Предисловие

Г л а в а 1

ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ

ВТЕХН И ЧЕСКИ Х СИ СТЕМАХ

1.1.Основные понятия и определения

Любая автоматическая система состоит из двух основных ча­ стей: объекта управления и управляющего устройства (регулятора). Объект управления (регулирования) - это устройство, машина или какая-нибудь техническая система, в которой необходимо поддер­ живать либо изменять по заданному закону значение одной или не­ скольких регулируемых величин (ракета, артиллерийское орудие, электрический генератор и др.). Управляющее устройство - обыч­ но это комплекс устройств, с помощью которых осуществляется автоматическое регулирование рабочего процесса (автопилоты са­ молетов и ракет, стабилизаторы танковых пушек, регуляторы напряжения генераторов и т. д.).

Состояние объекта определяется рядом величин. Те из них, по которым ведется управление, называются управляемыми (регули­ руемыми, выходными). Например, управляемой величиной у раке­ ты могут быть углы курса, крена и тангажа, у орудия - углы верти­ кального и горизонтального наведения, у генератора - напряжение. Требуемое значение управляемой величины определяется задаю­ щим (входным) воздействием, которое подается на вход регулятора.

Кроме этого, управляемые (выходные) величины изменяются под влиянием других возмущающих воздействий (помех), которые приводят к непланируемым изменениям выходной величины (вли­ яние порывов ветра на угловое движение ракеты, влияние колеба­ ний танка на орудие, влияние изменения нагрузки тока на напря­ жение генератора и т. п.). Возмущающие воздействия могут воз­ никнуть и функционировать внутри самой автоматической системы в результате нарушения нормальной работы ее отдельных элемен­ тов.

Задачей системы автоматического управления является ком­ пенсация влияния всех возмущающих воздействий и поддержания требуемого значения управляемой величины.

Системы автоматического регулирования (САР) могут быть построены с использованием следующих принципов [2, 3]:

1)управление по разомкнутому циклу;

2)управление по замкнутому циклу (по отклонению, с обрат­ ной связью);

3)комбинированное управление.

Рис. 1.1. Схема разомкнутой системы управления

В разомкнутых системах управления (рис. 1.1) действительное значение управляемой (выходной) величины Хвых(t) не контролиру­ ется. Задающее воздействие (входной сигнал) Xm(t) обеспечивается оператором или соответствующей программой. Управляющее воз­ действие (регулирующее) Xp(t) регулятора формируется с учетом информации о некоторых основных контролируемых возмущаю­ щих воздействий F(t), поэтому такие системы часто называются системами управления по возмущению. Точность работы таких си­ стем может оказаться не всегда удовлетворительной.

F{t)

Рис. 1.2. Схема замкнутой системы управления

В замкнутых системах управления (рис. 1.2) действительное значение управляемой величины XBblx(t) контролируется, и инфор­ мация о ней используется для формирования управляющего воз­ действия Xv(t) путем передачи на регулятор с помощью главной обратной связи.

Отличительной особенностью замкнутых систем является их универсальность. Любое отклонение управляемой величины Хвыx(t) от заданного значения XBX(t) вызывает появление управляющего воздействия XJt) , направленного на ликвидацию этого отклоне­ ния. Такие системы часто называют системами управления по от­

Задающее устройство создает сигнал, определяющий желаемое значение регулируемой величины. Конструктивно оно может быть выполнено в виде потенциометров, размещенных в пультах управ­ ления, профильных кулачков, счетно-решающих устройств и т. д.

Измерительный или чувствительный элемент служит для из­ мерения регулируемой величины. Измерение - это создание сигна­ ла, точно соответствующего в каждый момент времени значению измеряемой величины. В комбинированных системах измеряется еще и возмущение. Чувствительный элемент от измерительного отличается меньшим диапазоном измеряемой величины, но боль­ шей мощностью выходного сигнала.

Элемент сравнения определяет отклонения регулируемой ве­ личины от заданного значения и создает сигнал рассогласования. Чаще всего это простейшее арифметическое устройство, вычитаю­ щее сигнал обратной связи из сигнала задающего устройства. Им может быть входная часть усилителя. Он повышает мощность сиг­ нала за счет использования энергии от какого-то постороннего ис­ точника. В конструктивном исполнении и принципы их работы мо­ гут быть самыми разнообразными: электронные (ламповые и полу­ проводниковые), магнитные и вибрационные, электромашинные (ЭМУ), гидро- и пневмоусилители и др. Корректирующие элемен­ ты и устройства обеспечивают устойчивость системы и необходи­ мое качество регулирования. Они создают желаемый закон регули­ рования, входят в состав регулятора. Используются последователь­ ные и параллельные (за счет обратных связей) корректоры.

Исполнительный элемент - это оконечный усилитель регуля­ тора САР, осуществляющий непосредственное воздействие на объ­ ект регулирования или его регулирующий орган (рули, заслонки). В качестве исполнительных устройств используются электродвига­ тели постоянного и переменного тока, шаговые двигатели, гидро­ двигатели с дроссельным и объемным управлением, пневматиче­ ские и газовые устройства, механические передачи.

Классификация систем автоматического ругулирования:

1.По принципу управления:

-замкнутые, разомкнутые, комбинированные САР.

2.По назначению, в зависимости от закона задающего воздей­

ствия:

-системы стабилизации. Задающее воздействие определяется постоянной величиной XBX(t)=const, причем основной режим рабо­ ты системы направлен на уменьшение или полное устранение оши­ бок, вызываемых возмущающими воздействиями. Эти системы

управления, и принимающего потенциометра Пп, движок которого связан с осью вращения антенны. Если положение потенциометров согласовано (аз = ап), то напряжение Дм = м3 -м п, система находит­ ся в состоянии покоя. При изменении положения движка потен­ циометра П3 на входе усилителя появится напряжение Дм , величи­ на и полярность которого будут определяться рассогласованием (ошибкой) Да = а 3- а п. Усилитель приводит в действие исполни­ тельный элемент (электродвигатель с редуктором), который произ­ водит перемещение антенны. Перемещение происходит до тех пор, пока движок потенциометра Пп не займет согласованное положе­ ние с движком потенциометра П3, при котором Дм = 0 .

Следовательно, эта следящая система позволяет дистанционно управлять положением антенны за счет перемещения движка по­ тенциометра П3. Тахогенератор ТГ обеспечивает обратную связь по скорости вращения вала электродвигателя ЭД. Необходимо заме­ тить, что одна и та же система автоматического управления может работать в каждом из указанных режимов. Например, системы электромашинного и электрогидравлического приводов танкового орудия, работающие в режимах стабилизатора и следящей систе­ мы, при необходимости могут легко обеспечить и программное управление.

3.По характеру формирования и виду передаваемых сигналов:

-системы непрерывного управления - передаваемые по кон­ туру сигналы являются непрерывными функциями времени X(t) (рис. 1.6, а)\

-системы с гармонической модуляцией сигналов - содержатся элементы, которые при непрерывном изменении задающего воз­ действия модулируют (изменяют) гармонический сигнал с несущей частотой, специально создаваемый в регуляторе. При этом изме­ няется один из параметров гармонического сигнала: амплитуда (рис. 1.6, б), частота (рис. 1.6, в) или фаза. В соответствии с откло­ нениями какого-либо из этих параметров формируется регули­ рующее (управляющее) воздействие, которое обычно имеет вид непрерывного сигнала. Элементы, осуществляющие модуляцию, называются модуляторами, а элементы, преобразующие модулиро­

ванный сигнал в непрерывный - демодуляторами;

-системы дискретного управления (импульсные, релейные) -

вних содержатся элементы, которые формируют сигналы в виде периодической последовательности импульсов. При этом также из­ меняется один из параметров: амплитуда (рис. 1.6, г), длительность или широта (рис. 1.6, д) и частота повторения импульсов (рис. 1.6, е).

В релейных системах, благодаря наличию специальных эле­ ментов (реле), производится квантование сигналов по уровню (рис. 1.6, ж).

4. По числу управляемых величин:

-системы с одной управляемой величиной (одноканальные);

-системы с несколькими управляемыми величинами (много­ канальные). Примером многоканальной САР может служить си­ стема управления артиллерийским орудием (управление по углу возвышения и азимуту).

5.По виду дифференциальных уравнений, описывающих про­ цессы управления:

-линейные САР (процессы описываются линейными уравне­ ниями);

-нелинейные САР (процессы описываются нелинейными урав­ нениями).

6.В зависимости от ошибки в установившемся режиме при постоянном внешнем воздействии (управляющем или возмуща­ ющем);

- статические САР, в которых при постоянном внешнем воз­

действии ошибка в установившемся режиме равна постоянному значению, зависящему от величины воздействия;

- астатические САР, где эта ошибка равна нулю, вне зависимо­ сти от величины воздействия.

В статических САР нет интегрирующих звеньев. Если есть ин­ тегрирующие звенья, то САР будет астатической по отношению к входному воздействию. Число этих звеньев определяет порядок астатизма системы. Точность работы САР зависит от наличия ин­ тегрирующих звеньев в структурной схеме.

7.По реакции на изменения внешних условий работы:

-^приспосабливающиеся - регулятор не учитывает измене­ ния, например, окружающей среды;

-приспосабливающиеся (адаптирующиеся) - в зависимости от внешних условий происходят контролируемые изменения свойств регулятора.

8.По количеству каскадов усиления:

-однокаскадные - командное устройство непосредственно управляет рабочим органом или регулируемым объектом;

-многокаскадные - имеется несколько усилителей.