книги из ГПНТБ / Аграчев, Г. С. Основы автоматического управления учебник для высших военных командных учебных заведений Войск ПВО страны

Г л а в а 1

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

§ 1.1. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА УПРАВЛЕНИЯ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Автоматические системы (АС) используются для автомати­ ческого управления отдельными объектами, а также для конт­ роля за их состоянием.

Под управляемым объектом понимают объект, который осу­ ществляет управляемый процесс. Например, управляемым объектом может быть ракета, совершающая полет по опреде­ ленной траектории. Протекание процесса в управляемом объек­ те определяется алгоритмом функционирования данного объек­ та. Например, алгоритм функционирования может предписы­ вать движение ракеты по траектории, зависящей от характера движения цели и положения ее в пространстве относительно ракеты. Алгоритм функционирования может предписывать под­ держание управляемого процесса неизменным (обеспечивать постоянную высоту полета самолета) или изменение его по определенному закону.

К управляемым объектам могут быть отнесены самые раз­ личные устройства: электрические генераторы и двигатели, са­ молеты, ракеты, антенны радиолокационных станций, пусковые установки и т. д. Управляемыми объектами могут быть энерго­

управляемый объект нуждается в оказании на него специально организованных извне воздействий, характер которых опреде­ ляется алгоритмом управления.

Процесс, осуществляемый управляемым объектом, характе­ ризуется изменением одной или нескольких физических величин (параметров этого процесса). Так, процесс движения ракеты

10

по определенной траектории характеризуется изменением во времени ее координат.

Процесс выработки напряжения генератором определяется изменением величины этого напряжения во времени.

Физические величины, определяющие протекание управля­ емого процесса и выдаваемые на выходе системы, называются

ритмом функционирования, называется управляемой величи­ ной.

Для автоматического управления важное значение имеет влияние на АС внешней среды, под которой понимается все, что не входит в рассматриваемую систему.

Внешняя среда влияет .на систему в виде различных внешних воздействий: планируемых и непланируемых, полезных и пара­ зитных (помеховых). Изменения выходной величины зависят как от свойств системы, так и от характера внешних воздей­ ствий. Например, изменение координат во времени зависит как от аэродинамических свойств ракеты, режима работы ее двига­

ваются возмущающими воздействиями. Часть входного воздей­ ствия. характеризующая планируемую составляющую его и

•определяемая алгоритмом функционирования системы, назы­ вается задающей величиной. Если, например, алгоритм функ­ ционирования системы предписывает поддержать выходное воздействие постоянным, то и задающее воздействие — постоян­ но, если выходное воздействие должно изменяться по опреде­ ленному закону, то задающая величина и выражает этот закон. Непланируемая составляющая входного воздействия представ­ ляет собой паразитное воздействие (помеху).

/(О

1

Автоматическая

система

Рис. 1.1

Б дальнейшем действие на входе системы помех учитываем, только анализируя работу АС при случайных воздействиях. В остальных случаях, пренебрегая паразитными воздействиями

11

на входе системы, считаем задающую величину равной входно­

му воздействию x(t).

Все элементы автоматической системы, кроме управляемого объекта, объединяются в так называемое управляющее устрой­ ство (рис. 1.2). которое осуществляет управляющее воздействие и (t) на управляемый объект.

Рис. 1.2

§ 1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Автоматические системы можно классифицировать по раз­ личным признакам. Основными классификационными призна­ ками являются наличие (отсутствие) способности к самоприспосабливанию, характер алгоритма управления и характер алгоритма функционирования (рис. 1.3).

Необходимость самоприспосабливания АС связана с нали­ чием или отсутствием в системе полной начальной (априорной) информации.

Начальной, или априорной, информацией называется сово­ купность сведений об управляемом объекте, необходимых для построения и нормального функционирования автоматической системы и известных до начала ее функционирования. Так, на­ пример, для построения системы регулирования скорости вра­ щения двигателя при управлении со стороны обмотки якоря нужно знать зависимость скорости вращения дзигателя от на­ пряжения, приложенного к обмотке якоря. Необходимой на­ чальной информацией в данном случае является уравнение для скорости вращения двигателя как объекта управления. Необхо­ димая начальная информация должна включать не только вид уравнения, но и числовые значения всех коэффициентов.

Аналогично для построения автопилота требуется иметь значения аэродинамических коэффициентов продольного и бо­ кового движения самолета (ракеты) для различных режимов полета и т. д. Необходимой начальной информацией будут дан­ ные о статических и динамических свойствах объекта (самолета или ракеты), выраженные в виде коэффициентов его уравнений. Для построения таких систем автоматического управления не­ обходимо довольно детальное и точное знание характеристик управляемого процесса. Начальная информация, которая пол­ ностью и точно характеризует' управляемый процесс, называет­ ся полной начальной информацией.

12

Необходимость иметь полную начальную информацию при­ суща широкому и наиболее разработанному классу автомати­ ческих систем, которые называ стся системами без самоприспосаблпвания (см. рис. 1.3).

Для построения и нормального функционирования некото­ рых систем управления требуется знание лишь части начальных сведении об управляемом процессе. Необходимую для этих си­ стем начальную информацию называют неполной начальной информацией.

Автоматические системы с неполной начальной информа­ цией образуют новый, быстро развивающийся класс самопрмспосабливающпхся систем.

В самостоятельный широкий класс автоматических систем выделены игровые системы.

Вторым основным классификационным признаком является характер алгоритма управления. При классификации по этому

информации системы без самоприспосабливания делятся на два широких подкласса:

—АС с замкнутой цепью воздействий, использующие прин­ цип отклонений (замкнутые АС);

—АС с разомкнутой цепью воздействий (разомкнутые АС). Довольно часто используются автоматические системы, соче­

тающие оба принципа управления. Такие системы получили название комбинированных.

В замкнутых автоматических системах, использующих прин­ цип отклонения, входными воздействиями для управляющего устройства являются как внешние, так и контрольные воздей­ ствия, а рабочей информацией служат отклонения регулиру­ емых величин от заданных значений. В разомкнутых системах входными воздействиями управляющего устройства являются только внешние воздействия, отсутствует цепь главной обрат­ ной связи, связывающая выход системы с ее входом. В этих системах отсутствует рабочая информация об управляемом объекте и может существовать лишь текущая информация о внешних воздействиях.

Замкнутые автоматические системы по характеру алгоритма функционирования делятся на три группы: стабилизирующие, программные, следящие, а разомкнутые системы — на две группы: стабилизирующие и программные.

14

Стабилизирующей называется автоматическая система, алгоритм функционирования которой содержит предписание поддерживать управляемую величину постоянной при воздей­ ствии на систему различных внешних воздействий.

Входные воздействия в стабилизирующих системах пред­ ставляют собой постоянные величины x(t) = const.

Примером стабилизирующей системы может служить автопилот, предна­ значенный для автоматического управления полетом самолета, управляемых ракет и т. д. В состав автопилота входят системы стабилизации курса, тан­ гажа п крена. Все эти системы по конструкции примерно одинаковы. Тик как

как известно, стремится сохранить приданное ей направление в пространстве. Ось гироскопа соединяется с ползунком потенциометра 2. Корпус потенцио­ метра механически жестко связан с корпусом самолета, а сам потенциометр электрически включен в схему моста, сбалансированного при среднем поло­ жении ползунка. При движении самолета точно по заданному курсу напря­ жение на измерительной диагонали моста Uz будет равно нулю, на последу­ ющие элементы системы сигналы не поступают, привод руля поворота будет неподвижен.

15

усилителя (.МУ) о п ьлсктромашшшого усилителя (Э.МУ) 5. Так как обмот­ ки возбуждения Э.МУ должны питаться постоянным током, а выход магнит­ ного усилителя обычно па переменном токе, то между ними помещается фазочувствптельный выпрямитель (ФЧВ) 4.

Усиленный МУ и ЭМУ сигнал рассогласования подается па исполнитель­ ный двигатель (11Д) 6, который через редуктор (Р) 7 поворачивает руль поворота 8 на угол б. Встречный поток воздуха создает момент руля, повора­ чивая самолет относительно центра массы, в результате чего самолет выхо­ дит иа заданный курс. При этом одновременно поворачивается корпус потен­ циометра 2, устраняя рассогласование (главная отрицательная обратная связь).

Программной называется автоматическая система, алгоритм функционирования которой содержит предписание изменять

программе достигается добавлением к стабилизирующей систе­ ме дополнительного программного устройства (задающего бло­ ка), изменяющего входное воздействие по заданному закону (например, изменяя положение оси гироскопа в автопилоте при стабилизации курса самолета). К программным системам мож­ но отнести системы, обеспечивающие полет на начальном участ­ ке самолетов-снарядов, баллистических ракет, искусственных спутников и т. д.

Следящей называется автоматическая система, алгоритм функционирования которой содержит предписание изменять управляемую величину в зависимости от значения неизвестной заранее переменной величины на входе автоматической си­ стемы.

В настоящее время во многих областях техники использует­ ся большое количество самых разнообразных автоматических систем, основанных на принципе действия следящих систем. К следящим системам в первую очередь относятся синхронноследяшие системы, изменяющие угол поворота следящего (при­ емного) вала в зависимости - от угла поворота задающего (командного) вала. По принципу следящей системы работаю! радиолокационные системы сопровождения цели, системы управления пусковыми установками зенитных ракет, автодаль­ номеры, многие счетно-решающие приборы, усилители с отри­ цательной обратной связью и т. д.

В качестве примера следящей системы рассмотрим систему управления вращением по азимуту пусковой установки зенитной ракеты, схема которой приведена на рис 1.5. Система включает сельсинную пару (сельспн-дат- чик СД и сельснн-приемиик СП), фазовый детектор ФД, корректирующую цепочку /?i, С, электромашинный усилитель мощности ЭМУ, приводной двигатель Дв, редуктор Р и объект управления ОУ (пусковую установку).

РЛС автоматически сопровождает цель по угловым координатам. На одной огневой позиции с РЛС находятся пусковые установки ракет, иапр.’.з- ляющие которых должны занимать угловые положения, соответствующие

16

угловому положению антенны РЛС (с учетом базы). Для согласованного поворота направляющих ПУ с угловыми перемещениями антенны РЛС при­

Принцип работы системы состоит в следующем. С входным залом систе­ мы (валом, вращающим антенну, например, по азимуту) 'связана ось ротора

•сельсин-датчика'СД, а'с выходным валом (валом, вращающим ПУ по азиму­ ту) — ось ротора сельсин-приемника СП.

Напряжение {/ст , снимаемое со статорной обмотки сельсин-приемника

(работающего в режиме сельсин-трансформатора), пропорционально раз­ ности угловых положений входного вала ‘а и выходного вала [3:

Uqт = ^сг (“ — ?) = ^ст

где кс г — коэффициент преобразования.

Таким образом, с помощью сельсинной пары измеряется угол рассогла­ сования 0 между входным и выходным валами системы 0 = ( а — 13).

Фазовый детектор преобразует переменное напряжение б/ст в напряже­

усилителя мощности и далее на исполнительный двигатель.

Если |3=р2, то £/с г =0, напряжение на выходе усилителя мощности

приведет во вращение исполнительный двигатель, который через .редуктор будет поворачивать направляющую ПУ. Двигатель включается таким обра­ зом, чтобы направляющая ПУ поворачивалась в сторону, соответствующую уменьшению б/ст . При £/с т = 0 (т. е при 0 = 0 или я=(3) двигатель остано­

вится. Таким образом, система обеспечивает поворот направляющей ПУ, соответствующий повороту антенны РЛС. Система обеспечивает автоматиче­ ское слежение направляющей ПУ за положением антенны РЛС (т. е. за положением цели в пространстве).

В разомкнутыхавтоматических системах для компенсации влияния внешних воздействий используется метод компенсации или принцип регулирования и управления по возмущению (например, принцип компаундирования Понселе — Чиколева).

5 махчно •

Этот принцип основан на измерении внешних воздействий и компенсации их. В этих системах в качестве рабочей информа­ ции используются значения внешних воздействий, влияние ко­ торых необходимо компенсировать. На практике обычно не удается компенсировать влияние иа управляемую величину всех внешних воздействий. Поэтому компенсируются лишь внешние воздействия, наиболее резко влияющие иа управля­ емую величину и вызывающие значительные ее отклонения от заданного значения.

Например, в системе стабилизации скорости вращения двигателя основ­ ным возмущающим воздействием является изменение момента нагрузки Л'/,,. Скомпенсировать влияние изменения момента нагрузки М н можно путем измерения этого момента и подачи величины, пропорциональной ему, па вход системы (рис. 1.6).

дополнительную последовательную обмотку возбуждения (ОБ) генератора Г.

Рнс. 1.6

С увеличением, например, момента нагрузки Мн якорь двигателя (Д/ будет тормозиться. Это приведет к увеличению тока якоря и ампер-витков дополнительной обмотки возбуждения и, следовательно, к увеличению напря­ жения па зажимах генератора. Увеличение напряжения на зажимах генера­ тора приведет к увеличению скорости вращения двигателя и скомпенсирует влияние изменения момента нагрузки.

За счет подбора параметров элементов компенсации можно почти пол­

ностью скомпенсировать влияние данного возмущения на управляемую величину.

Недостатком систем компенсации является то, что они устраняют влияние только основных возмущающих воздей­ ствий, вследствие чего имеют лишь частное применение.

Довольно часто в практике применяются комбинирован­ ные АС, в которых принцип компенсации используется в соче­ тании с принципом управления по отклонению.

Комбинированные системы являются наиболее совершенны­ ми автоматическими системами, отличающимися высокой точ­ ностью.

В комбинированных системах принцип компенсации устра­ няет составляющую ошибки по основному внешнему воздейст­ вию, а обратная связь устраняет ошибки, вызываемые осталь­ ными внешними воздействиями.

18

Кроме рассмотренных •основных .классификационных при­ знаков, существует много других. Приведем классификацию АС г:о некоторым из этих признаков.

По виду дифференциальных уравнений, которыми описыва­ ются системы, АС делятся на линейные и нелинейные.

Линейными автоматическими системами называются такие системы, у которых достаточно точное математическое описание процессов возможно с помощью линейных уравнении (алгебра­ ических, дифференциальных, интегральных, разностных и др.). ■Основным свойством линейных систем является справедливость принципа суперпозиции, т. е. принципа одновременного незави­ симого прохождения различных сигналов через линейные си­ стемы.

Системы, достаточно точное математическое описание про­ цессов в которых возможно лишь с помощью нелинейных урав­ нений, называются нелинейными АС. В частности, все релей­ ные АС являются нелинейными системами.

По характеру изменения величин, определяющих работу отдельных элементов, АС можно разделить на системы непре­ рывного действия и системы дискретного (прерывистого) дей­ ствия.

В системах непрерывного действия между выходными и входными величинами всех элементов существует непрерывная функциональная-связь. Выходйая величина °зсех элементов;-этих систем непрерывна й в каждый момент времени определяется характеристиками системы и значениями входных ' величин. Примерами таких систем., являются рассмотренные выше авто­ матические системы.

Дискретными, или.-прерывистыми, называются !такие систе­ мы, в которых выходная|величина хотя бы одного из элементов

Линейные стационарные системы описываются линейными уравнениями с постоянными коэффициентами.

Линейные нестационарные системы описываются линейными уравнениями с переменными коэффициентами.

Идеально линейные н идеально стационарные системы в действительности не существуют, но для многих реальных си­ стем идеальные модели достаточно точно отображают протека­ ющие в них процессы.