книги из ГПНТБ / Арховский В.Ф. Основы автоматического регулирования учеб. пособие

Некоторое усложнение и удорожание таких систем компенсиру­ ется повышением точности поддержания п регулирования управ­

туру, а управление температурой газа — по разомкнутому. В це­ лом же такая система является комбинированной.

Настройка управляющих устройств (регулятора п и автома­ та Г3*) на заданный режим работы осуществляется с помощью

Рис. 2.6. Функциональная схема системы управле­ ния ТВД

РУД через автомат объединенного управления (АОУ). По сооб­ ражениям прочности иногда в систему вводят специальный огра­ ничитель крутящего момента (ОКМ).

40

2.4. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ПО НАЛИЧИЮ И ВИДУ ВСПОМОГАТЕЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ

В гл. I было отмечено, что усилия на регулирующем органе системы могут достигать значительных величин. Для управле­ ния таким органом в цепь воздействий между чувствительным элементом и регулирующим органом часто устанавливаются ис­ полнительные, усилительные и другие элементы, использующие различного вида вспомогательную энергию. По виду этой энер­ гии большинство систем можно разделить на два класса — сис­ темы п р я м о г о и ‘н е п р я м о г о действия.

В системах прямого действия чувствительный элемент непо­ средственно управляет регулирующим органом. Например, в ав­ томате запуска (см. рис. 2.3), чувствительный элемент — мем­ брана 5 непосредственно (через рычаг 2) управляет положением регулирующего органа—клапана 1. Эту систему можно отнести к системе прямого действия.

Если чувствительный элемент связан с регулирующим орга­ ном через промежуточные элементы (преобразующие, исполни­ тельные, корректирующие), то такая система называется систе­ мой непрямого действия. Как известно, для управления проме­ жуточными элементами может быть использована электриче­ ская, гидравлическая, пневматическая или какого-либо другого вида энергия. По виду этой энергии можно дополнительно под­ разделить системы непрямого действия. Пример гидравлической системы непрямого действия, использующей в качестве вспомо­ гательной энергии энергию жидкости (масло, топливо), приведен на рнс. 2.4, где в цепь воздействий от чувствительного элемента (центробежного тахометра) до регулирующего органа (дозирую­ щей иглы) включен статический серводвигатель, а регулятор имеет корректирующий элемент — жесткую обратную связь (ры­ чаг ЛВС).

2.5. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ПО ВИДУ ЗАДАЮЩЕЙ ПРОГРАММЫ

Важнейшим признаком любой автоматической системы явля­ ется закон (алгоритм) функционирования, ведущий к правильно­ му выполнению технического процесса в каком-либо устройстве или системе в целом. Такой закон характеризует п р о г р а м м у управления, по которой работает система, и показывает измене­ ние задающего воздействия хВх(1) во времени. Этот принцип и положен в основу классификации автоматических систем по виду задающей программы.

Системы управления и регулирования авиационных ВРД и многих других технических устройств, машин и агрегатов можно подразделить на четыре крупных класса: системы стабилизации и слежения, программные и оптимальные системы.

41

2.5.1. Системы стабилизации

Системой автоматической стабилизации называется такая система, в которой предписанное значение управляемой величи­ ны поддерживается постоянным при неизменном задающем воз­ действии.

Закон стабилизации имеет вид:

где -\'вых(0 и х'пых(£) — действительное и предписанное значе­ ния управляемой величины соответственно.

Система стабилизации должна устранять (с достаточной точ­ ностью) последствия любых возмущающих воздействий, способ­ ных нарушить выполнение закона (2.1).

В авиационной технике к системам автоматической стабили­ зации относятся САР числа оборотов ротора ТРД при работе ее с фиксированным положением РУД (см. рис. 2.4); система уп­ равления самолетным генератором, поддерживающая напряже­ ние постоянным; САР форсажного контура ТРДФ*, работающая на принципе поддержания постоянного перепада давлений возду­ ха за компрессором и газа за турбиной; система обогрева кабин самолета, обеспечивающая постоянство температуры воздуха в них и др.

2.5.2. Системы программного управления

Программная автоматическая система — это такая система, задачей которой является изменение во времени управляемой ве­ личины по заранее известной программе (закону). В общем слу­ чае программа функционирования системы определяется задаю­ щим воздействием xDX(0- Тогда закон программного управления будет иметь вид:

где /зад( 0 — заранее известная программа как функция вре­ мени.

К системам программного управления относятся АСУ поле­ том космических кораблей и вывода спутников земли на заранее рассчитанные орбиты; системы, обеспечивающие полет самолета по заранее известному курсу с помощью автопилотов и др.

Задание программы функционирования системы осуществля­ ется самым различным образом. Так, для обеспечения требуемой

* ТРДФ—сокращенное название турбореактивного двигателя с форсажной камерой.

42

подачи топлива в двигатель при приемистости * по эксперимен­ тально полученному закону (кривая 1 на рис. 2.7), отличному от закона дозировки топлива на установившихся режимах (кривая

жиму малого газа — минимально возможному устойчивому режи­ му работы ТРД, а пмакс и GT.MaKc — максимальному режиму, до­ пустимому для данного двигателя).

2.5.3. Следящие системы

Следящей называется система, в которой закон изменения уп­ равляемой величины заранее неизвестен и определяется пере­ менной величиной, действующей на вход автоматической систе­ мы. Этот закон описывается изменением задающего воздействия xBX(t) в зависимости от заранее неизвестной функции времени

е.

Вотличие от программных в следящих системах задающая. величина во времени изменяется произвольно, а управляемая ве­ личина должна следить за этими изменениями.

Вавиации в качестве следящих систем нашли применение ■системы телеуправления и самонаведения летательных аппара­ тов, радиолокационные системы группового полета самолетов,

•обеспечивающие сохранение определенной дистанции между ни­ ми вне зависимости от эволюций ведущего самолета и др.

* Приемистость — это способность двигателя быстро увеличивать число

•оборотов при увеличении подачи топлива АОт.макс, темп роста которой огра­ ничен, главным образом, максимально допустимой температурой газа Т3* и возможностью' возникновения неустойчивой работы компрессора.

43

В ГТД системой, работающей на принципе слежения, являет­ ся, например, система регулирования приведенного числа оборо­ тов двигателя. Функциональная (а) и принципиальная (б) схе­ мы такой системы показаны на рис. 2.8.

Приведенное число оборотов япр определяется следующим от­ ношением:

а-)

Рис. 2.8. Схемы системы регулирования приведенного числа оборо­ тов ГТД:

>а—функциональная; б—принципиальная

Втеории ВРД доказывается, что если поддерживать отноше­ ние (2.4) постоянным, то с изменением условий полета режим ра­ боты компрессора будет неизменным. Это позволяет поддержи­ вать основные параметры компрессора (ттк*, к. п. д. и др.) близ­ кими к наивыгоднейшим.

С изменением высоты и скорости полета (различное сочета­ ние их заранее неизвестно) в широком диапазоне изменяется и температура воздуха на входе в двигатель (а значит, и 7Д:). Чтобы поддержать /гпр = const, необходимо менять /гзаы в соот­ ветствии с изменением Ту*. Таким образом, САР приведенного числа оборотов является следящей системой. В системе преду­ смотрен одновременный замер 7\* чувствительным элементом 1 биметаллического датчика и /гзам чувствительным элементом 4 центробежного тахометра. Настройка системы на требуемое /гпр осуществляется РУД через специальный механизм. С изменени­

44

ем Т1 * перемещается свободный конец биметаллической пласти­ ны 1 и через рычаги 10, 2, кулачок 9 и суммирующей рычаг 3 перезатягивает пружину 5. Это приводит к вступлению в работу преобразующего 8 и исполнительного 6 элементов, а значит, и к движению дозирующей иглы 7. Игла так изменяет подачу топ­ лива в двигатель, что заданное /гпр восстанавливается. Для кор­ ректировки работы биметаллической пластины, а также выпол­ нения операции сравнения по закону (2.4), в систему введен спе­ циально спрофилированный кулачок 9.

В последнее время в следящие системы все чаще включают счетно-решающие устройства, в частности, электронные вычисли­ тельные машины. Это значительно повышает точность работы системы и улучшает качество регулирования, а также позволяет проводить процессы управления по оптимальным законам.

2.5.4. Системы оптимального управления

Системы оптимального управления относятся к большому классу кибернетических систем. Такого рода системы появились в технике сравнительно недавно. Бурное развитие кибернетиче­ ских устройств позволило создать целый ряд автоматических сис­ тем, которые самостоятельно решают множество технических за­ дач, в том числе и логического характера, с целью наиболее вы­ годного осуществления процесса управления. Однако это новое направление в развитии автоматических систем связано с опреде­ ленными трудностями (габариты систем, надежность их работы, относительно высокая стоимость и др.), что несколько тормозит внедрение их в некоторые области техники. По этой причине в авиационной технике системы оптимального управления только начинают внедряться, хотя в самом ближайшем будущем надо ожидать широкого использования их для управления полетом самолета, его отдельными узлами и агрегатами (двигатели и т. п.).

Системы оптимального управления достаточно изучены и ши­ роко эксплуатируются. Под о п т и м а л ь н ы м уравнением пони­ мается совокупность управляющих воздействий в сочетании с возможными ограничениями, которая обеспечивает получение наибольшей эффективности от управляемого объекта. Система автоматического управления будет оптимальной, если сама сис­

более оптимальный вариант изменения управляемых величин с целью получения от объекта управления наибольшей эффектив­ ности.

Каждый объект управления имеет определенные значения управляемых величин, при которых те или иные свойства его ис­ пользуются для нужд потребителя наиболее эффективно. Так, для самолета-перехватчика наиболее важным свойством являет­

45

ся тяга, развиваемая двигателями, значение которой выгодно иметь максимальным ‘независимо от условий полета. Такое тре­ бование выполнимо только при определенных сочетаниях раз­ личных параметров двигателей (числа оборотов, температуры газа перед турбинами и т. п.). Наибольшая эффективность от пассажирского самолета получается при минимальных значени­ ях удельного расхода топлива в различных полетных условиях.

Таким образом, наибольшая эффективность от объекта уп­ равления получается тогда, когда управляемая величина как

функция времени поддерживается на максимуме или минимуме. Такие предельные значения функции называются э к с т р е му - м а м и, а соответствующие им системы — э к с т р е м а л ь и ы м и.

В технических системах оптимальные значения управляемых величин обеспечивают автоматы оптимизации. Обычно их вы­ полняют по замкнутой схеме (с обратной связью). Принципиаль­ но работа автоматов оптимизации заключается в том, что на их вход поступают сигналы с выхода системы. Предварительно та­ кие сигналы преобразуются, усиливаются и т. д. В автомате про­ исходит формирование управляющего' воздействия, которое ав­ томатически настраивает систему на оптимальный режим ра­ боты.

В качестве примера рассмотрим возможную схему оптималь­ ной системы управления ТРД,. установленного на транспортном самолете с большой дальностью полета. Для такого самолета система должна обеспечить полет с минимально возможным расходом топлива.

Из дроссельной характеристики ТРД (рис. 2.9) понятно, что это условие можно выполнить только на одном режиме работы

46

двигателя — крейсерском (вблизи числа оборотов /г1;р, где удельный расход топлива Сд близок к минимальному). Однако длительный полет обычно протекает при переменных внешних условиях, поэтому и крейсерский режим изменяется.

Функциональная схема такой системы приведена на рис. 2.10. Входными воздействиями для преобразующего-элемента (счетно­ решающего устройства) — автомата оптимизации является сиг­ нал А, формируемый по комплексу параметров, характеризую­ щих тягу двигателя R (непосредственный замер тяги в полете практического применения не нашел по причине, отмеченной в гл. I), и абсолютный расход топлива GT- Счетно-решающее уст­ ройство вырабатывает сигнал, пропорциональный Сд, согласно соотношению Сд= Gr/R , и передает его на экстремальный регу­ лятор автомата. Регулятор при этом обеспечивает подачу топли­ ва в двигатель в соответствии с сигналом оптимизации.

2.6. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ПО ХАРАКТЕРУ УПРАВЛЯЮЩЕГО

y(t), которые вырабатываются управляющим устройством и дей­ ствуют на управляемый'объект с целью ликвидации рассогласо­ вания между действительным и предписанным значениями уп­ равляемой величины л:Вых(0- В зависимости от физических про­ цессов, происходящих в АУУ при выработке воздействия y(t) и его конструктивного оформления, сигнал управляющего воздей­ ствия может иметь различную продолжительность и вид даже при постоянном |Наличии отклонения управляемой величины.

Большинство существующих систем автоматического управ­ ления можно классифицировать по данному признаку на непре­ рывные и прерывные системы. В свою очередь, прерывные систе­ мы подразделяются на два подкласса: импульсные и релейные, причем последние можно считать прерывными только условно, так как в определенные периоды работы они могут вырабаты­ вать непрерывный постоянный сигнал.

2.6.1. Системы непрерывного управления

Система непрерывного управления — это такая система, в ко­ торой выработка управляющего воздействия осуществляется не­ прерывно, пока есть отклонение действительного значения управ­

47

должно ликвидировать отклонение управляемой величины, то знаки этих сигналов всегда противоположны.

Примером системы непрерывного управления может служить САР числа оборотов ВРД (в диапазоне работы центробежного

Рис. 2.11. Возможные изменения управляемых величин и управляющих воздействий для систем непрерывного и прерывного управления:

а—система непрерывного управления; б —импульсная система; в—ре­ лейная система

регулятора), выработка управляющего воздействия GT в кото­ рой осуществляется постоянно, пока есть отклонение управля­ емой величины (п) от ее заданного значения (см. рис. 1.11 и 2.4).

2.6.2.Системы прерывного управления

Вэтих системах процесс выработки управляющего воздей­ ствия осуществляется прерывисто. Рассмотрим импульсную и релейную системы прерывного управления.

1. И м п у л ь с н ы е с и с т е м ы . В импульсной системе про­ цесс управления даже при непрерывном отклонении действитель­ ного значения управляемой величины протекает прерывисто, в виде импульсов определенной продолжительности 7\, проходящих через равные промежутки времени Г0 (длительность импульсов).

На рис. 2.11, б показано отклонение управляемой величины АА'гвых(/) и два вида возможных управляющих воздействий у' (t) и y"{t), вырабатываемых импульсными АУУ. Уровень управля­ ющих воздействий можно изменять за счет амплитуды А и час­ тоты следования импульсов.

В качестве примера импульсной системы рассмотрим систему ограничения температуры газа перед турбиной ВРД (рис. 2.12).

48

В элементе сравнения (ЭС) сравниваются два сигнала. Один сигнал снимается с чувствительного элемента (ЧЭ) (блока сдво­ енных термопар, термо-э. д. с. на которых пропорциональна тем­ пературе газа перед турбиной). Другой сигнал поступает от за­ датчика в виде опорного напряжения, пропорционального зара­ нее заданной максимально допустимой температуре газа перед турбиной. При превышении сигнала от ЧЭ над постоянным снг-

зателю

Рис. 2.12. Принципиальная схема автоматической системы ог­ раничения температуры газа перед турбиной ВРД

налом от задатчика ЭС вырабатывает сигнал, пропорциональ­ ный управляющему воздействию системы, который поступает на преобразующий элемент (ПЭ). Задатчик, ЭС и ПЭ обычно мон­ тируются в одном корпусе, называемом усилителем-регулятором температуры — УРТ. В случае повышения температуры газов сверх допустимой преобразованный и усиленный электрический сигнал рассогласования (управляющее воздействие) поступает с УРТ на исполнительный элемент (ИМ), в качестве которого при­ менен электромагнит. Сердечник электромагнита вместе с кла­ паном 2 втягивается, преодолевая натяжение пружины 1, и от­ крывает отверстие 3, соединяя правую полость сервомотора (СМ) со сливом. Поршень 4 СМ переводит регулирующий ор­ ган (РО) (наклонную шайбу 6 плунжерного насоса 5) на умень­ шение подачи топлива (уменьшение угла наклона шайбы 6). При этом температура газа перед турбиной снижается до допу­ стимой.

Для получения устойчивой работы системы и осуществления пропорциональной зависимости между сигналом на выходе из УРТ н перемещением клапана 2 в схеме (в УРТ) применена спе­ циальная автоколебательная импульсная выработка сигнала. Электромагнит при этом работает с определенной частотой вклю-

49