книги из ГПНТБ / Востров М.В. Основы авиационной автоматики

В В Е Д Е Н И Е

Роль автоматики в жизни современного общества огромна. Эта роль еще более существенна для социалистического обще­ ства в наши дни, когда наша Родина вступила в период развер­ нутого строительства коммунизма.

Ведущая роль в деле создания материально-технической ба­ зы коммунизма принадлежит автоматике. Нельзя себе мыслить всемерного повышения производительности труда, создания высокого технического уровня производства без широкого внед­ рения комплексной механизации и автоматизации производства.

В важнейших исторических документах последнего' десяти­ летия — решениях XX и XXII съездов и Программе КПСС — отведено чрезвычайно большое внимание вопросам техническо­ го прогресса как средства в борьбе за подлинно коммунистиче­ скую производительность труда.

Исключительно важная роль автоматики в укреплении обо­ роноспособности нашей страны. Советская Армия с каждым годом оснащается все новым и новым современным оружием. Современное оружие — это прежде всего комплексы автомати­ зированных средств, эффективность действия которых пол­ ностью зависит от умелой, грамотной и четкой их эксплуатации.

Настоящий курс и ставит своей целью обеспечить подготов­ ку слушателей в области элементов автоматических устройств, теории автоматического управления и принципов построения различных классов автоматических систем.

В литературе приводится много различных определений ав­ томатики как науки. Одно из этих определений мы здесь приводим.

Автоматика — это отрасль науки и техники, разрабатываю­ щая методы и средства для облегчения физического, а в послед­ нее время и умственного труда человека.

Несмотря на большое многообразие процессов, которыми управляют люди, в их действиях в процессе управления можно ' усмотреть ряд общих закономерностей.

Главные закономерности процесса управления можно про­ следить на примере ручного управления курсом самолета (маршрутный полет). Положение самолета на маршруте опре­ деляется заданным курсом ф3 •

3

Во время полета на самолет действуют различные силы, стре­ мящиеся отклонить самолет от заданного курса.

Для того чтобы иметь возможность вмешаться в процесс по­ лета, летчик должен иметь сведения о курсе самолета. Эти сведения летчик получает от соответствующей группы приборов. Заметив, что действительный курс самолета фд отличается от заданного, т. е. имеется отклонение Дф = ф3—фд, летчик воздей­

ствует на рулевые органы таким образом, чтобы устранить это отклонение.

Таким образом, мы получаем функциональную схему рас­ смотренного ручного управления самолетом (фиг. 1).

Возмущающие сипы

ляемого процесса называется физическая величина, характери­

причин, способных вызвать изменения в протекании управляе­ мого процесса (потоки воздуха, неравномерная тяга двигате­ лей, нагрузка и т. д.).

На простейшем примере мы убедились, что для осуществле­ ния процесса управления необходимо иметь соответствующие сведения о процессе или состоянии объекта.

Любая совокупность сведений, первичным источником кото­ рых является опыт, называется информацией.

Информация играет определяющую роль в процессах управ­ ления. Средства получения информации являются, обычно, важ­ нейшими звеньями системы управления.

Классическая теория информации дает строгое определение количества информации.

4

Мы далее используем только качественную сторону поня­ тия «информация» для классификации систем управления.

При классификации систем управления информацию следу­ ет разделять на два вида: необходимую начальную или априор­ ную информацию и рабочую информацию. Начальная или апри­ орная информация — это совокупность сведений об управляе­ мом процессе и системе, необходимая для построения и функ­ ционирования данной системы автоматического управления и

имеющаяся в нашем распоряжении до начала функционирова­ ния системы.

Так, например, для построения обычного автопилота необ­ ходимо знать уравнение движения самолета, его аэродинамиче­ ские коэффициенты на различных режимах полета и ряд дру­ гих сведений. Это и будет., начальная информация при проекти­ ровании автопилота. Если в процессе управления изменение свойств управляемого процесса не подвергается определению (измерению), то для построения автоматической системы необ­ ходимо детальное, точное знание характеристик управляемо­ го процесса. Подобную информацию называют полной началь­ ной информацией.

Системы, требующие для их построения и функционирова­ ния полного объема сведений или полной начальной информа­

ции, будем называть в дальнейшем несамонастраивающимися системами.

Если необходимая для построения и функционирования си­ стемы управления совокупность начальных сведений об управ­ ляемом процессе составляет при всех прочих равных условиях лишь некоторую часть полной начальной информации, то необ­ ходимую начальную информацию называют неполной.

Системы с неполной необходимой начальной информацией называют самонастраивающимися.

Этот класс систем сейчас бурно развивается, совершенст­ вуется и внедряется в практику как более совершенный тип си­ стем автоматического управления.

Вторым признаком, по которому можно проводить далее классификацию систем автоматического управления, есть поня­ тие рабочей информации.

Рабочей информацией называется совокупность сведений о состоянии процесса, используемых в самом процессе управ­ ления.

В автопилоте, стабилизирующем курс, крен, тангаж, рабочей информацией являются отклонения этих параметров от задан­

использующие принцип отклонения;

5

зуется принцип отклонений; рабочей информацией здесь явля­ ются отклонения координат управляемого процесса от заданных значений. На примере уже рассмотренного процесса управления самолетом посмотрим, каким образом можно было бы автома­ тизировать эту операцию по замкнутой схеме управления. Для автоматизации процесса управления самолетом необходимо, очевидно, устранить из этого процесса летчика, приборы конт­ роля и ручное управление рулями и создать вместо этого авто­ матическое устройство, выполняющее те же операции.

Прежде всего необходимы датчики информации или измери­ тельные устройства, которые восприняли бы и замерили откло­

нение координат от заданных значений.

Заданное значение управляемых величин часто называют управляющим воздействием.

Далее, если это необходимо, сигнал отклонения усиливает­ ся и преобразуется с помощью исполнительных устройств в пе­ ремещение управляющего органа (в нашем случае — руля на­ правления) .

Отклонение управляющего органа вызывает изменение уп­ равляемой координаты (курса ^д) таким образом, что откло­

нение Дф = Фз — Фд сводится к нулю.

Мы приходим, таким образом, к функциональной схеме системы автоматического управления (САУ), работающей по принципу отклонения и показанной на фиг. 2.

Ф и г 2

Характерной особенностью систем, работающих по отклоне­

ее значением и для выработки управляющего сигнала. При на­ личии обратной связи мы имеем замкнутый контур прохожде­ ния сигналов, что условно показано стрелками на функциональ­ ной схеме.

6

Если требуется предварительное усиление сигнала отклоне­ ния, то мы имеем дело с регуляторами косвенного действия.

Поскольку мы далее, помимо термина «управление», будем поль­ зоваться и термином «регулирование», необходимо дать опре­ деление последнего.

Регулирование является частным случаем управления, при

котором желаемое течение процесса достигается путем стаби­ лизации одной или нескольких физических величин относитель­ но их заданных значений (постоянных или переменных).

По виду рабочей информации, а именно, по той ее части, ко­ торая определяется характером управляющего воздействия, замкнутые системы автоматического регулирования (САР) раз­ деляются на три группы:

1)системы стабилизации;

2)системы программного регулирования;

3)следящие системы*

В системах стабилизации заданные значения регулируемых величин постоянны. В системах программного регулирования заданные значения регулируемых величин изменяются по опре­ деленной программе. В следящих системах заданные значения регулируемых величин в определенных пределах изменяются произвольным, заранее неизвестным образом.

Указанный на схеме фиг. 2 состав элементов простейшей системы автоматического управления часто оказывается недо­ статочным для получения хороших характеристик управления.

Для обеспечения требуемой устойчивости, точности и других показателей управления в систему вводят специальные элемен­ ты, называемые стабилизирующими или корректирующими уст­ ройствами. Корректирующие устройства разделяются на после­

довательные и параллельные. На функциональной схеме фиг. 3 показано включение последних в контур.

Ф и г. 3

7

Принцип построения несамонастраивающихся САР по откло­ нению не является единственным.

Можно создать системы, рабочей информацией, в которых бу­ дут являться управляющие или возмущающие воздействия. Это так называемые разомкнутые системы. Они разделяются на

системы компенсации и разомкнутые системы программного управления.

Системы компенсации предназначены для уменьшения влия­ ния возмущающих воздействий на регулируемый процесс или объект путем измерения этих воздействий и компенсации их влияния за счет обратного искусственного воздействия на процесс.

Рабочей информацией в системах компенсации является воз­ мущающее воздействие. Рассмотренный ранее процесс управ­ ления курсом самолета можно было бы автоматизировать по схеме компенсации возмущений следующим образом: при помо­ щи соответствующих измерительных устройств измерить возму­ щающие воздействия, преобразовать и усилить полученнуТо рабочую информацию и в заранее установленном соответствии сформировать такой сигнал воздействия на объект, чтобы осу­ ществить компенсацию возмущений. Функциональная схема си­ стемы компенсации представлена на фиг. 4. Как видно, в систе­ ме компенсации нет связи выхода со входом, т. е. здесь нет замкнутого контура прохождения сигнала.

В озм ущ аю щ ее Ьоэдейстбие

Фи г. 4

Втакого типа системах отсутствует возможность потери устойчивости, самовозбуждения и других неприятных явлений. Однако в систему компенсации также могут быть введены кор­ ректирующие устройства с целью улучшения ее свойств. Для своего построения и функционирования системы компенсации

требуют большого объема начальной информации, даже боль­ шего, чем в системах, работающих по принципу отклонений. Необходимость иметь большой объем начальной информации, а также трудности получения рабочей информации о всех воз­ мущающих воздействиях ограничивают применение систем ком­ пенсации.

8

Разомкнутые системы программного управления в качестве рабочей информации используют информацию о последователь­

Разомкнутые системы программного управления выполняют заданную последовательность действий, не зависящих от полу­ чаемого результата. К разомкнутым системам программного управления относятся различного рода автоматы в обрабаты­ вающей промышленности.

Автомат запуска авиационного двигателя является типич­ ным примером такой системы.

Часто принцип компенсации используется в сочетании с принципом отклонений. В этом случае мы получаем так назы­ ваемую комбинированную систему.

Примером. такой системы может служить система регулиро­ вания напряжения генератора с дополнительным компаундиро­ ванием.

Схема комбинированной системы управления приведена на фиг. 5.

Возмущающие

воздействия

Ф и г. 5

Мы здесь достаточно подробно остановились на принципе действия и классификации иесамонастраивающихся систем. Классификацией самонастраивающихся систем, выяснением осо­ бенностей их структуры и действия мы пока заниматься не бу­ дем. Эти вопросы целесообразнее рассмотреть в специальной теме программы, Здесь мы пока приводим полную схему клас­ сификации (фиг. 6) без выяснения ее части, относящейся к са­ монастраивающимся системам.

Классификация систем автоматического управления по при­ знаку начальной и рабочей информации не исключает класси­ фикацию систем по другим признакам (функциональному на­ значению, по виду дифференциальных уравнений, описывающих систему и т. д.).

Такого рода классификацию мы будем вводить постепенно по мере прохождения курса.

9