Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (УП)"
Автор книги: Большая Советская Энциклопедия
Жанр:
Энциклопедии
сообщить о нарушении
Текущая страница: 6 (всего у книги 8 страниц)
Управляющая машина
Управля'ющая маши'на , управляющая вычислительная машина (УВМ), вычислительная машина, включенная в контур управления техническими объектами (процессами, машинами, системами). УВМ принимают и обрабатывают информацию, поступающую в процессе управления, и выдают управляющую информацию либо в виде текста, таблицы, графика, отпечатанных на бумаге или отображаемых на экране дисплея, либо в виде сигналов (воздействий), подаваемых на исполнительные органы объекта управления (см. рис. ). Главная цель применения УВМ – обеспечение оптимальной работы объекта управления. Управление с помощью УВМ строится на основе математического описания поведения объектов (см. Алгоритмизация процессов , Математическая модель ). Отличительная особенность УВМ – наличие в них наряду с основными устройствами, входящими в состав всех ЭВМ (процессором , памятью и др.), комплекса устройств связи с объектом. К этому комплексу относятся устройства, осуществляющие ввод в процессор данных (получаемых от датчиков величин, характеризующих состояние управляемого объекта), устройства, обеспечивающие выдачу управляющих воздействий на исполнительные органы, а также различные преобразователи сигналов, устройства отображения информации.
Различают УВМ универсальные (общего назначения) и специализированные. К специализированным относятся УВМ, ориентированные на решение задач в системах, управляющих заранее определённым небольшим набором объектов (процессов). К универсальным относят УВМ, которые по своим техническим параметрам и возможностям могут быть использованы практически в любой системе управления. По способу представления информации УВМ делят на цифровые (см. Цифровая вычислительная машина ), аналоговые (см. Аналоговая вычислительная машина ) и гибридные – цифро-аналоговые. Цифровые УВМ превосходят аналоговые по точности управления, но уступают им в быстродействии. В гибридных УВМ цифровые и аналоговые вычислительные устройства работают совместно, что позволяет в максимально степени использовать их достоинства.
УВМ является центральным звеном в системах автоматического управления (САУ). Она осуществляет обработку информации о текущих значениях физических величин, характеризующих объект, и об их изменении, а также вырабатывает управляющие сигналы, обеспечивающие заданные режимы его работы. В автоматизированных системах управления (АСУ) технологическими процессами УВМ обычно работает в режиме советчика, выдавая оператору сведения о состоянии объекта управления и рекомендации по оптимизации процесса управления, или (реже) в режиме непосредственного управления. По назначению и области использования УВМ подразделяются на промышленные, аэрокосмические, транспортные и др.
Появление УВМ связано с разработкой бортовых вычислительный машин для военной авиации в начале 50-х гг. Так, например, одна из первых бортовых УВМ – «Диджитак» (США, 1952) предназначалась для автоматического управления полётом и посадкой самолёта, для решения задач навигации и бомбометания. В ней использовалось около 260 субминиатюрных электронных ламп и 1300 полупроводниковых диодов. УВМ занимала объём 150 дм3 при массе 150 кг. В середине 50-х гг. были разработаны первые бортовые УВМ на транзисторах, а в начале 60-х гг. – первые бортовые УВМ на интегральных микросхемах, в том числе несколько моделей со сравнительно высокими вычислительными возможностями. Примером такой УВМ может служить «УНИВАК-1824» (США, 1963), состоящая из арифметико-логического устройства, запоминающего устройства, блока ввода-вывода данных и блока питания; объём, занимаемый УВМ, 4,1 дм3, масса 7 кг, потребляемая мощность 53 вт (при этом не требовалась система охлаждения или вентиляции); эта УВМ собрана на 1243 интегральных микросхемах. В начале 60-х гг. УВМ применяли в системах управления непрерывными технологическими процессами (пример – УВМ RW-300, США, включенная в контур управления технологическими процессами производства аммиака). В такой системе управления воздействия, вырабатываемые УВМ, преобразовывались из цифровой формы в аналоговую и в виде электрических сигналов поступали на регуляторы исполнительных механизмов. Непосредственное цифровое управление непрерывным технологическим процессом впервые было применено в 1962 в СССР (в системе управления «Автооператор» на Лисичанском химкомбинате) и в Великобритании (в системе управления «Аргус-221» на содовом заводе в г. Флитвуд). Для управления непрерывными технологическими процессами в СССР в 60-х гг. были разработаны вычислительные машины «Днепр», «Днепр-2», ВНИИЭМ-1, ВНИИЭМ-3, УМ-1-НХ и др.
В середине 60-х гг. появилась тенденция к переходу от выпуска единичных моделей УВМ к выпуску управляющих вычислительных комплексов (УВК), которые строятся по агрегатному принципу. УВК представляет собой набор вычислительных средств, средств связи с объектом и оператором, внутренней и внешней связи. Пример УВК – комплекс М-6000, входящий в агрегатированную систему средств вычислительной техники (АСВТ), разработанную в СССР (серийный выпуск с 1969). Конструктивно ЛСВТ представляет собой набор модулей, из которых компонуют различные по структуре и назначению УВК. В основном это комплексы для сбора и первичной обработки информации при управлении различными технологич. процессами, научными экспериментами и т.п. УВК М-6000 состоит из универсального цифрового процессора, устройств ввода-вывода данных, агрегатных модулей сбора и выдачи аналоговой и дискретной информации, агрегатных модулей для организации внутренней связи и связи с др. комплексами. На базе АСВТ создаются многоуровневые АСУ промышленным предприятием. На нижнем уровне такой системы используются относительно простые УВМ (например, микропрограммный автомат М-6010 и машина централизованного контроля М-40), выполняющие функции непосредственного управления технологическим процессом. На среднем уровне при помощи УВК (например, УВК М-6000 и М-400) решаются более сложные задачи управления, связанные с оптимизацией группы технологических процессов. Эти УВК, в свою очередь, имеют связь с центральным звеном системы, которое решает задачи управления работой всей системы в целом, в том числе задачи учёта и планирования производства. На этом уровне обычно используются большие УВК (например, М-4030 и М-7000).
Одно из направлений развития УВМ – их агрегатирование на основе функциональных модулей, отвечающих требованиям единства входных и выходных параметров, стандартных информационных связей между модулями и унифицированного математического обеспечения . При этом появляется реальная возможность компоновки (по заказу пользователя) вычислительной системы нужной структуры. Пример – вычислительная система Хьюлетт-Паккард-9600 (США), предназначенная для различных измерений и автоматического регулирования, которая уже частично реализует это направление развития УВМ. Основа этой системы – функциональный унифицированный модуль, представляющий собой микропрограммный процессор, агрегатируемый с другими функциональными модулями. Для централизованного автоматического управления группами территориально разобщённых объектов используют т. н. распределённые системы управления, которые включают центр обработки данных, оснащенный высокопроизводительными ЭВМ, центральные и периферийные системы управления, объединённые унифицированными системами связи. Использование в центре обработки данных высокопроизводительной ЭВМ позволяет обрабатывать информацию, поступающую от центральных систем управления (которые работают в реальном масштабе времени), а также осуществлять дистанционный ввод задач в центральные системы управления. Последние связаны с центром обработки данных и с периферийными системами, осуществляющими непосредственное управление объектами.
Большое внимание при создании современных УВМ уделяется повышению надёжности их функционирования при одновременном снижении стоимости, массы и габаритов, а также повышению надёжности средств получения информации, её преобразования и выдачи.
Лит.: Каган Б. М., Каневский М. М., Цифровые вычислительные машины и системы, 2 изд., М., 1973.
Г. Р. Воскобойников, И. А. Данильченко, М. И. Никитин.
Структурная схема системы управления непрерывным процессом с помощью управляющей вычислительной машины.
Управляющее воздействие
Управля'ющее возде'йствие, сигнал , поступающий на объект управления (регулирования) от задающего устройства или регулятора и влияющий на управляемую (регулируемую) величину объекта. В системах автоматического управления (САУ) У. в. изменяется таким образом, чтобы управляемая величина соответствовала заданию (в следящих системах , в системах стабилизации и программного управления ) или достигала некоторого оптимального либо экстремального значения (в системах оптимального управления , экстремального регулирования , самонастраивающихся системах и др.). В системах регулирования автоматического (САР) У. в. зависит от закона регулирования и определяется свойствами объекта регулирования, характером действующих на САР задающих и возмущающих воздействий и др. По числу У. в. различают одно– и многомерные объекты управления. В многомерных объектах каждое из У. в. может влиять на одну или несколько управляемых величин, что затрудняет управление объектом. Поэтому одна из важных задач, которая решается при создании САУ (САР), – устранение или ослабление влияния У. в. на все управляемые (регулируемые) величины, за исключением одной (см. Автономность ).
Управляющее устройство
Управля'ющее устро'йство ЦВМ, устройство управления, часть вычислительной машины, координирующая работу всех её устройств, предписывая им те или иные действия в соответствии с заданной программой. У. у. вырабатывает управляющие сигналы, обеспечивающие требуемую последовательность выполнения операций, контролирует работу машины в различных режимах, обеспечивает взаимодействие человека-оператора с ЦВМ. Структура У. у. определяется типом ЦВМ и применяемым способом управления вычислительным процессом. При синхронном управлении ЦВМ на выполнение любой из операций отводится заранее определённое время; в таких ЦВМ, как правило, используется одно У. у., называется центральным, которое синхронизирует работу машины в целом. При асинхронном способе управления начало выполнения очередной операции определяется завершением предыдущей операции. В асинхронных ЦВМ каждое устройство машины (арифметическое, запоминающее и др.) часто имеет своё местное У. у. В этом случае центральное У. у. вырабатывает только основные сигналы управления, задающие режим работы для местных У. у., которые в соответствии с этими сигналами организуют функционирование своих устройств.
Различают У. у. с жестко заданной и с произвольной программами управления. В первом случае все возможные сочетания управляющих сигналов и временные соотношения между ними неизменны и определяются структурой и конструкцией ЦВМ. Изменение порядка вычислений требует схемных преобразований в У. у. Поэтому жестко заданная программа используется чаще всего в специализированных вычислительных машинах .
У. у. с произвольной программой универсально и позволяет формировать программу решения задачи непосредственно перед её реализацией. Произвольная программа управления используется в универсальных цифровых машинах . Наиболее эффективны У. у. с мультипрограммным управлением, допускающим одновременное решение нескольких задач и независимую связь ЦВМ со многими потребителями. Мультипрограммирование обеспечивается либо несколькими У. у., каждое из которых обслуживает одну из программ, выполняемых ЦВМ, либо временным разделением выполнения нескольких программ, осуществляемым одним У. у., которое переключается с одной программы на другую в результате последовательного опроса пользователей (абонентов) или вследствие принудительного прерывания со стороны абонента в соответствии с заданным приоритетом. Получили также распространение микропрограммные У. у., в которых каждой машинной операции соответствует набор сигналов, составляющих микрокоманду; микрокоманды хранятся в постоянной памяти ЦВМ (см. Микропрограммное управление ). При этом для всех операций выбираются оптимальные наборы управляющих сигналов и в соответствии с ними строятся рабочие микропрограммы.
Тенденции развития У. у. связаны с повышением их производительности и расширением логических возможностей, позволяющих, например, произвольно (или с некоторыми ограничениями) задавать структуру команд, длину слова и т.д. Допускается изменение структуры машины, совместная работа нескольких ЦВМ и т.д.
Лит.: Каган Б. М., Каневский М. М., Цифровые вычислительные машины и системы, 2 изд., М., 1973.
И. А. Данильченко.
Упрочнение
Упрочне'ние в технологии металлов, повышение сопротивляемости материала заготовки или изделия разрушению или остаточной деформации.
У. характеризуется степенью У. – показателем относительного повышения значения заданного параметра сопротивляемости материала разрушению или остаточной деформации по сравнению с его исходным значением в результате упрочняющей обработки, а также (в ряде случаев) глубиной У. (толщиной упрочнённого слоя). У. обычно сопровождается снижением пластичности . Поэтому практически выбор способа и оптимального режима упрочняющей обработки определяется максимальным повышением прочности материала при допустимом снижении пластичности, что обеспечивает наибольшую конструкционную прочность.
У. материала в процессе его получения может быть вызвано термическими, радиационными воздействиями, легированием и введением в металлическую или неметаллическую матрицу (основу) упрочнителей – волокон, дисперсных частиц и др. (см. Композиционные материалы ).
У. материала заготовок и изделий достигается механическими, термическими, химическими и др. воздействиями, а также комбинированными способами (химико-термическими, термомеханическими и др.). Наиболее распространённый вид упрочняющей обработки – поверхностное пластическое деформирование (ППД) – простой и эффективный способ повышения несущей способности и долговечности деталей машин и частей сооружений, в особенности работающих в условиях знакопеременных нагрузок (оси, валы, зубчатые колёса, подшипники, поршни, цилиндры, сварные конструкции, инструменты и т.п.). В зависимости от конструкции, свойств материала, размеров и характера эксплуатационных нагрузок деталей применяются различные виды ППД: накатка и раскатка роликами и шариками, обкатка зубчатыми валками, алмазное выглаживание, дорнование, гидроабразивная, вибрационная, дробеструйная и др. способы обработки. Часто ППД, кроме У., значительно уменьшает шероховатость поверхности, повышает износостойкость деталей, улучшает их внешний вид (упрочняюще-отделочная обработка). У. при термической обработке металлов обеспечивается, в частности, при закалке с последующим отпуском . Улучшению прочностных свойств значительно способствуют и определённые виды термо-механической обработки (в т. ч. горячий и холодный наклёп). У. химико-термическим воздействием может осуществляться путём азотирования , цианирования , цементации , диффузионной металлизации (насыщением поверхности детали алюминием, хромом и др. металлами).
У. обеспечивается также применением электрофизических и электрохимических методов обработки , ультразвуковой, электроэрозионной, магнитоимпульсной, электрогидравлической, электроннолучевой, фотоннолучевой, анодно-химической, электроискровой, а также воздействием взрывной волны, лазера и др. Упрочняющая обработка может быть поверхностной (например, пластическое деформирование с возникновением поверхностного наклёпа ), объёмной (например, изотермическая закалка) и комбинированной (например, термическая обработка с последующим ППД). Объёмная и поверхностная упрочняющая обработки могут вестись последовательно несколькими методами.
Лит.: Гуляев А. П., Металловедение, 4 изд., М., 1966; Прочность металлов при циклических нагрузках, М., 1967; Папшев Д. Д., Упрочнение деталей обкаткой шариками, М., 1968; Елизаветин М. А., Сатель Э. А., Технологические способы повышения долговечности машин, 2 изд., М., 1969; Кудрявцев И. В., Поверхностный наклеп для повышения прочности и долговечности деталей машин, 2 изд., М., 1969; Данилевский В. В., Технология машиностроения, 3 изд., М., 1972; Картавов С. А., Технология машиностроения, К., 1974.
Д. Л. Юдин.
Упругая деформация
Упру'гая деформа'ция,деформация , которая исчезает при снятии нагрузки. Для этого деформация не должна превосходить некоторого предела, называемого пределом упругости; в противном случаев теле наблюдаются остаточные деформации.
Упругая линия
Упру'гая ли'ния в сопротивлении материалов, условное название кривой, по которой изгибается ось балки (бруса) под действием нагрузки (под осью балки понимается линия, соединяющая центры тяжести её поперечных сечений). Зная уравнение У. л. и используя дифференциальные зависимости теории изгиба , можно для любого сечения балки определить не только величину прогиба , но и угол поворота, изгибающий момент и поперечную силу. Уравнение У. л. находят из т. н. приближённого дифференциального уравнения оси изогнутой балки, для решения которого используют как аналитические, так и графоаналитические способы. Последний особенно удобен, когда достаточно найти прогибы или углы поворота в отдельные точках балки, в этом случае исключается необходимость в получении аналитического выражения для У. л.
Лит. см. при ст. Сопротивление материалов .
Упругая муфта
Упру'гая му'фта, устройство для соединения по длине двух вращающихся частей машины (обычно валов ), компенсирующее относительное смещение их осей и удары при включении. Упругий элемент У. м. может быть металлическим (например, витая пружина) и неметаллическим (например, резиновое кольцо). См. также Муфта .
Упругие волны
Упру'гие во'лны, упругие возмущения, распространяющиеся в твёрдой, жидкой и газообразной средах. Например, волны , возникающие в земной коре при землетрясениях, звуковые и ультразвуковые волны в жидкостях и газах и др. При распространении У. в. происходит перенос энергии упругой деформации в отсутствии потока вещества, который имеет место только в особых случаях, например при акустическом ветре. Всякая гармоническая У. в. характеризуется амплитудой и частотой колебания частиц среды, длиной волны, фазовой и групповой скоростями, а также законом распределения смещений и напряжений по фронту волны. Особенность У. в. состоит в том, что их фазовая и групповая скорости не зависят от амплитуды и геометрии волны (плоская, сферическая, цилиндрическая волны).
В жидкостях и газах, которые обладают упругостью объёма, но не обладают упругостью формы, могут распространяться лишь продольные волны разрежения – сжатия, где колебания частиц среды происходят в направлении её распространения. Фазовая скорость равна 
, где К — модуль всестороннего сжатия, r — плотность среды. Пример таких У. в. – звуковые волны (см. Звук ).
В однородной изотропной бесконечно протяжённой твёрдой среде могут распространяться У. в, только двух типов – продольные и сдвиговые. В продольных движение частиц параллельно направлению распространения волны, а деформация представляет собой комбинацию всестороннего сжатия (растяжения) и чистого сдвига. В сдвиговых волнах движение частиц перпендикулярно направлению распространения волны, а деформация является чистым сдвигом. Фазовая скорость продольных волн 
, сдвиговых – 
(G — модуль сдвига). На границе твёрдого полупространства с вакуумом, жидкостью или газом могут распространяться поверхностные Рэлея волны , являющиеся комбинацией неоднородных продольных и сдвиговых волн, амплитуды которых экспоненциально убывают при удалении от границы.
В ограниченных твёрдых телах (пластина, стержень), представляющих собой твёрдые волноводы акустические , распространяются нормальные волны . Каждая из них является комбинацией нескольких продольных и сдвиговых волн, которые распространяются под острыми углами к оси волновода и удовлетворяют (в совокупности) граничным условиям: отсутствию механических напряжений на поверхности волновода. Число нормальных волн в пластине или стержне определяется их толщиной или диаметром d, частотой нормальных волн f и модулями упругости среды. При увеличении fd число n нормальных волн, возможных в волноводе, возрастает; fd ® ¥, n ® ¥. Нормальные волны распространяются с дисперсией скоростей (см. Дисперсия звука ): при изменении fd от критических значений до бесконечности фазовые скорости нормальных волн, как правило, уменьшаются от бесконечности до ct , а групповые скорости возрастают от нуля до ct . От величины fd сильно зависит также распределение смещений и напряжений в волне по поперечному сечению волновода.
В бесконечной пластине существуют два типа нормальных волн: волны Лэмба и сдвиговые нормальные волны. Плоская волна Лэмба характеризуется двумя составляющими смещений, одна из которых параллельна направлению распространения волны, другая перпендикулярна граням пластины. По характеру распределения смещений относительно средней плоскости пластины волны Лэмба делятся на симметричные и антисимметричные. Частный случай симметричной волны Лэмба – продольная волна в пластине, а антисимметричной – изгибная волна. В плоской сдвиговой нормальной волне смещения параллельны граням пластины и одновременно перпендикулярны направлению распространения волны. Простейший вид такой волны – нормальная волна нулевого порядка, в которой смещения одинаковы во всех точках поперечного сечения пластины.
В цилиндрических стержнях могут распространяться нормальные волны продольного, изгибного и крутильного типа, причём если толщина стержня мала по сравнению с длиной волны, то в нём может распространяться только по одной нормальной волне каждого типа.
В анизотропных средах (кристаллах) свойства У. в, и возможность её существования зависят от класса кристалла и направления распространения. В частности, чисто продольные и чисто сдвиговые волны могут распространяться только в кристаллах определённых симметрий (см. Симметрия кристаллов ) и по определённым направлениям, как правило, совпадающим с направлением кристаллографичесих осей. В общем случае в кристалле по любому направлению всегда распространяются У. в. с тремя различными скоростями: одна квазипродольная и две квазипоперечные волны, в которых преобладают соответственно продольные или поперечные смещения.
Из-за внутреннего трения и теплопроводности среды распространение У. в. сопровождается её затуханием с расстоянием (см. Поглощение звука ). Если на пути У. в. имеется какое-либо препятствие (отражающая стенка, вакуумная полость и т.д.), то происходит дифракция волн на этом препятствии. Частный случай дифракции – отражение и преломление У. в. на плоской границе двух полупространств.
В У в. напряжения пропорциональны деформациям (т. е. удовлетворяется Гука закон ). Если амплитуда деформации в волне столь велика, что напряжение превосходит предел упругости вещества, то при прохождении волны в веществе появляются пластические деформации и её называют упруго-пластической волной . В жидкости и газе аналогичную волну называют волной конечной амплитуды.
Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Теория упругости, 3 изд., М., 1965 (Теоретич. физика, т. 7); Кольский Г., Волны напряжения в твердых телах, пер. с англ., М., 1955; Морз Ф., Колебания и звук, пер. с англ., М. – Л., 1949; Бреховских Л. М., Волны в слоистых средах, 2 изд., М., 1973; Викторов И. А., Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике, М., 1966.
И. А. Викторов.
