Комбинированное управление

Дальнейшее улучшение работы автоматических систем дости­гается применением комбинированного управления, сочетающего принцип компенсации, т. е. управление по разомкнутой схеме, с принципом обратной связи, т. е. управлением по замкнутой схеме. При этом все доступные сведения о характеристиках объекта и возмущающих воздействиях используются для по­строения разомкнутой цепи управления по возмущению. Оста­точные погрешности такого управления обусловлены невозмож­ностью контролировать какие-либо из возмущающих воздейст­вий и неточным знанием характеристик объекта или их неста­бильностью. Для устранения этих остаточных ошибок добав­ляется вторая цепь управления, построенная по принципу обрат­ной связи. Поскольку задача, решаемая этой второй цепью, суще­ственно облегчена и ограничивается снятием небольших остаточ­ных отклонений, качественные показатели системы в целом улуч­шаются. Можно уменьшить коэффициент усиления в замкнутом контуре, сохранив такие же ошибки, как в отсутствие разомк­нутой цепи управления, и это повысит быстродействие. Сохраняя же высокий коэффициент усиления в замкнутом контуре, можно повысить точность системы за счет добавления разомкнутой цепи компенсации возмущений.

Общий вид структурной схемы автоматической системы с комбинированным управлением показан на рис. 36.

Рис. 36. Структура автоматической системы с комбинированным управлением

Легко ви­деть, что такого рода схема получается из обобщенной схемы адаптивной системы (рис. 17) путем отбрасывания всего лишь одной стрелки, - При этом вход х обозначает каналы по­ступления возмущающих воздействий. На объект действует ряд возмущений (стрелка х двойная), а под контроль разомкнутой цепи управления (регулятора Р,) берутся лишь некоторые из них, чаще всего одно (соответствующая стрелка на рис. 36 изображена одиночной линией).

Системы комбинированного управления нашли применение и устройствах управления электроприводом, для стабилизации напряжения в силовых установках. Простым устройством такого рода является показанная на рис. 37, б схема стабилизации рабочей точки транзистора в мощном усилительном каскаде.

Рис. 37. Схемы стабилизации рабочей точки транзистора: а — за счет обратной связи; б — комбинированная.

В маломощных каскадах легко получают высокую стабиль­ность рабочей точки транзисторов при помощи схемы с тремя сопротивлениями ( и R₃ на рис. 37, а). В этой схеме вели­чина тока в цепи эмиттера транзистора

(20)

где — коэффициент усиления по току транзистора в схеме с общей базой; /_к0 — обратный ток коллекторного перехода; Uб.э — падение напряжения на переходе омежутке база — эмиттер;

(21)

• напряжение на нижнем плече делителя, составленного из ре­зисторов и , в отсутствие нагрузки его током базы;

• ротивление псопараллельного соединения резисторов и R₂.

В общем случае различные экземпляры транзисторов вследст­вие технологического разброса обладают разными значениями параметров , 1_К0 и U_б.э. Поэтому и ток эмиттера в схеме на рис. 37, а для разных экземпляров транзисторов может отли­чаться. Однако, выбирая сопротивления и R_Э так, чтобы выполнялись неравенства:

(22)

можно сделать ток эмиттера слабо зависящим от индивиду­альных параметров транзистора. Действительно, с учетом нера­венств (22) соотношение (20) переходит в приближенное:

где не зависит от параметров транзистора, см. формулу (21).

Стабилизирующие свойства схемы на рис. 37, а объясняются использованием в ней принципа обратной связи. Приложенное ко входу транзистора напряжение равно разности напря­жения, снимаемого с нижнего плеча делителя R1, R₂, и напря­жения, выделяющегося на сопротивлении R₃ под действием проходящего через него тока эмиттера /_э. Вызванное любой при­чиной увеличение тока эмиттера приведет к уменьшению напря­жения U_б-э, а это, в свою очередь, вызовет уменьшение тока через эмиттерный переход. Противоположные процессы противо­действуют уменьшению тока эмиттера.

Отрицательная обратная связь, создаваемая резистором , тем глубже, чем больше его сопротивление, т. е. чем большая доля полного питающего напряжения Е_к падает на нем (чем выше ). Таким образом, высокая стабильность достигается ценой потери в цепях стабилизации значительной мощности. Это особенно неприятно в мощных транзисторных каскадах.

Схема с комбинированным управлением, изображенная на рис. 37, б, свободна от этого недостатка.

Основной причиной нестабильности рабочей точки транзи­стора является температурная зависимость его параметров, в частности уменьшение напряжения на эмиттерном переходе на 2—3 мв при повышении температуры на каждый градус. Такую же температурную зависимость проявляет падение пря­мого напряжения U_д на полупроводниковом диоде. Поэтому, заменив резистор R₂ (рис. 37, а) полупроводниковым диодом Д (рис. 37,6), можно неплохо скомпенсировать влияние темпера­туры на рабочую точку, обусловленное температурной зависи­мостью величины Uб. э. Конечно, эта компенсация не будет точ­ной и не уменьшит нестабильности, вызываемой другими причи­нами, в частности индивидуальными отклонениями параметров транзисторов. Поэтому наряду с цепью компенсации выгодно со­хранить цепь стабилизации, основанную на обратной связи ( )- Но глубину обратной связи можно резко уменьшить и, применяя резистор с небольшим сопротивлением, предотвратить чрез­мерную потерю мощности в выходной цепи усилителя.

В рамках принципов комбинированного управления разви­вается особая теория так называемых инвариантных систем — автоматических устройств, выход которых вовсе нечувствителен к определенным возмущающим воздействиям.

Лекция