книги из ГПНТБ / Егоров С.В. Основы автоматики и телемеханики. Конспект лекций учеб. пособие

Под редакцией проф. К. В.

ЕГОРОВА

Мооива

1973

П Р Е Д И С Л О В И Е

В

о с н о в у даиного

у ч е б н о г о

пособия

д о л о ж е н

конспект1

курса

л е к ц и й « О с н о в ы

автоматики

и

телемеханики»,

читае­

мого

автором

на

вечернем

ф а к у л ь т е т е

э л е к т р и ф и к а ц и и и

автоматизации

п р о м ы ш л е н н о с т и

и

т р а н с п о р т а

Московского

ордена

Л е н и н а

энергетического

института .

Часть

курса

посвящена

р а с с м о т р е н и ю

элементов

авто­

матики,' не вошедших в специальные курсы,

читаемые

студентам

у к а з а н н о г о

факультета,

элементов

автоконтроля

и телемеханики .

О с н о в н о й

материал

книги занимает

теория

автоматиче­

ского

регулирования,

при

этом

рассматриваются

только

л и н е й н ы е

системы

регулирования

одной

переменной .

В . э т о й

части

рассмотрены:

1)

основные

п р и н ц и п ы

и

способы

регулирования;

2) основные методы аналитического описания системы

регулирования

и ее

элементов;

3)

структурный

метод

анализа,

п о з в о л я ю щ и й

представ­

лять . с л о ж н ы е

системы

регулирования

в

виде

соединения

п р о с т е й ш и х (элементарных)

звеньев;

4) частотный метод анализа и синтеза систем регулиро ­

вания,

п о з в о л я ю щ и й

проводить

исследование

устойчивости

и качества

систем,

а

т а к ж е корректировать

и х

в

соответст­

вии с техническими условиями на

систему.

П е р е д

автором

стояла

довольно

с л о ж н а я задача удовлет ­

ворить

м н о г о о б р а з н ы е

интересы

студентов,

с п е ц и а л и з и р у ю ­

щихся

в

области

электропривода и

автоматизации

промыш ­

л е н н ы х установок,

э л е к т р о с н а б ж е н и я

п р о м ы ш л е н н ы х

пред ­

приятий,

городского

электрического

транспорта,

электриче ­

ской тяги и автоматизации тяговых устройств,

э л е к т р о т е р ­

мических

установок .

П о н и м а я ,

что

предлагаемое

у ч е б н о е

п о с о б и е

далеко

от

совершенства,

автор

будет

п р и з н а т е л е н

за отзывы и замечания .

О с о б у ю

благодарность

автор

выра­

ж а е т

Егорову

К.

В.,

а т а к ж е

Б а л т р у ш е в и ч у

А.

В.,

Крав ­

ц о в у

И .

Е., Д о ц е н к о

В. И.,

Д о л о т о в у В. Г., чьи

замечания

были весьма полезны при работе над этим у ч е б н ы м

посо ­

бием.

Ч А С Т Ь П Е Р В А Я

Г л а в а

1

О Б Щ А Я Х А Р А К Т Е Р И С Т И К А С И С Т Е М

А В Т О М А Т И К И И Т Е Л Е М Е Х А Н И К И

§

1-1. Введение . О с н о в н ы е - п о н я т и я

О с н о в н ы м

назначением систем

автоматики

и телемеха ­

н и к и

является замена человеческого труда

машинным .

В П р о г р а м м е

К П С С у к а з а н н о м у

п р о ц е с с у придается боль­

ш о е

значение:

«Автоматизация и

м е х а н и з а ц и я

производст ­

ческого прогресса

в н а ш е й

стране».

В

своей

п р а к т и ч е с к о й

деятельности

человек

сталки­

вается с тем или иным устройством, процессом,

мысленно

выделяя

его

из

о к р у ж а ю щ е й

среды.

П р и

т а к о м

выделении

наблюдаемого

м о ж н о

отметить

н е к о т о р ы е

объекты

наблю­

дения

(исследования).

Указанные

объекты

подвергаются

воздействиям

со стороны о к р у ж а ю щ е й

среды

и

сами

оказы ­

вают

воздействия

на

нее .

Если

н е к о т о р ы е

воздействия

объекта

на

о к р у ж а ю щ у ю

среду

представляют

какой - либо

интерес, и мы желаем, чтобы эти воздействия

имели

опре ­

деленный

х а р а к т е р

или

изменялись

п о

о п р е д е л е н н ы м

законам,

то

у к а з а н н ы й

объект

н а б л ю д е н и я

выступает у ж е

как объект управления

(ОУ).

П о н я т н о ,

что

класс

объектов

н а б л ю д е н и я

ш и р е

класса

объектов

управления,

поскольку

н е к о т о р ы е

н а б л ю д а е м ы е

объекты

могут

оказаться

неуправляемыми

и л и

не

подлежа ­

щ и м и

у п р а в л е н и ю . Однако,

если

н е

рассматривать в о о б щ е

н е у п р а в л я е м ы х

объектов, _ то

о б а

эти

класса

совпадают,

и р а з л и ч и е - в

т е р м и н о л о г и и

соответствует

лишь

различным

э т а п а м п р а к т и ч е с к о й

деятельности

человека,

которая

укла ­

дывается

в л е н и н с к у ю

ф о р м у л у :

« О т

ж и в о г о

,созерцания —

к абстрактному

м ы ш л е н и ю ,

и

от

него — к

практике* .

/2

— и з м е н е н и е твердости обрабатываемого материала;

/з, /4, ...

— и з н о с механизмов станка, его э л е к т р и ч е с к и х эле -

П р и м е р

1-2.

Э л е к т р и ч е с к а я

нагревательная

печь

м о ж е т

быть охарактеризована следующими п е р е м е н н ы м и :

г/i

— температура

п о м е щ е н н о й

в

печь

заготовки

(для

про ­

стоты

м о ж н о

не

интересоваться

пространственным

рас ­

и\

пределением

т е м п е р а т у р ы ) ;

— количество

подводимой

к

печи

э л е к т р о э н е р г и и ;

21

— н а п р я ж е н и е

сети;

2 2

— объем

или

вес заготовки;

/1

— и з м е н е н и е

т е п л о и з о л я ц и и

л е ч и

( и з н о с

и

выгорание

ф у т е р о в к и и т. п . );

fz — и з м е н е н и е

теплоемкости заготовок в зависимости от

к о л е б а н и й

свойств

м а т е р и а л а

и

т. д.

П р и автоматическом

у п р а в л е н и и

(без

участия

человека)

ф у н к ц и и

и з м е н е н и я

у п р а в л я ю щ и х

воздействий

ОУ

п р и н и ­

мает

на

себя

у п р а в л я ю щ е е

устройство

УУ ( р е г у л я т о р ) .

Совокупность

объекта

у п р а в л е н и я

и

у п р а в л я ю щ е г о

устрой ­

ства

образует

систему

автоматического

управления

(регу­

лирования)

(САУ

или

С А Р ) , блок-схема

к о т о р о й

в о б щ е м

случае имеет вид рис . 1-2,а,

где

Yq — ж е л а е м ы й

характер

изменения

выходных

п е р е м е н н ы х

О У

(вектор

уставок,

з а д а ю щ и х воздействий)

о т р а ж а е т

цель управления .

Для того

чтобы понять, к а к и е

ф у н к ц и и

приходится

вы­

полнять УУ в САУ, рассмотрим

п р и з н а к и

воздействия:

1)

энергетический,

х а р а к т е р и з у ю щ и й

способность

воз ­

действия

нести

э н е р г и ю ;

он

в а ж е н

п р и

получении,

преоб ­

р а з о в а н и и

и

передаче

,энергии;

s

2)

метаболический,

х а р а к т е р и з у ю щ и й

м а т е р и а л ь н у ю

сто­

р о н у воздействия;

он

важен

п р и

п р е о б р а з о в а н и и

.вещества,

его количества,

ф о р м ы

и

п о л о ж е н и я ; "

3)

информационный,

х а р а к т е р и з у ю щ и й

способность

воз-

дейстрия

быть

носителем

информации.

Воздействия,

н е с у щ и е и н ф о р м а ц и ю ,

н а з ы в а ю т

сигна­

лами.

Сигнал

обычно

х а р а к т е р и з у ю т

в

виде

н е к о т о р о й

ф у н к ц и и

времени .

В т е о р и и

систем

автоматического

у п р а в л е н и я

и

связи

в а ж н а только

третья,

и н ф о р м а ц и о н н а я

сторона

воздействий .

П о э т о м у ясно,

что о с н о в н о й

ф у н к ц и е й

УУ

в САУ

является

п р е о б р а з о в а н и е

и

обработка

и н ф о р м а ц и и

об

о б ъ е к т е

у п р а в л е н ия

с

ц е л ь ю о п р е д е л е н и я

законов

управления

объектом .

Т а к и м образом, как п о к а з а н о

на

рис. 1-2,а,

н а вход

УУ

поступает и н ф о р м а ц и я

о

действительном

a)

S)

Рис.

1-2.

а —структура

системы

автоматического

управления;

>

б — структура управляющего

устройства

состоянии объекта, характеризуемом переменной . У,

и н ф о р ­

мация

о ж е л а е м о м

состоянии

объекта

Y0

и

и н ф о р м а ц и я

о

д е й с т в у ю щ и х

на

объект

в о з м у щ е н и я х

Z. П о с к о л ь к у

воздей ­

ствия

У h.Z

могут

иметь

р а з л и ч н у ю

ф и з и ч е с к у ю

природу

(см. п р и м е р ы

1-1,. 1-2);

то

вначале

н е о б х о д и м о

и х

преоб ­

разовать в величины, у д о б н ы е

для

о б р а б о т к и

в

вычисли­

тельном

устройстве

В У ' ( р и с .

1-2,6).

Т а к и м и

преобразова ­

телями

являются

чувствительные

элементы — датчики,

сово­

купность

которых

образует

чувствительное

устройство

(ЧУ).

Вычислительное

устройство

по

п о с т у п а ю щ е й

в

него

и н ф о р м а ц и и

ф о р м и р у е т

законы

у п р а в л е н и я

п о

правилам

(алгоритмам),

которые

в

него

з а л о ж е н ы

конструктором .

Н а й д е н н ы е

законы

управления

п р е о б р а з у ю т с я

в

различные

п о ф и з и ч е с к о й

п р и р о д е

у п р а в л я ю щ и е воздействия

с

по­

мощью

исполнительных

устройств

(ИУ).

Д а л е е будут

рассмотрены только

системы

регулирования

о д н о й величины у (одномерные

С А Р ) .

,

В зависимости от ж е л а е м о г о

характера

изменения

регу­

л и р у е м о й п е р е м е н н о й р а з л и ч а ю т :

а)

системы

автоматической

стабилизации,

в

которых

регулируемая

величина д о л ж н а

поддерживаться

п о с т о я н н о й

г / о = c o n s t ;

б)

системы

программного

регулирования,

в

которых

регулируемая величина д о л ж н а изменяться

п о

заранее

известному

закону

yon(t);

в)

следящие

системы,

в

которых

регулируемая

величина

д о л ж н а изменяться

по з а р а н е е

неизвестному

з а к о н у

yon(t);

г)

система

экстремального

регулирования,

в

которых

регулируемая

величина д о л ж н а

поддерживаться

максималь-

н о й

(или минимальной)

у0-+тах

(min),> причем

это

значе­

н и е

м о ж е т быть

заранее

неизвестным .

В связи со стремлением наилучшим образом

управлять

объектами

.привлекательна

задача

создания

оптимальных

САР,

в ы п о л н я ю щ и х

свои

ф у н к ц и и

наилучшим

образом,

с точки з р е н и я

выбранного критерия

качества.

П о с к о л ь к у

условия работы СА Р могут меняться

в зависимости от воз­

м у щ е н и й

на ОУ, то

м о ж е т

оказаться,

что оптимальная

СА Р

т а к ж е д о л ж н а

менять

во

времени

х а р а к т е р и с т и к и

своего

метры

этих алгоритмов) . О б ы ч н о в

С А Р

н е з а л о ж е н а

воз ­

можность

автоматически

изменять

х а р а к т е р и с т и к и

УУ,

однако

в

последние годы

большое

в н и м а н и е п р и в л е к а ю т

адаптивные

САР (самонастраивающиеся

системы автомати­

ческого

у п р а в л е н и я ) ,

к о т о р ы е

автоматически

и з м е н я ю т

(настраивают)

х а р а к т е р и с т и к и

УУ

таким

образом,

чтобы

р а б о т а САР, оцениваемая

по выбранному

к р и т е р и ю

каче­

ства,

была наилучшей [1].

§ 1-2.

О с н о в н ы е п р и н ц и п ы

автоматического регулирования

Р а з л и ч а ю т два основных

п р и н ц и п а регулирования:

регу­

лирование

по

отклонению

( п р и н ц и п

П о л з у н о в а

(1765) —

Уатта

(1785) и

регулирование

по

возмущению

( п р и н ц и п

Понселе).. Рассмотрим

эти п р и н ц и п ы .

П р и

регулировании

по

отклонению

действительное зна­

значением, и у п р а в л е н и е ф о р м и р у е т с я в

УУ (регуляторе)

в зависимости

от

отклонения

(ошибки

регулирования)

е~Уо—у

(рис.

1-3,а).

П о с к о л ь к у

в этом

случае произво ­

типа

получили

н а з в а н и е

замкнутых

САР.

Ка к

видно

из

блок-схемы т а к о й системы,

в н е й

имеется

цепь

обратной

связи

(о. с ) ,

по

к о т о р о й

и н ф о р м а ц и я с

выхода

С А Р

о ,.

состоянии ОУ

поступает

на вход

системы

для

сравнения

с

и н ф о р м а ц и е й

о

ж е л а е м о м

состоянии .

Заметим,

что

в

ряде

случаев для улучшения

( к о р р е к ц и и )

свойств

.САР

в

н е й

главной

( и н ф о р м а ц и о н н о й )

о б р а т н о й

овязи,

н а з ы в а ю т

к о р р е к т и р у ю щ и м и . Т а к и м образом, в л и я н и е

в о з м у щ е н и й z

на р е г у л и р у е м у ю

величину

у компенсируется

в

з а м к н у т о й

С А Р и з м е н е н и е м

у п р а в л я ю щ е г о воздействия

и,

зависящего

от отклонения е.

П р и

регулировании по

возмущению

у п р а в л е н и е

выра.-

батывается лишь

на о с н о в е

ж е л а е м о г о

и з м е н е н и я

регули -