Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Konspekt_lektsy_UTKS_ch_1.doc
Скачиваний:
11
Добавлен:
15.07.2019
Размер:
1.61 Mб
Скачать

Лекция 1

На протяжении всей истории постоянной заботой челове­чества было создание приспособлений и машин, облегчающих удовлетворение жизненных потребностей. Создаваемые человеком устройства нетрудно разделить условно на две большие группы. К первой можно отнести устройства, которые приносят полез­ный эффект в силу жесткости, статичности их конструкции, без использования каких-либо физико-химических процессов, в них протекающих. К такого рода устройствам относится большинство строительных сооружений, простые инструменты, многие пред­меты быта. Надо заметить, что создание такого типа устройств не является прерогативой человека и доступно практически всем видам животных (гнезда, берлоги и т. п.). Протекание естествен­ных физических или химических процессов в материалах таких статических устройств чаще всего приводит к снижению их эффек­тивности. Так, дом, в стенах которого появились трещины, зату­пившийся нож или покрытый ржавчиной напильник перестают удовлетворительно выполнять свое назначение.

Другую группу устройств, чрезвычайно расширяющуюся по мере прогресса техники, образуют те создания рук человеческих, которые дают полезный эффект благодаря целесообразной ор­ганизации протекающих в них физических или химических про­цессов. Их действие основано на разумном использовании раз­личных форм движения материи и на целесообразном управле­нии этим движением. К этой категории устройств относится большинство предметов, машин и аппаратов, созданием которых человек демонстрирует свое превосходство над представителями животного мира. Простейшая колесная повозка и современные заводы-гиганты, электронные вычислительные машины и косми­ческие корабли — все это устройства, отличающиеся тем, что какие-то величины, описывающие их состояние, нужным образом изменяются во времени.

Устройства первой группы можно назвать статическими си­стемами, а второй группы — динамическими системами. Естест­венно, что адаптация может быть свойственна только динами­ческим системам, на которых мы и должны далее сосредоточить внимание.

Рис. 16. Схема дина­мической системы.

Действие любой динамической системы можно описать зна­чением одной или нескольких величин, характеризующих наблю­ даемые на выходе этой системы результаты. Эти величины изме­няются во времени и называются выходными переменными, или просто выходом. Так, выходной переменной колесной повозки является ее положение на поверхности земли, холодильника — температура в камере, радиоприемника — звуковые колебания, создаваемые громкоговорителем и т. д.

Для того чтобы динамическая система функционировала, она должна воспринимать определенные внешние воздействия, назы­ваемые входными переменными, или входом. Входной перемен­ной повозки является сила, с которой толкает ее рабочий, холо­дильника — напряжение питающей электросети, радиоприемника — совокупность напряжений радиосигна­лов, поступающих из антенны, и напря­жение электросети.

Установить непосредственно, как зависит выходная переменная от вход­ной, удается лишь в редчайших элемен­тарных случаях. Как правило, при изу­чении динамических систем для выяс­нения этой связи приходится принимать во внимание ряд промежуточных, или «внутренних», переменных, описываю­щих состояние динамической системы: вращение колес повозки перепад давления в компрессоре холодильника, напряжения в различных цепях радиоприемника и т. п.

Итак, с понятием динамической системы связаны представ­ления о выходах y(t), входах x(t) и состояниях z(t) и матема­тические описания взаимозависимости этих переменных 1. В об­щем виде динамическая система изображается схематически, как показано на рис. 16. Входная и выходная стрелки нарисо­ваны двойными линиями, чтобы показать, что входов и выходов может быть много.

Легко заметить, что реагирующая часть Ч' в схеме адаптив­ной системы (рис. 15) может быть уподоблена динамической системе, если стимулы S отождествить с входными воздействи­ями x(t), а реакции R — с выходными переменными y[t). При этом, однако, динамическая система должна иметь еще дополни­тельный вход управляющих воздействий (Ф(7) на рис. 15). Обозначив управляющие воздействия символом xy(t), можно перерисовать схему, представленную на рис. 15, в виде рис. 17. Здесь динамическая система названа объектом (управления), обозначения условий y(t) и цели L[(t) сохранены прежние, а блок УУ представляет собой управляющее устройство.

Изучением свойств динамических систем, используемых в ка­честве объектов управлення, и принципов управления ими занимается особая дисциплина, называемая теорией автоматиче­ского управления или, короче, автоматикой. Развивающаяся на основе этой науки отрасль техники, носящая такое же название, в значительной мере связана с разработкой электронных уст­ройств, однако сферы ее приложения непрерывно расширяются в связи с решением задач массовой автоматизации производства и высокой эффективностью использования в управляющих уст­ройствах электронных вычислительных машин.

Разомкнутые системы автоматического регулирования и управления

Одна из фундаментальных задач, решаемых автоматикой, за­ключается в стабилизации выхода динамической системы. Пред­назначенные для этой цели устройства называются системами автоматического регулирования (САР). Известны два основных принципа действия САР: принцип компенсации возмущения и принцип регулирования по отклонению стабилизируемого па­раметра. Проще, по крайней мере в идейном плане, компепсационные САР (системы, использующие принцип регулирования по отклонению, будут рассмотрены позднее). Если взять за ос­нову обобщенную схему адаптивной системы (рис. 17)

Рис. 17. Преобразованная обоб­щенная схема адаптивной си­стемы.

и отбро­сить на ней стрелки Д(0 и связь от выхода объекта y(t) к управляющему устройству, то получим обобщенную схему САР компенсационного типа (рис. 18).

Рис. 18. Обобщенная схе­ма САР компенсационно­го типа.

Входом х здесь является возмущающее воздействие, вызы­вающее изменение выхода у. Оно же воспринимается управля­ющим устройством, задача которого сводится к выработке уп­равляющего воздействия х7, компенсирующего возмущение.

Простым примером такой системы является схема темпера­турной компенсации частоты настройки колебательного контура, основанная на введении в колебательный контур дополнитель­ного термокомпенсирующего кон­денсатора.

Резонансная частота колебательно­го контура выражается соотношением

(6)

и, естественно, будет стабильной, если не изменяются значения индуктивно­сти L и емкости С. Но у существую­щих катушек самоиндукции и конден­саторов обычно повышение темпера­туры приводит к некоторому увеличе­нию индуктивности и емкости. И то и другое вызывает снижение резонанс­ной частоты колебательного контура.

Наряду с обычными разработаны специальные конденсаторы, у которых при повышении температуры емкость заметно умень­шается. Вводя в колебательный контур такой конденсатор (пусть это будет С2 на рис. 19), можно скомпенсировать влияние тем­пературы на резонансную частоту. Для этого в общем случае достаточно добиться постоянства произведения LC, или, по­скольку в данном случае , постоянства величины

INCLUDEPICTURE "../../../DOCUME~1/B935~1/LOCALS~1/Temp/FineReader10/media/image25.jpeg" \* MERGEFORMAT (7)

Пусть при повышении температуры на АТ индуктивность L получает приращение AL, емкость основного конденсатора Сі — приращение ДСь а емкость компенсирующего конденсатора С2 — приращение АС2. Тогда условие компенсации примет вид:

INCLUDEPICTURE "../../../DOCUME~1/B935~1/LOCALS~1/Temp/FineReader10/media/image26.jpeg" \* MERGEFORMAT (8)

отсюда определим необходимое приращение :

INCLUDEPICTURE "../../../DOCUME~1/B935~1/LOCALS~1/Temp/FineReader10/media/image28.jpeg" \* MERGEFORMAT (9)

Подставляя в эту формулу значения и , соответствую­щие различным приращениям температуры, можно вычислить необходимые приращения емкости компенсирующего конденса­тора АС2 и тем самым определить требуемую температурную зависимость его емкости.

Вообще говоря, создать конденсатор со строго заданной за­висимостью емкости от температуры практически невозможно. Поэтому условие (9) удается выполнять лишь в двух-трех точ­ках рабочего диапазона температур, а в остальных точках про­исходит либо недокомпенсация, либо перекомпенсация.

Можно отметить и другие недостатки этого устройства. Необ­ходимый эффект достигается лишь при знании точных значений всех параметров компенсируемой схемы L, Си С2, AL, ДСи под­ставляемых в расчетную формулу (9), и сохраняется до тех пор, пока эти значения не изменятся. На практике же вследствие тех­нологического разброса все параметры могут в той или иной мере отличаться от номинальных или расчетных значений, и, кроме того, изменяться по мере старения деталей. Это зачастую требует трудоемкой экспериментальной на­стройки устройств компенсации и периоди­ческой подстройки их в процессе эксплуа­тации. Наконец, изменения некоторых пара­метров, присутствующих в уравнении ком­пенсации, могут быть необходимы для то- . го, чтобы устройство выполняло свое основ­ное назначение. Так, колебательные контуры в радиоприемнике должны перестраиваться при приеме радиостанций, работающих на различных частотах. Обычно это осущест­вляется применением конденсатора перемен­ной емкости. Тогда величина С[ в уравне­нии (9) будет переменной, и при настройке на разные частоты потребуются различные приращения ДС2. В таких случаях ком­пенсационные устройства рассчитываются на некоторое среднее значение переменного параметра и при от­клонении параметра от этого значения их эффективность заметно ухудшается.

Перечисленные недостатки типичны не только для схемы тем­пературной компенсации частоты, но и для всех САР компенса­ционного типа. Причина их кроется в том, что управляющее устройство получает информацию только о возмущающем воз­действии и не учитывает истинного значения стабилизируемого выхода (на рис. 18 нет связи управляющего устройства с вы­ходом у).

Обращаясь к общей схеме компенсационной САР (рис. 18), можно отождествить вход х с приращением температуры AT; объект управления — с совокупностью параметров L, Си С2 и переменных состояния AL, ДСі; выход у — с резонансной частотой f, а управляющее воздействие ху — с приращением ДС2. Разомкнутые системы автоматического регулирования и управления

Лекция

Си­стема автоматического регулирования усиления (АРУ) «вперед»

Другой пример САР, соответствующей этой же схеме, — си­стема автоматического регулирования усиления (АРУ) «вперед». Структурная схема этого типа АРУ изображена на рис.

Рис. Структурная схема системы АРУ «вперед».

Д —детектор; Ф — фильтр; р —нелинейный функ­циональный преобразователь.


Объектом управления здесь является регулятор ко­эффициента усиления К, введенный в один из каскадов усили­тельного устройства, входом — усиливаемый сигнал x(t), выхо­дом— уровень Y выходного сигнала y(t). Управляющее уст­ройство включает в себя датчик уровня входного сигнала (де­тектор Д со сглаживающим фильтром Ф, который выделяет постоянную составляющую напряжения, X) и устройство (р, управляющее работой регулятора коэффициента усиления.

Главной переменной объекта является коэффициент усиле­ния К, испытывающий на себе управляющее воздействие ху со стороны управляющего устройства:

Конкретный вид зависимости К от ху определяется техни­ческим воплощением регулятора усиления. Однако для поддер­жания постоянного уровня выходного сигнала (y=y0=const) при различных уровнях входного сигнала (X) надо, чтобы вели­чина К изменялась обратно пропорционально, значению Х.

ибо Y=KX.

Поэтому управляющее устройство должно осу­ществлять такое преобразование входного сигнала x(t) в управ­ляющее воздействие , которое с учетом конкретного вида функции обеспечит хорошее приближение зависимости К от X к необходимому виду. Этой цели и служит обозначенный на рис. символом блок, называемый функциональным преобразова­телем. Заметим, что даже в самом простом случае, когда регу­лятор обладает линейной характеристикой управления, т. е. функция имеет вид

Ka+bXy,

преобразователь должен быть нелинейным устройством и вырабатывать управляющее воз­действие в зависимости от величины X по формуле:

Как и в системе тсрмокомпенсацнп, здесь надо точно знать ряд парамет­ров объекта (а, b), с большой точностью реализо­вать необходимые характе­рис­тики управляющего устройства и добиться высокой стабильности этих характеристик в про­цессе эксплуатации. В противном случае компенсация будет не­полной и появится статическая погрешность.

Статическими называются ошибки, наблюдаемые при неиз^ менной величине возмущающих воздействий. Наряду с такими ошибками могут возникать динамические — сопровождающие изменения состояния САР при всяком изменении возмущения.

В САР компенсационного типа динамические ошибки возни­кают при условии, что объект и управляющее устройство реа­гируют на возмущение с разной инерцией. В рассмотренной раньше системе термокомпенсации динамическая ошибка возни­кает при быстром изменении температуры, если катушка само­индукции, основной конденсатор и компенсирующий с разной скоростью нагреваются или охлаждаются. Однако, если темпе­ратура окружающего воздуха приняла новое значение и перестала изменяться, то со временем и все детали примут эту температуру, после чего динамическая ошибка исчезнет.

В системе АРУ «вперед» (рис.) природа динамических ошибок иная. Здесь воз­мущающее воздействие (изменение уров­ня входного сигнала) безынерционно проникает на выход. Управляющее же устройство сделать безынерционным нельзя, так как для измерения уровня заранее неизвестного сигнала надо на­блюдать за ним в течение некоторого времени, чтобы отличить изменение уров­ня от изменений мгновенных значений напряжения собственно сигнала. Это и делает детектор Д с фильтром Ф, который сгла­живает пульсацию мгновенных значений.

Простейшим сглаживающим фильтром служит RC-цепочка (рис.), называемая в автоматике инерционным звеном первого порядка.

Рис. Простей­ший сглажвиающий фильтр — инерцион­ное звено первого по­рядка.

Ее инерционность определяется постоянной времени

= RC. (12)

Величина (в секундах, если R — в омах, а С—в фарадах) равна времени, в течение которого конденсатор заряжается до 73% напряжения, поданного на вход цепочки. Практически заряд конденсатора заканчивается за время (3—5) т. Именно в течение такого времени после скачкообразного изменения уровня входного сигнала будет происходить постепенное изме­нение коэффициента усиления в системе АРУ до нового значе­ния. Этот период называется переходным процессом и, пока он не закончится, существует динамическая ошибка. Изменение ди­намической ошибки в течение переходного процесса, вызванного скачкообразным изменением входного воздействия, описывается переходной характеристикой, форма которой считается в авто­матике одним из важнейших показателей качества автоматиче­ской системы. Типичные формы переходных характеристик по­казаны на рис.

Рис. Типичные формы отклика автома­тических систем на скачкообразное возму­щающее воздействие: 1 — апериодическая, 2 —с одним выбросом, 3 — колебатель­ная.

ест-статическая ошибка; уа — желаемое зна­чение выхода.

Характер переходного процесса существенно зависит от инерционных свойств элементов САР, в частности от типа примененных в ней фильтрую­щих цепей (числа реак­тивных элементов).

Вторая важнейшая задача, решаемая средствами автома­тики,— автоматическое изменение выхода динамической системы в зависимости от определенных, контролируемых автоматической системой, условий. Устройства, выполняющие такую функцию, называются системами автоматического управления (САУ).

К наиболее простым САУ относятся устройства, построенные по схеме, которая приведена на рис.

Рис. Структурная схема простейшей САУ.

Здесь управляющее устройство УУ воспринимает сигналы у. в зависимости от кото­рых должен изменяться выход у управляемого объекта, и пере­рабатывает эти сигналы в необходимое управляющее воздей­ствие Ху. Легко обнаружить, что эта схема также является частным случаем обобщенной схемы.

Примером такой САУ служит устройство автоматического регулиро­вания яркости (АРЯ) монитора или экрана телевизионных приемников, изменяющее яркость изобра­жения в зависимости от освещенности в комнате. Такое управление осуществляется очень просто. Яркость зависит от напря­жения между катодом и управляющим электродом кинескопа (Uу на рис.).

Рис. Принципиальная схема устройства АРЯ.

Ручная регулировка яркости производится с помощью потенциометра R1 на который поступает постоянное напряжение от источника +150 в. Параллельно сопротивлению R2 подключен фоторезистор ФСК-1, установленный на передней панели монитора или телевизора. Чем выше освещенность в комнате, тем меньше сопротивление фоторезистора и тем выше потенциал, подаваемый с движка потенциометра R\ па управляющий элек­трод кинескопа.

Сходный принцип действия положен в основу устройства ав­томатической установки диафрагмы в фото- и видеокамерах (рис.).

Рис. Схема устройства автоматической уста­новки диафрагмы в фотоаппарате.

Задача этого устройства сводится к изменению от­верстия диафрагмы в зависимости от освещения и светочувстви­тельности пленки. Как и в устройстве АРЯ, здесь используется фоторезистор Ф, являющийся датчиком освещенности.

Через этот фоторезистор замыкается цепь питания рамки гальвано­метра Г от батарейки Б. С вращающейся осью рамки гальвано­метра связан механизм привода двухлепестковой диафрагмы До, ограничивающей световой поток, который проходит через объек­тив камеры. С увеличением освещенности уменьшается сопротив­ление фоторезистора, увеличивается ток через рамку гальвано­метра, рамка отклоняется на больший угол, что приводит к боль­шему смыканию серповидных лепест­ков диафрагмы.

Если бы такое устройство рассчи­тывалось на применение пленки одной определенной чувствительности, то его можно было бы трактовать и как САР, стабилизирующую величину све­тового потока, падающего на эмуль­сию плен­ки при различных освещен - ностях фотографируемого объекта. При этом световой поток, прошедший через диафрагму, можно было бы принять в ка­честве выхода САР, а изменения средней освещенности объекта — за воз­мущающее воздей­ствие. Для точной работы такой си­стемы управляющее устройство должно изменять площадь от­верстия диафрагмы обратно пропор­ционально величине освещен­ности

При работе с пленками различной чувствительности нужен в каждом случае разный световой поток и задачей системы ста­новится не стабилизация его, а управление, устройство яв­но должно быть отнесено к категории САУ. Тогда за вы­ход системы можно при­нять площадь отверстия ди­афрагмы До- Для того что­бы эта величина зависела не только от освещенно­сти, но и от чувствительно­сти пленки, перед фоторези­стором устанавливается диафрагма Дф с калибро­ванными отверстиями, уменьшающими световой поток, падаю­щий на активную поверх­ность фоторезистора, пропорционально чувстви­тельности пленки. Таким образом, установкой диафрагмы Дф в нужное поло­жение можно согласовать действующую чувствительность фоторези­стора с чувствительностью применяемой пленки.

Процедуру выбора действующей чувствительности фоторези­стора, при­водящую к изменению зависимости устанавливаемого САУ отверстия диа­фраг­мы До от освещенности, можно истолко­вывать как изменение цели САУ. Структурная схема такого уст­ройства показана на рис.

Рис. 26. Структур­ная схема САУ с задаваемой целью управления.

В рассмотренном устройстве контролируемым усло­ви­ем Y является средняя освещенность фотографируемого объекта, выходом у — площадь от­верстия диафрагмы, целью Ц — указание о величине свето­чув­­стви­тель­ности пленки. В качестве управляющего воздействия можно при­нять любую промежуточную неременную в последовательности: сопро­тивление фоторе­зис­то­ра— ток через рамку гальванометра — угол поворота рамки — поло­жение частей механизма привода диаграфмы До — положение лепестков диафрагмы До. В качестве входа х выступают все, не компенсиру­е­мые системой возмущающие воздействия. Это — от­клонение освещен­нос­ти фотографируемого объекта от средней ос­вещенности кадра, отклонение поля зрения съемочного объек­тива от поля зрения фоторезистора, а также изменения трения во всех подвижных частях механизма диафрагмы До и измене­ния напряжения батарейки Б.

Как и в компенсационных САР, в разом­кнутых САУ требуется точное знание хара­ктеристик объекта управления, тщатель­ный расчет функциональ­ных преобразований, осуществляемых управляющим устройством, и высо­кая стабильность всех этих характе­ристик в процессе эксплуатации устрой­ства. В противном случае системы такого типа будут работать с заметными погрешно­стями. Причина этого прежняя — отсутствие контроля истинных значений выхода.

Лекция

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]