Цыпкин Я.З Основы теории автоматических систем

Подождите немного. Документ загружается.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ

СХЕМА

ТИПЫ СИСТЕМ

[ГЛ.

от того, какая величина является управляемой, один и тот же

объект может быть устойчивым или нейтральным. Некоторые

объекты

могут

обладать так называемым

запаздыванием.

За-

паздывание проявляется в том, что при изменении нагрузки или

Ъзмущающив

8оздвйш8ия

УО

ПЗУ

ЗУ

ИУ

:—

КУ

УУ

СУ

Рис.

3.1.

Рис.

3.2.

перемещении

управляющего органа, например, скачком управ-

ляемая

величина начинает изменяться не сразу, а спустя

неко-

торый промежуток времени т, называемый временем запазды-

вания

(рис. 3.2). К такого рода объектам относятся объекты,

Транспортов

ВцмшдштшнйЯ

машина

г)

Рис.

3.3.

содержащие трубопроводы, длинные линии, транспортеры. При-

меры объектов с запаздыванием приведены на рис. 3.3.

Для осуществления автоматического управления необходимо

хорошо знать свойства и особенности объектов. Изучение кон-

§3 1) ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА 33

сгрукций

объектов и их свойств относится к специальным дис-

циплинам

соответствующей отрасли техники (электротехники,

энергетики,

ядерной техники, авиации и г. п).

2. Измерительное устройство. Назначением измерительного

устройства является измерение действительного значения управ-

ляемой

величины. В зависимости от природы управляемой вели-

чины

измерительные устройства

могут

быть самыми разнообраз-

ными.

В рассмотренных выше примерах были использованы

измерительные устройства: тахометр (рис.

1.10),

ионизацион-

ная

камера (рис.

1.11),

термометр сопротивления (рис.

1.12),

курсовой гироскоп (рис. 2.8) и т. п. Всякое измерительное

устройство является преобразователем управляемой величины

величину, вообще говоря, иной физической природы,

удобную

для дальнейшего использования. Характерным свойством изме-

рительного устройства является весьма малое потребление

энер-

гии.

Это значит, что измерительное устройство практически не

оказывает влияния на состояние регулируемого объекта, т. е. на

значение

управляемой величины.

3. Задающее устройство. Предназначено для установления

необходимого значения управляемой величины. Это значение

может устанавливаться

вручную

постоянным, как в системах

стабилизации.

Оно может изменяться по какому-либо опреде-

ленному закону при помощи кулачка, вращаемого приводом

задающего устройства, или ленты с магнитной записью в систе-

мах программного регулирования. Либо, наконец, это значение

может изменяться по произвольному закону, как в следящих

системах. Усилие, необходимое для установки заданного значе-

ния

или закона изменения регулируемой величины, как пра-

вило,

весьма мало. В рассмотренных выше автоматических си-

стемах задающее устройство представляло собой пружину якоря

соленоида (рис. 1.8), кулачок, изменяющий положение движка

потенциометра

(рис.

1.12),

потенциометр следящей системы

(рис.

1.13).

Как и измерительное устройство, задающее устрой-

ство часто является преобразователем. Величина на

выходе

за-

дающего устройства должна быть одинаковой природы с вели-

чиной

на

выходе

измерительного устройства.

4. Сравнивающее устройство. Назначением сравнивающего

устройства является сопоставление значения управляемой вели-

чины

с ее заданным значением и, следовательно, выявление от-

клонения

регулируемой величины от заданного значения. Срав-

нивающее устройство обычно осуществляет операцию вычитания

Двух

величин.

В рассмотренных выше автоматических системах сравниваю-

щее устройство совмещено с измерительным и задающим

устройствами. В системе управления температурой (рис. 1 12),

курсом корабля (рис. 2.8), в следящей системе

(рис.

1.13)

2 Я, 3.

Цыпкин

34 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА

ТИПЫ

СИСТЕМ

[ГЛ. 3

сравнивающее устройство представляет собой мостик. Выходная

величина сравнивающего устройства пропорциональна отклоне-

нию

регулируемой величины

от

заданного значения. Поэтому

иногда сравнивающее устройство называют также датчиком

ошибки,

отклонения

или

рассогласования.

Усилительное устройство.

Предназначено

для

усиления

мощности

сигналов ошибки.

Оно

управляет энергией, поступаю-

щей

от

постороннего источника.

управляющих устройствах

широко

используются электронные, магнитные, гидравлические,

пневматические усилители.

простейших автоматических систе-

мах, таких,

как,

например, система автоматического регулиро-

вания

напряжения

на рис. 1.8,

усилительное устройство

отсут-

ствует.

системе автоматического регулирования напряжения

на

рис. 1.9

усилительное устройство представляет собой электро-

машинный

усилитель,

а в

автоматической системе управления

температурой

(рис. 1.12) и в

следящей системе

(рис.

1.13)

—

электронный

усилитель.

Исполнительное устройство.

Назначением исполнительно-

го устройства является воздействие

на

управляющий орган

объекта.

системе автоматического регулирования напряжения

(рис.

1.8)

исполнительное устройство представляет собой

ры-

чаг (траверзу), связывающий измерительное устройство

(точ-

нее говоря, сравнивающее устройство)

управляющим органом.

В автоматической системе управления курсом корабля

(рис.

2.8),

регулирования мощности энергетического ядер-

ного реактора

(рис. 1.11),

следящей системе

(рис. 1.13)

исполнительным устройством является двигатель.

этих систе-

мах исполнительное устройство содержит исполнительный

ме-

ханизм (рычаг, передача).

ряде автоматических систем

исполнительный

механизм,

как

таковой,

отсутствует

воздей-

ствие

на

объект осуществляется изменением состояния какой-

либо величины (тока, напряжения)

без

помощи механических

устройств. Мощность исполнительного устройства обычно

ве-

лика.

Корректирующее устройство.

Применяется

для

изменения

свойств автоматических систем

нужном направлении.

Так, на-

пример,

введение корректирующего устройства

автоматиче-

скую систему управления курсом корабля позволило устранить

незатухающие

или

возрастающие колебания управляемой вели-

чины

курса.

этому

же

результату

привело введение

воздейст-

вия

по

производной

от

курса. Подобные корректирующие

устройства образуют внутренние связи. Часто корректирующие

устройства используются

для

формирования управляющих

воз-

действий, зависящих

от

задающих

или

возмущающих воздейст-

вий,

что

позволяет существенно повысить динамические свойства

автоматических систем.

3 2]

ОСОБЕННОСТИ

АВТОМАТИЧЕСКИХ

СИСТЕМ

Мы

рассмотрели общую функциональную

схему

систем авто-

матического регулирования одной величины. Как мы видели,

ряде автоматических систем те или иные функциональные

элементы

могут

быть совмещены

друг

другом

или отсутство-

вать вовсе.

3.2.

Особенности

автоматических

систем

Любая автоматическая система представляет собой замкну-

тую цепь, или, иначе, цепь с обратной связью. Каждый из эле-

ментов автоматической системы соединен с остальными элемен-

тами так, что выходная величина его является входной величи-

ной

следующего элемента. При наличии корректирующих

устройств входная величина соответствующего элемента (на-

пример,

управляющего устройства на рис.

2.11)

является суммой

или

разностью выходных величин предшествующего элемента

корректирующих устройств. Элементы, входящие в эти си-

стемы, выполняя свои функции, связывают

между

собой иные

элементы системы и, следовательно, являются преобразовате-

лями

их входных величин в выходные.

Выходная величина элемента может отличаться от входной

величины физической природой, формой, т. е. законом измене-

ния

во времени, уровнем энергии. Эти отличия и степень важно-

сти того или иного отличия зависят от назначения элемента.

Так,

например, для ряда измерительных устройств характерно

преобразование измеряемой величины в величину иной физиче-

ской

природы (часто в электрическую величину). При этом за-

кон

изменения во времени выходной величины обычно стараются

сохранить таким же, как и закон изменения входной величины.

Энергетический уровень здесь не играет существенной роли и

обычно

невелик,

В усилительном устройстве важное значение

имеет уровень энергии.

Часть элементов автоматических систем обладает тем свой-

ством, что они не оказывают обратной реакции на предшествую-

щие

им элементы. Это значит, что присоединение последующего

элемента к предыдущему не изменяет состояния последнего.

Такое свойство элементов называется

однонаправленностью.

Свойством однонаправленности, как правило, обладает измери-

тельное устройство, потребляющее

малую

энергию по сравне-

нию

с энергией управляемого объекта. Управляемая величина

(например,

число оборотов двигателя) воздействует на измери-

тельное устройство (тахометр). Однако обратное воздействие

измерительного устройства на значение управляемой величины

практически

ничтожно и им можно пренебречь. Усилители, вхо-

дящие в состав управляющего устройства, также обладают

свойством однонаправленности. Наконец, этим свойством

обла-

дают

часто и сами регулируемые объекты.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА И

ТИПЫ

СИСТЕМ [ГЛ. 3

Наличие

хотя бы одного однонаправленного элемента в ав-

томатических системах приводит к

тому,

что воздействие, воз-

никшее

вследствие отклонения управляемой величины от задан-

ного значения,

«проходит»

в одном направлении по замкнутой

цепи.

Свойство однонаправленности лежит в основе принципа

их действия. Управляемая величина воздействует на измери-

тельное устройство. Последнее вместе с задающим устройством

воздействует на сравнивающее устройство. Сигнал сравниваю-

щего устройства образует ошибку, воздействующую на управ-

ляющее устройство, которое в соответствии с законом регулиро-

вания

управляет исполнительным устройством. Наконец, испол-

нительное устройство воздействует на управляющий орган.

Таким

образом,

автоматическая

система

представляет

собой

замкнутую

динамическую

систему,

обладающую

свойством

однона-

правленности

реагирующую

конечном

итоге

на

откло-

нение

управляемой

величины

3.3»

Основные типы автоматических систем

Рассмотренная

выше функциональная схема соответствует

разнообразным автоматическим системам. Элементы этой функ-

циональной

схемы осуществляются в различных конструктивных

формах. Однако общие динамические свойства автоматических

систем определяются не столько конструкцией отдельных эле-

ментов или физической природой регулируемой величины,

сколько

динамическими свойствами

элементов автоматической системы,

способами их соединения, характе-

ром передачи сигналов. Эти об-

щие

динамические свойства автома-

тических систем, относящиеся в рав-

ной

степени к системам различ-

ной

физической природы и разнооб-

разных конструкций, в значитель-

ной

мере являются предметом изу-

ис

ЗА

чения

теории автоматических си-

стем.

По

способу формирования и передачи сигнала управления,

характеризующего закон управления и преобразования его в

управляющее воздействие, мы

будем

подразделять автоматиче-

ские

системы на

непрерывные

дискретные.

В непрерывных

системах управляющее воздействие представляет собой непре-

рывную функцию, обычно пропорциональную сигналу ошибки

(рис.

3.4). В дискретных системах управляющее воздействие за-

висит от отдельных дискретных значений сигнала

ошибки.

Эти

3.3]

ОСНОВНЫЕ

ТИПЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

дискретные значения

могут

соответствовать: 1) произвольным

значениям

сигнала ошибки в фиксированные моменты времени

(рис.

3.5,

а),

2) фиксированным значениям в произвольные

-pTDirrn

_j_4-4V.44_|_|

i i i

i !

1 1 1

1 1

[

им

Рис

З.5.

ПП1

Рис.

3.6.

моменты времени (рис.

3.5,6),

3) фиксированным значениям,

ближайшим к произвольным значениям сигнала ошибки в

фиксированные

моменты времени

(рис.

3.5, в).

Первый

случай имеет место в

импульсных

автоматических

систе-

мах. В этих системах управляющее

воздействие представляет собой по-

следовательность импульсов, пара-

метры которых, например амплиту-

да

(рис.

3.6, а), ширина (рис. 3.6, б),

пропорциональны

значениям сигна-

ла управления в фиксированные

дискретные моменты времени.

Второй случай имеет место в ре-

лейных

автоматических

системах.

В этих системах управляющее воз-

действие представляет собой сту-

пенчатую функцию, высоты ступенек

которой

пропорциональны фиксиро-

ванным

значениям сигнала

управле-

ния

в произвольные моменты време-

ни

(рис.

3.5,6).

Наконец,

третий случай имеет место в

цифровых

автоматиче-

ских

системах.

В этих системах управляющее воздействие пред-

ставляет собой последовательность импульсов или ступенчатую

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ

СХЕМА

ТИПЫ

СИСТЕМ

[ГЛ

функцию.

Амплитуды

импульсов или высоты ступенек равны

фиксированным

значениям, ближайшим к произвольным значе-

ниям

управляющего сигнала в дискретные фиксированные мо-

менты времени (рис. 3.6, в).

В импульсных системах весьма просто осуществляется уси-

ление маломощного сигнала, пропорционального отклонению

регулируемой

величины в некую пропорциональную величину,

а также так называемое многоточечное или многоканальное ре-

гулирование. К импульсным автоматическим системам относятся

следящие системы, применяемые в телеуправлении и радиоло-

кации,

где используются импульсные методы измерения, пере-

дачи, преобразования и обработки информации.

Релейные

системы просты по конструкции, они позволяют

получить также весьма большое усиление маломощного сигнала,

однако без соблюдения пропорциональности.

цифровым автоматическим системам относятся системы,

содержащие цифровые вычислительные устройства. Цифровое

вычислительное устройство обычно выполняет функции задаю-

щего, сравнивающего и управляющего устройства. К цифровым

автоматическим системам относятся, например, копировальные

станки

с программным управлением, цифровые системы управ-

ления

полетом.

Приведем примеры импульсных, релейных и цифровых авто-

матических систем регулирования.

На

рис. 3.7 приведена

схема

импульсной автоматической си-

стемы управления температурой печи, отапливаемой газом.

В отличие от автоматической системы управления

температу-

рой,

рассмотренной выше, в этой системе усилительное устрой-

3.3] ОСНОВНЫЕ

ТИПЫ

АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ 89

ство представляет собой стрелку гальванометра с падающей

дужкой. Падающая

дужка

приводится в периодическое движе-

ние

вверх и вниз от синхронного двигателя Дв\ через редуктор

кулачок. Если температура печи равна заданной, то стрелка С

контактного гальванометра, включенного в диагональ мостика,

будет

находиться посередине контактных пластин КП и скошен-

ная

падающая

дужка

СПД

будет

свободно проходить от край-

него верхнего до крайнего нижнего положения. Если темпера-

тура

печи отклонится от заданной, то мостик разбалансируется

стрелка гальванометра отклонится от среднего положения

(например,

влево, как показано на рис. 3.7). При спуске СПД

прижимает стрелку к контактной пластине и останавливает-

ся,

замыкая цепь реверсивного двигателя

РД,

воздействую-

щего на регулирующий

орган—

клапан. При этом пружина Пр

растягивается, затем сжимается до тех пор, пока СПД не

нач-

нет подниматься, размыкая цепь реверсивного двигателя РД.

Чем больше отклонение стрелки контактного гальванометра,

т. е. чем больше отклонение температуры, тем раньше прижмет

стрелку СПД и, следовательно, тем больше

будет

длительность

замыкания

цепи двигателя. При отклонении стрелки контакт-

ного гальванометра в

другую

сторону

будет

замыкаться

другая

цепь

двигателя и двигатель

будет

вращаться в обратную сто-

рону. В этой системе управление двигателем (исполнительным

устройством) происходит не непрерывно, а периодически, через

равные (или примерно равные) интервалы времени. Импульс-

ные

усилительные устройства воздействуют на исполнительное

устройство периодически, через равные промежутки времени.

Такое усилительное устройство позволяет весьма просто осу-

ществить усиление маломощного сигнала, пропорционального

отклонению

управляемой величины. Такие автоматические си-

стемы являются импульсными системами. Усилительное

устройство импульсных автоматических систем обладает тем

свойством, что выходная величина его представляет последова-

тельность импульсов, длительность которых пропорциональна

управляющему сигналу (рис. 3.6), т. е. отклонению регулируе-

мой

величины в моменты, когда падающая

дужка

прижимает

стрелку, или, как говорят обычно, длительность импульсов про-

порциональна

значению управляющего сигнала в отдельные ди-

скретные моменты времени, как это показано на рис. 3.6, а.

Воз-

можны

и такие устройства прерывистого действия, выходной

величиной

которых также являются импульсы, но постоянной

Длительности и переменной высоты (рис.

3.6,6).

На

рис. 3.8 приведена схема релейной (контактной) следя-

щей

системы. Она отличается от

схем

следящих систем,

описан-

ных выше, тем, что потенциометр заменен контактными пла-

стинами.

При расхождении

угловых

положений задающей и

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ

СХЕМА

ТИПЫ

СИСТЕМ

(ГЛ.

отрабатывающей осей возникает напряжение, которое заставляет

сработать поляризованное реле. Это реле включает цепь двига-

теля, который изменяет

угловое

положение нагрузки так, чтобы

привести его к заданному. Напряжение, питающее двигатель,

постоянно

и не зависит от отклонения регулируемой величины,

Нагрузки

следовательно, и скорость вращения его постоянна.

Знак

(по-

лярность) этого напряжения зависит от знака отклонения управ-

ляемой

величины

(рис.

3.9). Такие автоматические системы

Рис.

3.9.

б)

Рис.

ЗЛО.

I I

являются релейными. В релейных автоматических

систе-

мах выходная величина управляющих устройств

представ»

§33]

ОСНОВНЫЕ

ТИПЫ

АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ляет собой последовательность прямоугольных импульсов, дли-

тельность которых и знак зависят только от знака входной ве-

личины

относительно нулевого значения (рис. 3.9). При наличии

зоны

нечувствительности релейный элемент срабатывает при

прохождении входной величиной некоторого постоянного значе-

ния

(рис.

3.10).

В релейных системах управляющие устройства

реализуются в виде реле с контактами, золотника с малым от-

верстием и т. п.

В качестве современной автоматической системы, исполь-

зующей цифровую вычислительную машину, рассмотрим систему

управления американской орбитальной станции «Скайлэб». Ор-

битальная станция «Скайлэб» предназначена для длительного

пребывания

космонавтов, и поэтому ко всем ее системам предъ-

являются весьма высокие требования по надежности, точности,

помехоустойчивости и т. д. Для улучшения динамических харак-

теристик систем регулирования используется бортовая ЦВМ.

Одной из таких систем является система управления ориента-

цией

станции в пространстве. На рис. 3.11 показан один из ка-

налов этой системы, а именно канал регулирования

углового

положения

около вертикальной оси

0z.

Истинное положение

станции

измеряется гироскопом /, установленным на стабилизи-

Рис

3.11.

рованной

в пространстве платформе. Сигнал, пропорциональный

отклонению

от вертикальной оси, сравнивается в

устройстве