книги из ГПНТБ / Крачино, В. В. Электрорадиоавтоматика на морском транспорте учеб. пособие

так II по конструкции. Однако их отдельные элементы выполняют, как правило, ограниченное число функций:

воспринимают величину регулируемого параметра объекта и пре­ вращают ее в другой физический параметр, удобный для воздействия или индикации;

сравнивают фактические значения регулируемого параметра с за­ данными, которые обеспечивают последовательность производствен­

сравнения (вычислительный) 5 определяет величину и знак рассогла­ сования и вырабатывает в связи с этим сигнал для воздействия на регулируемый процесс. Преобразующий 6 элемент выполняет необ­ ходимое преобразование сигнала. Очень часто оно сопровождается усилением его по напряжению или мощности и поэтому преобразую­ щий элемент в данном случае нередко называют усилительным. Уси­ лительными называют также активные преобразующие элементы с сигналами одинаковой физической природы на входе и выходе, даже если они не усиливают их по мощности. Исполнительный 7 элемент воздействует на органы управления объектом. Исполнительные эле­ менты с механическим выходом часто называют сервомеханизмами.

В структурной схеме рис. 3 отсутствуют так называемые коррек­

10

Разность между заданным и фактическим значениями регулируемого параметра, или, как ее принято называть, рассогласование, опре­ деляет знак и интенсивность сигналов, действующих на элементы САР. Совершенно необходимо, чтобы с изменением знака рассогласования менялся знак выходного сигнала. Для этого все, или почти все, эле­ менты должны менять знак сигнала на выходе при изменении знака сигнала на входе. В качестве примера рассмотрим элементарную схе­ му (рис. 4) автоматической подстройки радиочастоты частотным ме­

тодом (ЧАПЧ).

Система ЧАПЧ служит для корректировки частоты стабилизи­ руемого электронного генератора при воздействии на него дестабн-

лизирующих факторов (изменения температуры окружающей среды, напряжения источников, питания и т. д.).

Всистеме ЧАПЧ дискриминатор 2 выполняет функцию измеритель­ ного элемента. Регулирующий элемент 3 непосредственно изменяет частоту стабилизируемого генератора. В качестве электронного регу­ лирующего элемента может быть использована, например, реактив­ ная лампа. Элементом настройки 4 (задающим) служит генератор эта­ лонных частот. Работа ЧАПЧ элементарно проста.

Работа схемы автоматической регулировки усиления (АРУ) усили­ теля высотой частоты с усилением по переменному току (рис. 5) также элементарно проста. Измерительный элемент на ней не показан, так как он совмещен в одном блоке с автоматическим регулятором 2, через который замыкается вся система АРУ.

Таким образом, в САР входят элементы, или, как их обычно назы­ вают, звенья, каждое из которых выполняет определенную функцию

всистеме регулирования. Совокупность этих элементов в виде одно­ линейной скелетной схемы называется функциональной структурной схемой САР, или просто структурной схемой.

Всоответствии с выполняемой функцией элементы системы имеют соответствующие названия: объект регулирования, измерительный

11

элемент, чувствительный элемент (датчик), программный элемент (задающее звено) или задатчик, усилительное (преобразующее) звено, исполнительный двигатель или исполнительный механизм (сервомо­ тор), управляющий элемент исполнительного механизма, звено обрат­ ной связи, дифференцирующее звено, интегрирующее звено и др.

Общие свойства САР в большей или меньшей степени могут быть выяснены при анализе ее структурной схемы. В системе обычно не рассматриваются конструктивные подробности, так как исследователя прежде всего интересуют характерные динамические свойства типового звена, а не сама конкретная конструкция того или иного элемента системы.

При исследовании САР условно предполагается, что каждое звено системы обладает направленным или односторонним действием, т. е. свойством пропускать внешнее воздействие только в одном направле­ нии — от «входа» к «выходу». Направление сигнала через звенья сис­ темы на схеме обычно обозначается стрелкой. С технических позиций для регулирования по отклонению системы характерно, что оно позво­ ляет уменьшить отклонение независимо от причин (возмущений), ко­ торые вызвали появление его в системе. Исключение составляют так называемые случайные возмущения, при наличии которых выделить полезный сигнал в САР оказывается практически возможным далеко не всегда и то весьма приближенно. Примером подобных случайных возмущений могут служить помехи в следящей системе судового радио­ локатора: вследствие собственной качки судна, качки встречного суд­ на, координаты которого измеряет данный радиолокатор, и электро­ магнитных процессов в атмосфере. Сигнал, отраженный от встречного судна (цели), обычно содержит беспорядочные флюктуации. В резуль­ тате этого антенна судового радиолокатора принимает вместе с отра­ женным от встречного судна полезным сигналом, который несет ин­ формацию о его координатах, также и наложенные на полезный сигнал случайные электромагнитные колебания (флюктуации). Полностью отделить полезный сигнал от электромагнитных флюктуаций не пред­ ставляется возможным. Известно, что это является следствием «внут­ ренних» качеств того физического процесса — прямого и обратного распространения плюс отражение от объекта электромагнитных волн — который используется в судовом радиолокаторе для получения информации о местоположении встречного судна. Из-за наличия флюктуационных помех в судовой РЛС возникает ошибка, которая приводит

кискажению измеряемых РЛС координат встречного судна.

Вслучае работы по разомкнутому циклу в соответствующих САР (САУ) иногда используется несколько иной способ регулирования по отклонению, основанный на компенсации контролируемого возму­ щения, воздействующего на САР. Функциональная схема САР с ком­

пенсацией возмущающего воздействия (рис. 6) содержит в дополнение к основным элементам также измерительное устройство (ИВ), усили­ тель-преобразователь {УП) и компенсационное устройство {КУ).

Спомощью ИВ оценивается величина возмущающего воздействия,

ас помощью УП и КУ вырабатывается компенсационное воздействие, которое уравновешивает («компенсирует») возмущающее воздействие,

112

воздействующее на объект регулирования (ОР). Тем самым улучшается условие поддержания желаемого значения регулируемого параметра в системе. Элементарным примером САР подобного типа является схема стабилизации постоянного напряжения на нагрузке полупроводнико­

грузке. Возможности стабилитрона ограничиваются величиной напряжения лавинного пробоя в нем и мощ­ ностью рассеяния на запертом переходе. Достижение достаточно вы­ сокой степени точности работы САР, работающих по принципу компенсации, практически возможно в тех случаях, когда реализуется известная функциональная зависимость между возмущением и управляющим

13

воздействием на устройство регулирования. Часто эта зависимость ока­ зывается сложной и неоднозначной из-за влияния нелинейных про­ цессов, например, гистерезиса, токов насыщения в электронных лам­ пах. В этих случаях упомянутая функциональная зависимость в САР

(системы стабилизации). В качестве примера можно указать на при­ веденную выше схему автоматической подстройки частоты частотным методом (см. рис. 4).

2. Следящие системы. Их назначение состоит в автоматическом сле­ жении за управляющим воздействием (управляющей информацией), которое может изменяться произвольно. В САР радиотехнического типа управляющим воздействием может быть, например, частота или фаза электромагнитных колебаний, величина напряжения сигнала в рамке автоматического радиопеленгатора, величина углового переме­ щения подвижного объекта (в частности, антенны судового радиолока­ тора), расстояние между радиолокатором и исследуемым («зондируе­ мым») объектом и др.

С выхода следящей системы снимается измеренная величина управ­ ляющего преобразованного воздействия, например, в виде угла пере­ мещения антенной системы или в виде напряжения, соответствующего этому углу.

Принцип работы САР стабилизации и следящих САР не имеет особо существенных различий. Характер управляющего воздействия опре­ деляет преимущественно класс (вид) САР стабилизации или следя­ щих САР.

ВСАР стабилизации входное воздействие обычно является неиз­ менным, поэтому основной задачей САР стабилизации является под­ держание регулируемого в них параметра на заданном уровне, по воз­ можности вне зависимости от величины и характера возмущений, дей­ ствующих на объект регулирования в данной САР.

Вследящих САР основное значение представляет изменение управ­ ляющих воздействий, поэтому задача следящих САР сводится к воз­ можно более точному воспроизведению на их выходах воздействий, желательно вне зависимости от градаций их изменений и возмущений, воздействующих на САР.

Впоследующем свойства САР удобно рассматривать применительно

кодному из двух упомянутых видов САР, например к следящим. Ре­

зультаты же этого рассмотрения полностью могут быть распростране­ ны в необходимых случаях и на САР стабилизации.

3. Системы программного регулирования или программные САР работают как следящие САР, но у них задающие воздействия изменя­ ются по некоторой наперед составленной программе. Именно програм-

14

ма и будет служить так называемой полной информацией, на основе которой могут быть выбраны элементы данной САР, удовлетворяющие требованиям точности и другим качественным показателям режима этой САР.

В качестве иллюстрации САР следящего типа ниже приведена упро­ щенная функциональная схема простейшего судового одноканального автоматического радиопеленгатора (АРП) со следящей системой и с амплитудной модуляцией (рис. 8).

Рис. 8. Функциональная схема одноканального амплитудного радиопе­ ленгатора с следящей системой и последовательным сравнением сигна­ лов (й), диаграмма напряжений на входе радиоприемного устройства

(б) и обобщенная схема следящей системы радиопеленгатора (в):

/ — переключатель антенны; 2 — радиоприемное устройство; 3 — фазовый детек­

Так как принцип действия данного пеленгатора известен учащимся из курса «Судовые радионавигационные системы», то здесь рассмотрена лишь работа следящей системы в схеме этого навигационного устрой­ ства. Фазовый детектор является элементом сравнения, на который подается амплитуда огибающей сигнала с выхода радиоприемного устройства и напряжение генератора опорного напряжения. Амплиту­ да этой огибающей для небольших углов отклонения пеленгуемого источника (цели) от равносигнальной линии ON пропорциональна углу Ѳ, а фаза огибающей зависит от стороны отклонения рамки (антенны). На выходе фазового детектора в результате сравнения с опорным напряжением возникает напряжение рассогласования (ошиб­

15

ка;. Величина этого напряжения зависит от величины угла, а знак — от стороны отклонения рамки, т. е.

где А — постоянный коэффициент; Ѳ — угол отклонения рамки.

Напряжение рассогласования усиливается и воздействует на испол­ нительное устройство, которое перемещает рамку (объект регулирова­ ния) до тех пор, пока напряжение рассогласования не станет равным нулю. Так возникает следящая система с замкнутым контуром регу­ лирования: рамка (антенна) — радиоприемник — преобразовательные и усилительные элементы — приводной двигатель (исполнительное устройство) — рамка. Так как воздействие исполнительного устрой­ ства на объект регулирования осуществляется в форме вращения, то на обобщенной схеме следящей системы радиопеленгатора (рис. 8, в) входной (командный) сигнал, выходной сигнал (реакция следящей сис­ темы) и сигнал рассогласования (на выходе устройства сравнения) обозначены в виде углов соответственно через Ѳвх, Ѳвых и Ѳ (Ѳ =

®вх ®вых)-

§ 3. ВИДЫ ВОЗДЕЙСТВИЙ УЧИТЫВАЕМЫЕ ПРИ АНАЛИЗЕ ПОВЕДЕНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКОГО ТИПА

Поведение объекта управления (ОУ) определяется как результат суммы воздействий на него внешней среды (внешние влияния или ве­ личины), управляющего устройства УУ (управляющие воздействия или величины) и процессов, протекающих в самом ОУ.

Воздействия, оказываемые на ОУ в процессе его работы ц незави­ сящие от УУ, принято называть возмущениями. Возмущающим назы­ вается всякое воздействие, которое стремится нарушить требуемую функциональную связь в САУ между управляющим воздействием и управляемой (регулируемой) переменной.

В последующем изложении рассматриваемые возмущения предпола­ гаются детерминированными, т. е. по известному до определенного мо­ мента времени значению этого возмущения можно с достаточной для целой практики точностью предугадать значение величины и фазы возмущения в последующие моменты времени.

Возмущения условно могут быть подразделены на: связанные с из­ менениями в нагрузке ОУ и связанные с помехами, происхождение которых вызывается присутствием по соседству с ОУ источников воз­ мущений, влияющих на последний. В частности, источниками возму­ щений могут быть электромагнитные поля действующих радиопередат­ чиков и других источников электромагнитных излучений.

Воздействия, которые в процессе работы ОУ подвергаются либо непрерывным, либо спорадическим измерениям, принято называть контролируемыми. Остальные воздействия на ОУ, неизмеряемые в том же процессе, обычно называют неконтролируемыми.

16

При проектировании и последующем практическом осуществлении и эксплуатации САУ и САР инженеру и конструктору необходимо считаться с тем, располагают они или нет достаточным количеством информации о работе и режимах будущей САУ, о показателях качества процесса управления и об управляемых параметрах.

Объем информации, знание которой исследователю необходимо еще до того, как САУ заработает, принято называть априорной или

начальной информацией о данной САУ.

Например, при проектировании следящей системы для АРП (см. рис. 8) проектировщик должен иметь в своем распоряжении све­ дения о возможной величине напряжений на выходе детектора радио­ приемного устройства, на выходе генератора опорного напряжения и на выходе фазового детектора. Он должен знать о возможных вели­ чинах напряженности электромагнитного поля- у приемной антенны (рамки) в различное время суток времени года, на разных географичес­ ких широтах и т. д.

Если представляется возможным иметь достаточную начальную информацию в таком объеме, что в проектируемой САУ могут быть дос­ тигнуты желаемые показатели качества управления, например точ­ ность, устойчивость, то такую информацию называют полной началь­ ной информацией. Если для реализации САУ нет достаточных сведе­ ний о ней самой или о проектируемом процессе управления, возмож­ ных возмущениях в САУ и т. д ., то такая начальная информация яв­ ляется неполной. Другой вид информации при эксплуатации САУ или САР радиотехнического типа — это так называемая рабочая инфор­ мация.

Рабочая информация включает в себя сведения, которые устрой­ ства анализа информации в САУ или оператор в полуавтоматических системах управления получают при осуществлении процессов управ­ ления в них. Рабочая информация реализуется в САУ в виде сигналов, которые содержат в себе сведения об изменении параметров (коорди­ нат), характеризующих протекание процесса управления на основе управляющего воздействия. Например, в ходе работы следящей си­ стемы АРП рабочая информация реализуется в виде величины углов поворота исполнительного двигателя в функции от напряженности электромагнитного поля в приемной антенне (рамке).

Г л а в а II

КЛАССИФИКАЦИОННЫЕ ВИДЫ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

§ 1. ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ САУ ПРИ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ И ВЕРОЯТНОСТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Так как технические системы автоматического управления при всем их значительном многообразии составляют только часть общего мно­ жества систем управления, свойства и закономерности поведения кото­ рых составляют один из важных аспектов исследований в современной

18

кибернетике, то и на них (технические САУ) распространяются неко­ торые классификационные признаки, общие для систем управления любой физической природы.

Одним из главных признаков является качественная взаимосвязь между основными элементами САУ во времени. Она определяется вре­ менным характером внешних воздействий (управляющих и возмуща­ ющих) на САУ. Эти воздействия в силу упомянутого физического фактора и применяемого для описания их математического аппарата подразделяются на детерминированные или регулярные, описываемые определенными (детерминированными) функциями времени, и случай­ ные (вероятностные) или статистические, описываемые случайными функциями. В этой ситуации представляется возможным оценивать только вероятность проявления того или иного вида воздействия на САУ в некоторый дискретный момент времени. Величина этого воздей­ ствия может принимать с течением времени самые разнообразные слу­ чайные значения. В соответствии с последним свойством, случайный процесс в САУ может быть оценен рядом вероятностных характерис­ тик. Так, например, автокорреляционная функция R (т) связана со спектральной плотностью 5 (со) следующим соотношением [14]:

— с©

Физические причины разнообразных значений воздействий случай­ ного характера в САУ обусловлены тем, что как сама величина этого воздействия в каждый дискретный момент времени, так и процессы ее возможных изменений во времени зависят от проявления совокупности ряда независимых физических факторов в САУ. Последние случайным образом могут проявляться одновременно или с любым сдвигом во времени, с разными энергетическими уровнями и т. п.

Возмущения (помехи) случайного характера бывают и в системах управления радиотехнического типа. В качестве примеров можно на­ звать следующие системы:

системы настройки радиоприемного устройства на частоту радиопе­ редающей станции в условиях воздействий посторонних электрических и магнитных полей (радиопомех), нерегулярных «замираний» (федин­ гов), изменений напряжения сети электропитания и др.;

система автоматической регулировки усиления (АРУ) по промежу­ точной частоте в телевизионном приемнике в условиях присутствия мешающих воздействий в видеотракте;

система обнаружения полезного сигнала в присутствии («на фоне») интенсивных нерегулярных помех в радиолокационном приемнике;

система контроля (измерения) напряженности электромагнитного поля рабочей волны у приемной антенны в условиях существования нерегулярных «замираний».

В настоящей книге рассматриваются только САУ радиотехническо­ го типа, относящиеся к классу так называемых неприспосабливающих­ ся систем автоматического управления и работающих в условиях уп­ равляющих и возмущающих регулярных воздействий.

19