§ 1.3. Примеры непрерывных автоматических систем

Один из первых в истории техники автоматических регуляторов был изобретен И. И. Ползуновым в 1765 г. Это был автоматический регулятор уровня воды в котле его паровой машины (рис. 1.15). Здесь полностью осуществлен общий принцип действия любого автоматического регулятора прямого действия (рис. 1.7). Измерительное устройство (поплавок), измеряющее регулируемую величину (высоту уровня воды в котле), непосредственно перемещает регулирующий орган (клапан питания котла водой). Котел является регулируемым объектом.

Изменение величины отбора пара из котла в паровую машину является основным возмущающим воздействием на регулируемый объект. Если отбор пара увеличится, испарение воды ускорится, уровень воды Н (регулируемая величина) начнет уменьшаться. Тогда поплавок, опускаясь, будет шире открывать регулирующий клапан, усилится приток питающей воды, и уровень ее будет автоматически восстанавливаться. Кроме изменения отбора пара, возмущающее воздействие на объект будет проявляться также и в изменении условий теплового режима работы котла (интенсивность топки, температура питающей воды и окружающего пространства). Регулятор во всех случаях будет действовать так, чтобы ликвидировать нежелательное отклонение уровня воды, по каким бы причинам оно ни возникало.

Следующим в истории техники автоматическим регулятором, получившим широкое распространение, был центробежный регулятор скорости вращения вала паровой машины, изобретенный Уаттом в 1784 г. (рис. 1.16). Этот регулятор имеет другую конструкцию и другую природу регулируемой величины (угловая скорость но совершенно тот же общий принцип действия регулятора прямого действия (рис. 1.7).

Измерительное устройство регулятора (центробежный механизм) реагирует на изменение регулируемой величины со. Так, если угловая скорость вала увеличивается, шары центробежного механизма расходятся, муфта поднимается и перемещает непосредственно регулирующий орган (например, заслонку в трубе питания машины паром). Это изменяет приток энергии в машину, чем автоматически уничтожается нежелательное отклонение угловой скорости .

Основным возмущающим воздействием на регулируемый объект здесь является изменение нагрузки на валу паровой машины. Кроме этого может иметь место в другое возмущающее воздействие в виде нарушения нормальных параметров пара в трубе питания машины. Регулятор гасит влияние любого воздействия (в определенных пределах), стремясь все время ликвидировать отклонение, по какой бы причине оно ни возникало.

Рис. 1.15.

Рис. 1.16.

После изобретения этих первых автоматических регуляторов, чисто механических, в течение XIX в. в связи с потребностями промышленности, транспорта и энергетики появляется много различных конструкций регуляторов, сначала механических, а затем и электрических. Дальнейшее развитие автоматики, особенно в XX в., идет все больше и больше по пути электрификации систем автоматического регулирования, в том числе и для механических, тепловых и химических объектов.

Для иллюстрации общности принципов построения систем автоматического регулирования, относящихся к самым разнообразным техническим объектам, приведем еще несколько конкретных примеров.

На рис. 1.17 изображена схема автоматического регулирования температуры воды или масла в тепловом двигателе. Нагретая вода из двигателя (регулируемый объект) поступает в термостат (измерительное устройство регулятора). Если температура воды повышается, то под действием увеличения давления паров специальной легко испаряющейся жидкости, находящейся в сильфоне термостата, прикрывается клапан прямого возврата воды в двигатель. Вследствие этого большее количество воды пойдет в обход — через радиатор, где она охлаждается. Таким образом автоматически поддерживается постоянная температура воды в системе охлаждения теплового двигателя (в частности, автомобильного). Это — регулятор прямого действия, работающий по той же общей схеме (рис. 1.7).

На рис. 1.18 показана схема автоматического регулирования угловой скорости со вращения вала электродвигателя . Последний является регулируемым объектом. Данная система работает согласно общей схеме автоматического регулятора непрямого действия (рис. 1.5).

Рис. 1.17.

Рис. 1.18.

Здесь изменение нагрузки на валу электродвигателя является возмущающим воздействием. Измерительным устройством служит тахогенератор (электрический тахометр), вырабатывающий напряжение пропорциональное регулируемой величине — угловой скорости . На потенциометре задатчика устанавливается напряжение соответствующее требуемому значению угловой скорости . Рассогласование подается на электромашинный усилитель (ЭМУ). Может быть введен также предварительный электронный усилитель (показан пунктиром). Электромашинный усилитель в соответствии с поступающим в его обмотку возбуждения сигналом изменяет ток в цепи якоря электродвигателя. Это является регулирующим воздействием, которое ликвидирует создавшееся отклонение угловой скорости .

Для иллюстрации комбинированной системы с регулированием по возмущению возьмем ту же систему регулирования скорости электродвигателя

(рис. 1.18) и, сохранив целиком всю прежнюю цепь регулирования по отклонению регулируемой величины, добавим к ней новую цепь регулирования по возмущающему воздействию (рис. 1.19). Эта новая дополнительная цепь состоит из моментной муфты, которая измеряет возмущающее воздействие в виде отклонения момента нагрузки от номинального значения, и из специального корректирующего устройства.

Рис. 1.19.

По принципу обычной системы регулирования работает также система автоматического управления торпеды по курсу (рис. 1.20). Гироскоп 2, сохраняя неизменное направление, измеряет отклонение торпеды от заданного курса. С гироскопом жестко связана заслонка, открывающая доступ воздуха под давлением в пневматическую рулевую машинку 3 (исполнительное устройство), которая поворачивает руль 4, возвращая тем самым торпеду на заданный курс.

Рис. 1.20.

Рассмотрим еще упрощенную схему автоматического регулирования напряжения генератора постоянного тока при помощи электронного регулятора (рис. 1.21). В данном случае регулируемым объектом является генератор

постоянного тока, регулируемой величиной — напряжение на клеммах генератора, внешним возмущающим воздействием — нагрузка в сети, на которую работает генератор. Измерительным устройством регулятора служит сетка лампы, а исполнительным устройством — анодная цепь лампы. При нежелательном изменении напряжения появляется напряжение на сетке и пропорциональное ему изменение тока в анодной цепи, а следовательно, и в обмотке возбуждения генератора, которая включена в анодную цепь. Этим изменением тока возбуждения ликвидируется нежелательное отклонение регулируемого напряжения.

Рассмотренные примеры относятся к одиночным системам автоматического регулирования.

Примерами связанных систем регулирования являются системы регулирования напряжения и частоты переменного тока, регулирования скорости и температуры в реактивных двигателях, регулирования различных величин в энергетической системе, состоящей из нескольких параллельно работающих объектов. Связанная система управления получается и при рассмотрении работы всего автопилота на самолете в целом.

Пример электромеханической следящей системы показан на рис. 1.22. Принцип ее действия следующий. На входе вращением рукоятки задается произвольный закон для угла поворота во времени

Рис. 1.21.

Рис. 1.22.

Тот же самый закон угла поворота во времени должен быть автоматически воспроизведен на выходе системы, т. е. на управляемом объекте: Для этой цели угол поворота на выходе передается при помощи вала обратной связи на вход системы, где он вычитается из задаваемого угла Это вычитание осуществляется при помощи механического дифференциала. Если угол на выходе не равен углу на входе до, то третий валик дифференциала повернется на разность этих углов — (рассогласование). Пропорциональное ей напряжение подается через усилитель на приводной двигатель, который вращает выходной вал системы. Если то двигатель обесточен и вращения не будет. Следовательно, система все время работает на уничтожение

рассогласования решая, таким образом, задачу воспроизведения на выходе произвольно задаваемой на входе величины Такая система позволяет при незначительной мощности на входе управлять любыми мощными или тяжелыми объектами (орудийными башнями и т.

Очень часто следящие системы применяются для дистанционного управления самыми разнообразными объектами, а также для телеуправления.

Рис. 1.23.

Дистанционное управление трудно осуществить при механической обратной связи, показанной нарис. 1.22. В этом случае применяется реостатная обратная связь на постоянном токе (рис. 1.23) для сельсинная обратная связь на переменном токе (рис. 1.24), т. е. механический вал обратной связи заменяется электрической передачей.

Рис. 1.24.

При этом пульт управления (вход системы) и управляемый объект (выход) могут находиться на некотором расстоянии друг от друга. Здесь рассогласование получается непосредственно в виде электрической величины (рис. 1.23).

Все три примера относятся к электромеханическим следящим системам. Существуют также электрогидравлические, электропневматические и чисто гидравлические или пневматические следящие системы, в зависимости от вида применяемых в них усилительных устройств. Общий принцип действия во всех случаях остается тем же самым.

Телеуправление применяется, когда пульт управления относится на большие расстояния. Он может быть неподвижным, а управляемый объект может двигаться в пространстве. В этом случае между задатчиком величины помещаемым на пульте управления, и входом следящей системы вводится радиолиния или другая линия связи для передачи задаваемой величины в виде электрической величины (рис. 1.25).

Входная и выходная величины следящей системы могут быть не только механические, как в примерах на рис. 1.22-1.25; они могут иметь любую физическую природу. В соответствии с этим конструкции тоже могут быть весьма разнообразными. Следящие системы, у которых входная и выходная величины представляют собой механические перемещения (вращения), иногда называются сервомеханизмами.

Рис. 1.25.

По принципу следящей системы работают многие системы дистанционного управления различными объектами, радиолокационные системы сопровождения самолетов, многие счетно-решающие устройства (например, интегрирующее устройство, схема которого дана на рис. 1.26), усилители с отрицательной обратной связью, многие точные измерительные системы радиокомпас, радиодальномер и т. п.

Рис. 1.26.

В настоящее время во многих областях техники существует необозримое количество самых разнообразных систем автоматического управления использующих принцип следящих систем. Он применяется почти везде где нужно добиться высокой точности и надежности автоматического управления.