книги из ГПНТБ / Ретман А.А. Автоматика и автоматизация портовых перегрузочных работ учебник

обозначать кружком с двумя перекрещивающимися линиями вну­ три. Внутреннее содержание каждого элемента не конкретизиру­

тора от непрерывного и утомительного наблюдения за процессом изменения контролируемой величины.

Так, зажигание зеленой лампочки на главном воздушном автоматическом выключателе (называемом автоматом) в кабине крановщика сигнализирует о том, что автомат по какой-либо причине отключился.

Автоматический контроль позволяет дистанционно непрерывно контроли­ ровать, например, температуру жидкости в системе охлаждения двигателя; та­ ким образом, водитель освобожден от необходимости непрерывно измерять степень нагрева двигателя.

На рис. 2,6 представлена функциональная схема незамкнутой системы автоматического управления в более узком смысле этого понятия. Как видно из схемы, такое автоматическое управление не имеет обратной связи. В этом случае автоматическое управле­ ние заключается в автоматическом воздействии на исполнитель­ ный орган ИО с помощью командных импульсов, подаваемых либо оператором, либо управляющим органом УО.

Автоматическое управление может быть местным и дистанци­ онным. М е с т н о е у п р а в л е н и е перегрузочной машиной ха­

ющее устройство находится вне машины на некотором расстоянии от нее. Разновидностью дистанционного управления является централизованное управление, т. е. управление несколькими ма­

10

Обратные связи могут быть положительными и отрицательны­ ми, жесткими и гибкими. В зависимости от рода выходной вели­ чины, на изменение которой реагирует обратная связь, различают

одного какого-либо элемента САР, такая связь называется мест­ ной, или внутренней, обратной связью, а связь, соединяющая вы­ ход и вход всей системы, называется главной обратной связью. По количеству обратных связей различают одноконтурные и мно­ гоконтурные системы автоматического регулирования.

Каждая автоматическая система состоит из отдельных эле­ ментов, выполняющих самостоятельную функцию, например из­ мерение и преобразование контролируемой величины выполняет датчик, усиление выходного сигнала, снимаемого с датчика, вы­ полняет усилитель. Вместе с тем и преобразователь, входящий в датчик, и усилитель относятся к промежуточным элементам. Раз­ личные соединения элементов, которые могут иметь разные кон­ структивные формы, схемы или принцип действия, характеризуют назначение автоматической системы. Соответствующими физиче­ скими величинами можно охарактеризовать состояние элемента, входящего в систему, или всю систему. Такими физическими ве­ личинами являются для электрических систем значения напряже­ ния, тока и их производные, для механических — величины пере­ мещения, скорости, ускорения.

Чтобы охарактеризовать состояние элемента или системы, сравнивают величины на входе элемента или системы с соответ­ ствующими величинами на выходе. В общем случае на выходную величину, кроме входной, могут воздействовать и другие факто­ ры, например, выходное напряжение генератора зависит не толь­ ко от изменения сопротивления реостата в цепи обмотки воз­ буждения, но и от частоты вращения, тока нагрузки и других величин.

Зависимость выходной величины элемента хВых автоматиче­ ской системы от входной хвх в установившемся режиме называ­

изменении знака входной величины. Статическая характеристика или семейство статических характеристик полностью определяют поведение элемента автоматики в установившемся режиме. Ана­

литически статическую характеристику можно описать уравне­ нием.

12

Если статическая характеристика элемента выражается ли­ нейной функцией, такой элемент называется л и н е й н ы м и его уравнение (уравнение прямой) имеет вид

коэффициентом усиления; она показывает, во сколько раз изме­

тельно сложнее, чем линейных, а иногда их вообще нельзя решить в аналитической форме. Поэтому нелинейные уравнения стремят­ ся линеаризовать.

При изменении входной величины или возмущающем воздей­ ствии элемент автоматической системы работает в неустановившемся, в переходном, т. е. в динамическом режиме. Математиче­

элемента в динамике, является линейным, то элемент или систе­ ма, в которую входит этот элемент, называются линейными. Если же динамика работы хотя бы одного элемента описывается нели­ нейным дифференциальным уравнением, то сам элемент и вся система, в которую входит этот элемент, называются нели­ нейными.

Любая автоматическая система может быть представлена в виде набора типовых элементов, которые могут соединяться меж­ ду собой последовательно и параллельно. Для исследования ди­ намических свойств автоматических систем необходимо знать дифференциальные уравнения элементов, входящих в систему.

Сравнение различных элементов по математическому описа­ нию показывает, что ряд различных по конструкции, по своим схемам, принципу действия и назначению элементов описывается дифференциальными уравнениями одного типа, т. е. обладает

13

Элементы с одинаковыми динамическими свойствами называют­

ется отношение изображения выходной величины звена к изобра­ жению функции входной величины при нулевых начальных усло­

цирующие. При этом один реальный элемент системы не всегда

Рис. 4. Примеры механического (а) и электрического (б) устройств, описывае­ мых общим дифференциальным уравнением

К п о з и ц и о н н ы м относятся звенья с линейной зависимо­ стью между входной и выходной величинами в установившемся режиме. К этой группе относятся: безынерционные (редуктор без учета его упругости и люфта, усилитель напряжения на сопро­ тивлениях без учета емкости и индуктивности); апериодические первого порядка, иногда называемые апериодическими, или инер­ ционными (электрический или гидравлический двигатель, если их механические характеристики выражаются параллельными лини­ ями); апериодические второго порядка (электродвигатель посто­ янного тока с независимым возбуждением, гидроусилитель); ко­

позиционные; звенья с чистым запаздыванием, крторое, не изме­

учете инерционного запаздывания).

Если же выходная величина звеньев в установившемся режи­ ме пропорциональна производной по времени от входной величи­ ны, звенья такой группы называются д и ф ф е р е н ц и р у ю щ и ­

14

ми и бывают идеальными (тахогенератор) и с замедлением (гидравлический демпфер с пружиной).

Взаимосвязь звеньев в автоматических системах и динамиче­

регулятора и объекта регулирования, как и на функциональной схеме, изображаются в виде прямоугольников. При исследовании динамики САР отвлекаются от конкретной физической природы регулируемой величины и аппаратуры. Эта схема изображает лишь математическую модель процесса регулирования. На струк­ турной схеме какое-либо устройство может быть представлено несколькими звеньями (прямоугольниками) и, наоборот, несколь­ ко однотипных устройств могут быть изображены как одно звено.

Рис. 5. Структурная схе­

Разделение САР на звенья осуществляется в зависимости от передаточной функции W, которая указывается внутри каждого прямоугольника (звена). Связи между звеньями изображаются стрелками, направление которых соответствует направлению воз­ действия. Регулируемая величина обозначается у, а величина, воздействующая на объект регулирования, обозначается лщ Про­ межуточные значения воздействующих величин одного органа регулятора на другой выражены через х и х2, х3 и я5, а задающая величина х0-

Вспомогательные элементы реальной системы, как и блок пи­ тания, на структурной схеме не показывают, так как они не вли­ яют на ее динамические свойства.

§ 2. КЛАССИФИКАЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМ АВТОМАТИКИ

Все системы автоматики можно классифицировать по различ­ ным признакам: принципу действия, характеру сигналов, мате­ матическому описанию, виду используемой энергии и др.

Классификация САР по принципу действия приведена на рис. 6. Как следует из схемы, все системы автоматического регу­ лирования разделены на три класса: незамкнутые, замкнутые и самонастраивающиеся. Каждый класс состоит из групп.

15

Незамкнутые САР подразделяются на с и с т е м ы к о м п е н ­ с а ц и и и н е з а м к н у т ы е с и с т е м ы п р о г р а м м н о г о р е г у ­ л и р о в а н и я . В этих системах значение регулируемой величины или закон ее изменения поддерживается непосредственно путем преобразования управляющего воздействия. Примером примене­ ния САР, работающей как система компенсации, является управ­ ление автоматическим разгоном электродвигателей в функции скорости или в функции тока. Сущность компенсации заключает­ ся в том, что возмущение, например толчок тока, вследствие

Рис. 6. Классификация систем автоматического регулирования (САР)

вывода ступени пускового сопротивления приводит в дальнейшем к увеличению частоты вращения двигателя, что, в свою очередь, вызывает снижение тока в токовом реле ускорения и вывод сле­ дующей ступени сопротивления, при этом возникает новое воз­ мущение (толчок тока). Таким образом, возмущающее воздействие (толчки тока в цепи ротора или якоря двигателя) посредством преобразующих элементов (реле тока) вызывает обратное (ком­ пенсирующее) действие на объект (снижение тока в токовом реле до минимального значения) сравнительно с прямым возмущающим воздействием.

При программном управлении автоматическим разгоном дви­ гателя применяется программирование вывода ступеней пусковых сопротивлений в функции времени. Для этого используются раз­ личные типы реле времени, выдержка срабатывания которых за­ ранее регулируется. Подробно схемы автоматического разгона двигателей в функции скорости, тока и времени рассмотрены

в § б.

Замкнутые САР делятся на системы автоматической стабили­ зации, системы программного регулирования и следящие системы, В этих системах управляющее воздействие сравнивается с дей­

16

например, во всережимном регуляторе дизеля— частоту вращения, в стабилизаторе напряжения — напряжение.

В з а м к н у т ы х с и с т е м а х п р о г р а м м н о г о р е г у л и: р о в а н и я значение регулируемой величины изменяется по за­ данному закону в функции времени,' т. е. САР автоматически поддерживает значение регулируемой величины по заданному за ­ программированному закону в зависимости от времени протека­ ния производственного процесса, например, поддерживает опре­ деленное значение силы тока при зарядке кислотных аккумуля­ торных батарей.

С л е д я щ и е САР — это системы, в которых задаваемая ве­ личина изменяется произвольно в широких пределах и повторя­ ется в определенном масштабе регулируемой величиной, т. е. в следящих системах закон изменения задающего воздействия за­ ранее неизвестен и устанавливается произвольно. Примером мо­ жет служить электрическая следящая система с сельсинами для поддержания или синхронизации частоты вращения электродви­ гателя постоянного тока с независимым возбуждением.

С развитием техники не все задачи автоматического регулиро­ вания могут быть решены с помощью рассмотренных выше си­ стем автоматики. Такой задачей является, например, обеспечение оптимального режима работы. В этом случае необходимо обеспе­ чить не только автоматическое поддержание и заданное измене­ ние регулируемой величины, но и качественные показатели, кото­ рые зависят от конкретных условий, например, расхода топлива, электрической энергии, сохранности перемещаемых грузов при погрузочно-разгрузочных работах. Показатель качества, как пра­ вило, является функцией нескольких величин. Однако для многих технических процессов характеристики объектов регулирования либо известны недостаточно полно, либо могут изменяться непред­ виденным образом.

Для нормальной работы самонастраивающихся САР не тре­ буется полных знаний о характере процесса регулирования, при протекании этого процесса они сами приспосабливаются к изме­ няющимся внешним условиям. Поэтому оптимальное автомати­ ческое регулирование работы некоторых управляемых объектов может обеспечиваться с помощью самонастраивающихся систем. Эти системы сами изучают поведение объекта и так воздейству­ ют на регулятор, что он реализует оптимальный режим работы.

Самонастраивающиеся системы можно разделить на три груп­ пы: системы экстремального регулирования, с перестраивающимися устройствами и аналитические самонастраивающиеся системы.

отыскивается и задается системе регулирования. Примерами экстремумов могут быть минимальный расход топлива, макси­ мальная скорость, максимальный коэффициент полезного дейст­ вия (к. п. д.). Экстремальные системы автоматически осуществля­

ют поиск наилучшего режима.

В с и с т е м а х с п е р е с т р а и в а ю щ и м и с я у с т р о й с т ­

ределения их динамических характеристик, поэтому в данные си­ стемы входят вычислительные машины.

Кроме обычных автоматических устройств, в некоторых слу­ чаях в самонастраивающиеся системы входят элементы, которые выполняют логические операции, блоки памяти и устройства по­ искового сигнала.

По виду сигнала САР можно классифицировать как системы непрерывного, импульсного (дискретного), дискретно-непрерыв­ ного (цифрового) и релейного действия. САР непрерывного дей­ ствия обеспечивает непрерывную связь между задаваемой и ре­ гулируемой величинами, например автоматическое поддержание натяжения ленты конвейера,'поддержание частоты вращения или жесткости механических характеристик крановых электроприво­ дов с помощью системы генератор—двигатель или дросселей. САР

импульсное регулирование скорости передвижения мостовых кра­ нов. САР релейного действия работает только при определенном значении задаваемой величины, как это имеет место при регули­ ровании частоты вращения механизма поворота портального крана в зависимости от изменения вылета стрелы.

По математическому описанию, т. е. по виду дифференциаль­ ных уравнений, описывающих поведение в динамике, все системы можно разделить на линейные и нелинейные.

В зависимости от вида используемой энергии системы авто­ матики можно разделить на механические, электрические, гидрав­ лические, пневматические и комбинированные.

САР бывают прямого и непрямого действия. В первых чувст­ вительный элемент непосредственно воздействует на регулирую­ щий орган, а во вторых — сигнал с чувствительного элемента поступает на промежуточные, а затем на исполнительные.

Если в системе автоматики регулируется одна заданная вели­ чина, такая система называется одномерной, если две — двухмер­ ной, если несколько, то многомерной. В свою очередь многомерные системы автоматического регулирования могут быть систе­ мами связанного и несвязанного регулирования. В системах свя­ занного регулирования регуляторы связаны между собой и ра­

18

ботают во взаимодействии. В системах несвязанного регулиро­ вания регуляторы, управляющие различными переменными, работают независимо друг от друга.

К САР предъявляются два основных требования: устойчи­ вость и качество процесса регулирования.

При возникновении возмущения в САР регулируемая величи­ на отклоняется от заданного ей значения, а автоматический ре­

ный процесс. Если с течением времени под воздействием регуля­ тора регулируемая величина вернется к заданному значению с той или иной степенью точности, то переходный процесс называ­ ется сходящимся, а САР — устойчивой. Если же с течением вре­ мени регулятор не сможет обеспечить возвращение регулируемой

процессов, протекающих в САР с момента возникновения возму­ щающего воздействия на управляемый объект до момента приве­ дения его в первоначальное состояние.

Наиболее благоприятным переходным процессом является апериодический, при котором заданное значение регулируемой величины при помощи регулятора достигается однозначно и бы­ стро. Менее благоприятным является колебательно-затухающий, потому что при этом переходном процессе регулируемая величи­ на возвращается к заданному значению постепенно и волнооб­ разно.

Удовлетворительным может считаться установившийся коле­ бательный процесс, при котором регулируемая величина изменя­ ется волнообразно в определенных пределах, если амплитуда этих изменений не выходит за пределы допустимых отклонений.

заданного значения. Устойчивость переходных процессов, а следова­ тельно, качество регулирования зависят от ряда факторов: кон­ струкции датчиков, особенностей управляемого объекта, свойств самого регулятора.

ГЛАВА II

ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

§3. ДАТЧИКИ И КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Косновным элементам автоматических систем, выполняющим определенные самостоятельные функции, относятся датчики, уси­ лители, исполнительные механизмы и др.

Д а т ч и к о м называется устройство, воспринимающее воз­ действие контролируемой величины, способное ее измерить и