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

В последующем такие САУ для краткости будут именоваться

детерминированными неприспосабливающимися. При этом объектами рассмотрения будут являться в основном такие неприспосабливающиеся САУ, поведение которых в динамическом режиме может быть ■описано с достаточной точностью с помощью линейных дифференциаль­ ных уравнений по возможности невысокого порядка.

§ 2. КЛАССИФИКАЦИЯ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ НЕПРИСПОСАБЛИВАЮЩИХСЯ САУ

Детерминированные САУ условно могут быть классифицирова­ ны по ограниченному ряду признаков, имеющих известное практичес­ кое значение и для систем радиоавтоматики на морском флоте. В част­ ности, к таким признакам могут быть отнесены: степень идеализации при математическом описании САУ, или при выборе их математичес­ кой модели; сложность структурных и функциональных схем, много­ мерность и многосвязность управляющих величин в САУ; характер сиг­ налов в САУ; наличие или отсутствие у САУ способности самостоя­ тельно осуществлять контролируемые изменения своих свойств.

Существуют САУ, в которых управляющее устройство (управля­ ющая система) может не только создавать управляющие воздействия на объект управления, но и изменять свои собственные свойства (структуру, параметры, закон управления, введение дополнительных воздействий и т. д.) с целью повышения эффективности управления •объектом на основе текущей (неаприорной) рабочей информации и внеш­ них и внутренних условий ее работы. Такие целенаправленные самоизменения свойств САУ принято называть контролируемыми измене­ ниями, а сами САУ — приспосабливающимися (адаптивными). В про­ тивоположность им САУ, неспособные производить контролируе­ мые изменения своих свойств, принято называть неприспосабливаю­ щимися (обыкновенными, простыми, априорными САУ).

На рис. 10 представлена упрощенная (неполная) схема классифи­ кации априорных детерминированных САУ (в их числе и САР) в со­ ответствии с перечисленными выше первыми тремя признаками.

Прежде всего САУ могут быть подразделены на линейные и не­ линейные, на основе того являются линейными или нелинейными диф­ ференциальные уравнения, используемые для описания САУ. Хотя все реальные элементы в САУ являются нелинейными, в ряде случаев нелинейные зависимости особенно существенно не проявляются. Поэтому исследование подобных систем осуществляется практически на основе теории линейных САУ.

По наличию или отсутствию в САУ цепи для передачи информации ■о результатах управления объектом (иначе главной цепи обратной связи) и линейные и нелинейные САУ подразделяются на замкнутые

и разомкнутые.

Замкнутые САУ, работающие по принципу отклонения, подразде­ ляются на системы стабилизации, следящие системы, системы програм­ много управления.

-20

Разомкнутые САУ могут быть с программным управлением и реже с компенсацией по возмущающему воздействию.

Параметры элементов, входящих в состав радиотехнических САУ, ■с течением времени, естественно, могут изменяться (потеря эмиссии,

Рис. 10 Классификационная схема детерминированных неприспосабливающихся САУ

«старение», необратимые явления, износ и т. п.). Если эти изменения протекают значительно медленнее изменений сигналов управления в САУ, то параметры можно считать практически неизменными в сопос­ тавлении с динамикой процессов. САУ, обладающие подобными ка­ чествами, называют стационарными.

21

Если параметры САУ оказываются быстроизменяющимися, то та­ кие системы управления называются нестационарными. О нестацио­ нарное™ САУ представляется возможным судить, в частности, по раз­ личию реакции («отклика») системы на приложенное к ее входу опреде­ ленное воздействие в зависимости от момента времени, когда это воз­ действие оказалось фактически приложенным к системе.

Процессы управления в САУ обязательно связаны с передачей и преобразованием информации. Если процессы в САУ сопровождаются передачей или преобразованием каждого мгновенного значения сигна­ ла, то данные системы называются не­

прерывными.

Если в процессе работы САУ хотя бы один из параметров сигнала ока­ зывается квантованным, то подобные системы принято называть дискрет­ ными.

Непрерывные САУ характеризуют­ ся тем, что в них сигналы на входах и выходах всех элементов системы пред­ ставляются в виде непрерывных функ­ ций времени. При этом в соответствии со способами преобразования сигналов они могут быть двух видов: обыкно­ венные непрерывные САУ без модуля­ ции непрерывного сигнала (сокра­ щенно непрерывные); непрерывные САУ с гармонической модуляцией сигнала (амплитудной — AM, частот­ ной — 4M, фазовой — ФМ).

Структурные схемы этих систем обязательно содержат элементы, вы­ полняющие гармоническую модуляцию непрерывного сигнала при

прямом преобразовании — модуляторы (AM, 4M, ФМ) — и осущест­ вляющие* обратное преобразование гармонически модулированного сигнала в непрерывный — демодуляторы (AM, 4M, ФМ).

Внепрерывных САУ в любой момент времени имеется необходи­ мая для управления информация, что возможно при наличии в этих системах непрерывных во времени сигналов.

Врассматриваемых САУ сигналы непрерывны и по уровню, так как они могут принимать в общем случае сколь угодно большое число значений этого уровня.

Вдискретных (<прерывных) САУ в одном из элементов осуществля­ ется квантование хотя бы одного из параметров непрерывных сигна­

лов или по времени (в дискретных импульсных САУ) или по уровню (в релейных САУ) или как по уровню, так и по времени (кодово­ импульсных САУ).

В импульсных САУ непрерывный входной сигнал модулирует один из параметров периодической последовательности импульсов, как-то: амплитуду импульсов, длительность импульсов, их положение

22

во времени (фазу), частоту повторения. Эта последовательность им­ пульсов создается входящим в состав САУ импульсным элементом (рис. II). Импульсный элемент (ИЭ), последовательно включенный в главную цепь САУ, как некоторый прерыватель, замыкает данную сис­ тему лишь в течение определенных малых промежутков времени с опре-

Рис. 12. Характеристики процессов импульсной мо­ дуляции:

Хвх — входной сигнал; Хвых — выходной сигнал (стрелки условно показывают направления изменений фазы или ча­

деленными интервалами (периодом следования импульсов Т). Модули­ руемые параметры последовательности импульсов определяются только в некоторые дискретные моменты времени, которые называют момента­ ми квантования или моментами съема:

В зависимости от того, какой параметр последовательности им­ пульсов модулируется, в импульсных САУ радиотехнического типа различаются несколько видов импульсной модуляции. В системах радиотехнической автоматики на морском флоте применяют виды мо­ дуляции: амплитудно-импульсную первого рода АИМ-1 (рис. 12, а); широтно-импульсную одностороннюю ШИМ-1 (рис. 12,6); фазо-им­

23

пульсную, ФИМ (рис. 12, в) кружками на оси времени обозначены местоположения тактовых импульсов; частотно-импульсную ЧИМ. (рис. 12, а). Конечно, упомянутые системы импульсной модуляции не исчерпывают разнообразие импульсных САУ применительно к технике радиосвязи и управления.

Наряду с импульсными существуют такие дискретные САУ, в ко­ торых осуществляется квантование непрерывного сигнала только ПО' уровню (рис. 13). В результате квантования по уровню непрерывный входной сигнал преобразуется в ступенчатый сигнал. Амплитуда каждой ступеньки может быть, в

тарному ступенчатому сигналу Ах.. Последний называют шагом кван­ тования по уровню.

Элементы, осуществляющие квантование сигнала по уровню, называют релейными элементами, а САУ, где они применяются, тоже релейными. Релейные САУ относятся к существенно нелинейным системам.

В кодово-импульсных (релейно-импульсных) дискретных САУ осу­ ществляется квантование сигнала как по времени, так и по уровню (рис. 14). Благодаря квантованию по уровню в подобных САУ возмож­ но иметь только ограниченное число дискретных значений для амп­ литуды преобразуемого непрерывного сигнала. Обычно эти значения выражаются в виде наборов некоторого числа кодовых комбинаций (кодов).

Квантуемые по уровню значения непрерывного сигнала фиксируют­ ся в равноотстоящие дискретные моменты времени (Т , 2Т, ЗТ, ...). При этом дискретные величины амплитуд преобразованного сигнала округляются до значений ближайшего уровня.

24

Кодово-импульсные САУ, в функциональные схемы которых вхо­ дят цифровые электронные вычислительные машины (ЦВМ), известны под названием автоматических систем с ЦВМ или цифровых САУ [14, 41, 42, 43].

Целесообразность применения ЦВМ в САУ зависит от ряда опре­ деляющих факторов:

сложности формы управления несколькими взаимосвязанными ве­ личинами с одновременным обеспечением ряда сложных условий; получения от САУ наивыгоднейшей отдачи по некоторым эксплуа­ тационным и производственным показателям (например, быстродей­

ствию, выходной мощности ОУ, производительности последнего и т. п.);

поддержания стабильного уп­ равления в быстроизменяющихся условиях (изменения харак­ тера управляющих и возмуща­ ющих воздействий в САУ, вы­ ходных координат и т. п.).

Введение ЦВМ в контур уп­ равления автоматической систе­ мы превращает последнюю в су­ щественно-нелинейную САУ.

Обобщенная функциональная схема элементарной САУ им­ пульсного типа представлена на рис. 15.

В импульсных радиотехнических САУ, как правило, применяются электронные импульсные элементы.

Всякая замкнутая САУ имеет, по крайней мере, одну обратную связь, служащую для передачи по ней к анализирующему устройству (см. рис. 1) информации о результатах управления объектом. Такого рода обратную связь в САУ в дальнейшем будем называть главной. Именно она обеспечивает высокую точность САУ (САР), работающих по принципу отклонения.

САУ с одной управляемой (регулируемой) выходной величиной (выходной координатой), имеющие только одну главную обратную связь, называются одноконтурными.

Для улучшения качественных показателей работы САУ в динами­ ческом режиме в ее схему, кроме главной обратной связи, нередко вводят дополнительно одну или несколько вспомогательных или ме­ стных обратных связей. Сложные САУ замкнутого типа, с несколькими управляемыми величинами, имеют соответственно не одну, а несколько главных обратных связей — по числу управляемых величин. Такого рода САУ, которые имеют, кроме одной главной обратной связи, еще одну или несколько главных или местных обратных связей, принято называть многоконтурными.

В отличие от одноконтурных САУ для многоконтурных характер­ ным является то, что в них воздействие, приложенное к какой-либо

25

точке их структурной схемы, может обойти все элементы системы и вернуться в исходную точку по нескольким раздельным путям обхода. Между тем в одноконтурных САУ воздействие, приложенное к какойлибо точке их структурных схем, может пройти все элементы системы п вернуться в первоначальную точку только по единственному пути обхода.

Как пример многоконтурной (двухконтурной) САР с одной регу­ лируемой величиной, можно назвать комбинированную систему ав­ томатической подстройки частоты (регулируемая величина) частотным методом или кратко двухкольцевую систему ЧАП-ЧАП [1]. В ней используются для подстройки частоты два замкнутых раздельных кон­ тура: один с широкополосным частотным дискриминатором (ШЧД), второй с узкополосным частотным дискриминатором (УЧД). Данная система с так называемым внутренним кольцом обратной связи (ВОС) обладает высокой точностью. В качестве иллюстрации многоконтур­ ной САР с двумя управляемыми величинами можно отметить следя­ щую систему судовой радиолокационной станции для одновременного автоматического определения и направления (система АСН), иначе пеленга, и автоматического сопровождения по дальности (система АСД) подвижного объекта — цели [2]. Эта следящая система содержит ряд основных и вспомогательных элементов, включенных в несколько цепей главных и местных обратных связей.

В схемы САУ и САР вводят местные обратные связи для повышения мощности исполнительных элементов, понижения входного сопротив­ ления и уровня шумов, корректирования параметров сигнала при пре­ образовании. Если обратные связи охватывают несколько последова­ тельно соединенных элементов данной системы управления, они могут быть использованы для придания САУ желательных свойств в динами­ ческом режиме.

Обратные связи могут быть положительными и отрицательными, что и отмечается на структурных схемах САУ и САР.

В большинстве замкнутых САУ и САР обратные связи можно обна­ ружить в явном физическом виде. Такие системы в дальнейшем будут называться системами с внешними или внешней обратной связью.

Существуют, однако, немногочисленные САУ и САР, в которых главная обратная связь явно «не просматривается». Но и в этих сис­ темах имеют место воздействия с выхода оконечных элементов на входы систем. Эти явления рассматриваются как своего рода неявная, но тем не менее существующая внутренняя обратная связь, эквива­ лентная по объективному действию явно выраженной главной обрат­ ной связи в других замкнутых САУ. Системы такого рода принято называть системами с внутренней обратной связью.

Далее системы автоматического регулирования, как разновидно­ сти класса САУ, могут быть подразделены на статические и астати­ ческие (то есть нестатические). Статическими и астатическими САР могут быть или по отношению к управляющему воздействию (рассог­ ласованию) или по отношению к возмущающему воздействию.

Статической по отношению к управляющему воздействию на­ зывается такая САР, в которой при изменении этого воздействия на

26

постоянную величину остаточная установившаяся (по окончании пере­ ходного процесса) ошибка принимает некоторое постоянное значение, зависящее от величины изменения управляющего воздействия. Вы­ ходная величина в этой САР отличается от предыдущей установившей­ ся на величину этой ошибки.

Астатической по отношению к управляющему воздействию яв­ ляется такая САР, в которой та же ошибка и в тех же условиях равна нулю, то есть регулируемая величина в такой САР практически сов­ падает с задаваемой (по программе).

Аналогичными могут быть САР и по отношению к возмущающему воздействию. Если при наличии возмущающего воздействия на объект регулирования, стремящегося к некоторому установившемуся зна­ чению, отклонение (ошибка) выходной регулируемой величины от за­ данного значения в САР стремится в свою очередь к какому-то постоян­ ному установившемуся значению, то данная САР будет статической и по отношению к возмущающему воздействию (возмущению).

САР будет астатической по отношению к тому же возмущению, если установившаяся ошибка в ней при тех же условиях не возникает.

Существуют системы управления, которые по отношению к управ­ ляющим воздействиям ведут себя как статические, а по отношению к возмущающим воздействиям — как астатические.

Такую ошибку (отклонение) в статических САР иногда называют статизмом системы. В противоположность этому термином «астатизм» САР подчеркивается, что данная система относится к категории аста­ тических с той или иной степенью приближения (она практически за­ висит от так называемого порядка астатизма, определяемого коли­ чеством специальных элементов— интегрирующих звеньев — в данной САР).

В радиотехнических САУ информация, как правило, передается электрическими сигналами. На основе этого, в зависимости от вида электрической энергии, используемой для работы неприспосабливаю­ щихся САУ, последние иногда условно подразделяют на системы постоянного тока и системы переменного тока.

§ 3. КЛАССИФИКАЦИЯ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ ПРИСПОСАБЛИВАЮЩИХСЯ (АДАПТИВНЫХ) САУ

К приспосабливающимся или адаптивным САУ относятся такие детерминированные системы автоматического управления, которые способны самостоятельно контролировать изменения своих характе­ ристических величин: параметров системы и параметров управляющих сигналов, либо структуры управляющей системы, либо алгоритмов управления. Термин «адаптивная САУ» адэкватен понятию адаптации в биологии, т. е. приспособлению живого организма к изменяющимся внешним условиям.

Характерными для большинства адаптивных САУ являются такие их свойства, как самоприспособление, самообучение, самосовер­ шенствование в процессе их работы, имитирующие сходные свойства

27

живых организмов. Благодаря этому, исследователю не обязательно иметь для реализации подобных САУ полную начальную (априорную) информацию о проектируемой САУ.

Приспосабливающиеся САУ условно могут быть подразделены на несколько видов (рис. 16):

1. Самонастраивающиеся САУ — это такие приспосабливающиес системы, в которых САѴ сами отыскивают оптимальные критерии ка­

чества и автоматически приспосабливают к ним параметры и характе­ ристики объектов управления.

Самонастраивающиеся системы имеют в своем составе средства, которые позволяют получать необходимую рабочую информацию в процессе функционирования этих систем и осуществляют ее реали­ зацию для придания системам желательных свойств при произвольно изменяющихся внешних и внутренних (для систем) условиях экс­ плуатации.

Для повышения точности работы самонастраивающейся САУ в ре­ жиме поиска оптимальных критериев качества в нее наряду с рабочими сигналами вводятся специальные поисковые сигналы. Последние способствуют более быстрому отысканию системой оптимального управляемого (регулируемого) параметра при одновременном повы­ шении точности ее работы.

В классе самонастраивающихся САУ могут быть отмечены неко­ торые их разновидности: системы экстремального регулирования, системы с самонастраивающимся корректирующим устройством, самооптимизирующиеся системы.

28

В самонастраивающихся САУ экстремального регулирования регу­ лируемой величиной является координата отклонения от максимума или минимума (экстремума) какого-либо параметра системы, функцио­ нально зависящего от одной или даже большего числа переменных.

Обобщенная функциональная схема несложной экстремальной САУ представлена на рис. 17. В схему данной САУ введен источник поискового сигнала 3. Воздействие от него одновременно подается и на объект управления (он имеет экстремальную характеристику по.

объекте.

К третьей разновидности самонастраивающихся САУ относятся так называемые самооптимизирующиеся САУ. САУ этого рода харак­ теризуются тем, что в них переходный процесс при установлении оп­ тимального режима заканчивается за промежуток времени значитель­ но меньший, чем длительность работы управляемого (регулируемого) объекта. Данный процесс к тому же происходит в условиях совершенно недостаточной начальной информации об управляемом объекте.

Пример САУ подобного вида— комбинированная электронно-меха­ ническая САР в космическом летательном беспилотном объекте для коррекции траектории последнего. Эта коррекция, естественно, осу­ ществляется за время значительно меньшее, чем время полета самого объекта в пределах участка данной траектории.

2. Самоорганизующиеся САУ по своему назначению схожи с экстре­ мальными САУ. Однако в отличие от последних в них для достижения

2&