1.2. Узлы с дистанционно управляемыми аппаратами, комплектные аппараты
Для того, чтобы человек-оператор (ЧО) мог управлять передачей энергии по силовой электрической (ЭЦС) и по кинематической (КЦС) цепям электропривода, находясь на удалении от них, применяется система дистанционного управления с несколькими электроаппаратами, например, которая представлена структурной схемой на рис. 1.4.
В состав простой системы дистанционного управления (рис. 1.4) входит аппарат ручного управления АРУ и дистанционно управляемые аппараты АДУ1, АДУ2. Сигнал с АРУ в АДУ1 обычно передается по слаботочной электрической цепи – цепи управления ЭЦУ. Энергия, необходимая для передачи сигнала по ЭЦУ, вводится в цепь от источника электрической энергии. Соответствующее воздействие на цепь источником энергии, не является управляющим воздействием и отмечено на рис. 1.4 как ввод энергии ВЭ1. Аппарат АДУ1 является приемником электрической энергии и информации из ЭЦУ. Реагируя на входной электрический сигнал, АДУ1 воздействует на силовую электрическую цепь ЭЦС, для которой аппарат АДУ2 приемник электрической энергии и информации. Энергия в цепь ЭЦС передается воздействием ВЭ2 от источника электрической энергии силовой цепи. По входному сигналу из ЭЦС аппарат АДУ2 формирует на своем выходе механическое воздействие на кинематическую цепь КЦС. Источник энергии кинематической цепи создает воздействие ВЭ3.
В системе дистанционного управления на рис. 1.4 выделены два узла с аппаратами, выполняющими в совокупности определенные функции. С помощью аппаратов АРУ, АДУ1 осуществляется дистанционное управление передачей электроэнергии по силовой электрической цепи. Узел, состоящий из аппаратов АРУ, АДУ1, АДУ2, обеспечивает дистанционное управление передачей энергии по кинематической цепи.
Некоторые аппараты, например, АРУ и АДУ1 (см. рис. 1.4) могут быть объединены в единой конструкции. Тогда они в совокупности рассматриваются как один электроаппарат, который называют комплектным аппаратом. Например, в электроприводе комплектным аппаратом является пускатель (см. п. 3). Он предназначен для пуска, остановки и в некоторых исполнениях также для реверсирования электродвигателя. Структурная схема простого пускателя показана сплошными линиями на рис. 1.5.
В составе пускателя кроме узла с аппаратами ручного (АРУ) и дистанционного (АДУ) управления обычно предусматривают аппарат (АЗУ), который выполняет функцию автоматической защиты электродвигателя (ЭД) привода от токов перегрузки, вызывающих повышенный нагрев двигателя. При возникновении перегрузки двигателя АЗУ (например, тепловое реле) по цепи ЭЦУ подает аппарату АДУ (контактору) сигнал на отключение питания двигателя ЭД.
1.3. Особенности преобразования входных воздействий аппаратами
Входное воздействие х и выходное воздействие у (сигналы) электроаппарата характеризуются физическими величинами (переменными - силой, скоростью, электрическим напряжением и др.), изменяющимися во времени. Они представляются в виде функций времени x(t), y(t). Преобразование входного сигнала в выходное воздействие x(t) → y(t) характеризуется оператором Gt: y(t)= Gt[x(t)] (см. [1] п. 1.1). По характеру преобразования входного сигнала в выходное воздействие аппарат может рассматриваться как линейный или как нелинейный элемент системы управления.
Аппарат, характеризуемый оператором Gt, считают линейным элементом системы, если для него выполняется принцип суперпозиции1
y(t)=Gt [x(t)] = Gt [ c1 x1(t)+ c2 x2(t)] = c1 Gt [x1 (t)]+ c2 Gt [x2 (t)] ,
где x(t) – входной сигнал, представляемый в виде линейной комбинации двух входных сигналов x1(t) и x2(t); с1, с2 – любые действительные числа; y(t) - сигнал на выходе. Для такого аппарата статическая характеристика y=f(x) – характеристика управления представляет собой линейную функцию, например, y=k·x (k - размерный коэффициент).
Аппарат является нелинейным элементом системы, если принцип суперпозиции для его оператора Gt не выполняется. Его характеристика управления в этом случае нелинейная.
Реальные электроаппараты, строго говоря, в большинстве случаев нелинейные, и лишь в известных пределах их можно считать линейными. Так, например, закон Ома определяет линейную зависимость падения напряжения на сопротивлении от силы тока. Однако в действительности сопротивление проводника зависит от его температуры, которая в свою очередь зависит от
1 . См., например, Основы автоматического управления. Под редакцией В.С. Пугачева.- М, Физматгиз, 1961.
протекающего по проводнику тока. Вследствие этого зависимость падения напряжения от тока получается значительно более сложной и не линейной. Такого типа нелинейности называют слабыми (или гладкими) нелинейностями. Они при малом диапазоне изменения входного сигнала могут быть заменены линейными зависимостями.
Аппараты с существенными нелинейностями имеют характеристики управления, в которых зависимость выходной переменной от входной переменной представлена, например, в виде кусочно-постоянной функции. Преобразование любого входного сигнала такими нелинейными аппаратами всегда нелинейное. Существенные нелинейности имеют аппараты с коммутирующими контактами и электронными ключами на своих выходах. У некоторых аппаратов (например, с электромагнитными механизмами) выходная переменная у зависит не только от значения входной переменной х, но и от направления ее изменения, т. е. от знака скорости dx/dt (см. п. 4.1).
По классификации элементов систем управления в зависимости от количества входов и выходов электроаппараты могут рассматриваться как одномерные или как многомерные устройства. Одномерный электроаппарат имеет только один вход и только один выход. Многомерный аппарат имеет, по крайней мере, два входа или два выхода. Количество входов и выходов у многомерного аппарата может быть значительно больше двух. При выделении входов и выходов учитываются каналы связи аппарата с другими элементами системы, в которой он функционирует.
Рассмотренные в последующих разделах электроаппараты в большинстве являются нелинейными и многомерными элементами систем управления. К линейным элементам систем можно при определенных условиях отнести аппараты непрерывного действия1, которые рассмотрены в разделах 7 и 8.
1. Аппарат в составе технической системы считается аппаратом непрерывного действия, если его входные и выходные переменные представлены в непрерывной форме.