Прошевсего осуществляется режим, когде все конденсаторы все время подключены к блокукомпенсации, Более сложен режим, когда,например, хонденсаторы подключаются кблоку компенсации только на некоторыйпромежуток времени перед подачей командына переключение рабочей емкости. При таком режиме один блох хомпенсации можетбыть использован последовательно при управлении несколькими емкостями,Согласно изложенному, блок компенсациидолжен поддерживать, по возможности более 5точно, равенство напряжений 0 в рабочейцепи и Б на конденсаторах (конденсаторе),подлежаших подключению к рабочей цепи.Следовательно, электронный блок компенсации выполняет функцию следящей системы; З 0на его вход поступает напряжение У , которое является также напряжением на рабочей емкости, а с выхода отводится напряжение У, по возможности равное величине Ц. 35Электрические характеристики блоха компенсации должны удовлетворять ряду требований.Погрешность слежения, (т, е, отличие Уот 0 / должна быть малой, что зависит от 40совершенства электрической схемы блоха.В простейшем случае это может быть повторитель напряжения, В более сложной схеме могут быть использованы, например, узлы сравнения, узлы усиления и согласования 45разностных сигналов, выходные узлы в виде управляемых источников напряжения.Входные цепи блока компенсации должны иметь высокое входное сопротивление,чтобы не создавать заметных токов утечки 50иэ рабочей цепи, поскольку увеличение токовутечки снижает точность работы вычислительной системы. Входное сопротивлениеблока хомпенсации должно быть намногобольше эквивалентного сопротивления рабочей цепи между точками подключения блоха компенсации.На точность работы вычислительной системы влияет также величина входной емкости блоха компенсации, Обычно эта величина 60 на несколько порядков меньше, чем величина рабочей емкости, поэтому наличие входной емкости практически не ограничивает воэможностей использования бпока компенсации.Выходное сопротивление блока компенсации должно быть достаточно малым, Выходная цепь блока компенсации с подключенньъми к ней резервными конденсаторами характеризуется постоянной времени, пропорциональной выходному сопротивлению и емкостиэтих конденсаторов. При изменениях (в хо-.де вычислительного процесса) напряженияв рабочей цепи и на входе блока компенсации небаланс напряжений отрабатываетсятем быстрее, чем меньше величина указанной постоянной времени. Следовательно,точность работы вычислительной системытем выше, чем меньше выходное сопротивпение блока компенсации. Постоянная врмени выхода блоха хомпенсации с подклкченными к нему конденсаторами должнабыть столь малой, чтобы на промежутоквремени, численно равный величине этойпостоянной, напряжение рабочей цепи успевало измениться (в ходе вычислений) навозможно малую относительную величину.Кроме того, запаздывание при отработке процесса слежения во внутренних цепях блока хомпенсации также должно бытьмалым по сравнению с рассмотренной постоянной времени,Перечисленные требования х характеристихам блока хомпенсации непротиворечивыи технически осуществимы, поскольку невыходят за пределы требований, хоторымобычно удовлетворяют ламповые и полупроводниковые электронные устройства.формула изобретенияУстройство для моделирования переменной емкости, содержащее блох хонденсаторов,блок перехлючателей,первая группа контактов которого подключена х хонденсаторамблока конденсаторов, вторая - к выводу подключения устройства, например, одному изузлов моделирующей ЙС-сетки, блох управления переключателями, выходы которогосоединены с управляющими входами блокапереключателей, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что, с целью исключения амлитуднойошибки, вызываемой скачкообразным характером заряда емкости конденсаторов, устройство содержит блок компенсации напряжений, выполненный, например, в виде повторителя напряжения, вход которого подключенк выводу подхлючения устройства, а выходк третьей группе входов блока переключателей , 527716Составитель В. КудрявцевРедактор Д. Утехина Техред М. Левицкая Корректор А. ВласенкоЗаказ 644/29 Тираж 864 ПодписноеЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5филиал ППП фПатент" г. Ужгород, ул. Проектная. 4