в) Релейные системы. Релейные элементы

Нелинейности, приведенные в табл. 16-1, неизбежны в канале преобразования сигнала ошибки. Как правило, они оказывают нежелательное влияние на качество процессов регулирования. Приходится принимать определенные меры, ограничивать отклонения от линейных характеристик, для того чтобы не произошло резкого ухудшения качества процесса регулирования системы, которая проектировалась

Рис. 16-11. Приведение структурной схемы, содержащей в цепи обратной связи, к простейшей.

как линейная система. Другими словами, упомянутые нелинейности вносят нелинейные искажения линейную систему.

Однако возможна другая постановка вопроса, когда система намеренно выполняется как нелинейная, т. е. сознательно вводятся нелинейные элементы с целью придания системе определенных полезных свойств. К таким системам прежде всего относятся системы с релейными усилительными и исполнительными устройствами. Релейный усилитель (датчик, сервомотор) называют релейным элементом, а нелинейную систему автоматического регулирования с таким элементом — релейной системой.

В табл. 16-2 приведены характеристики типичных релейных элементов. Релейная характеристика (2) является характеристикой двухпозиционного поляризованного реле. Характеристики (3) и -характеристики трехпозиционного реле или усилительного каскада из фазового дискриминатора и электромагнитных реле. Характеристика является идеализированной характеристикой (2) при а характеристика (1а) — идеализированной характеристикой (3) также при

Приведем несколько примеров релейных систем.

а) Релейно-контактная следящая система. На рис. 1612 приведены схемы следящих систем с различными вариантами корректирующих цепей. Электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения включается со стороны якоря контакторами Контакторы включаются поляризованным реле. На обмотках поляризованного реле суммируются входной сигнал следящей системы, выходной сигнал, снимаемый с потенциометрического датчика угла поворота выходного вала, и корректирующий сигнал. Корректирующим сигналом в первом случае является производная выходной величины, снимаемая с тахогенератора (рис. 16-12,а), во втором случае — сигнал внешних пилообразных колебаний (рис. 16-12, б) и в третьем — сигнал запаздывающей обратной связи, снимаемый с выхода релейного

Рис. 16-12. Схемы следящих систем. а — коррекция при помощи производной от выходной величины; линеаризация системы с помощью внешних пилообразных колебаний; в — линеаризация введением запаздывающей обратной связи.

Таблица 16-2 (см. скан) Характеристики типичных релейных элементов

усилителя (рис. 16-12,в). Как известно (§ 4-5), такая обратная связь приводит к вибрационной линеаризации релейного усилителя следящей системы. Вместо поляризованного реле контакторы могут управляться также от двухтактного усилителя постоянного тока или фазового дискриминатора. Поляризованное реле совместно с контакторами в зависимости от их свойств может быть представлено одним из релейных элементов табл. 16-2.

Контакторы снабжены нормально замкнутыми контактами для динамического торможения двигателя при нулевом сигнале ошибки и сигнале, лежащем в пределах нечувствительности релейного усилителя. Если поляризованное реле двухпозиционное, то весь релейный усилитель будет иметь релейную характеристику (2). В этом случае надобность в нормально замкнутых контактах отпадает. Рабочий процесс релейной следящей системы внешне напоминает рабочий процесс линейной импульсной следящей системы с импульсным элементом, вырабатывающим прямоугольные импульсы. В обоих случаях на линейную часть (двигатель) воздействует последовательность прямоугольных импульсов так, чтобы сигнал ошибки стремился к нулю. Однако в импульсной линейной системе импульсы имеют одинаковую продолжительность а знак и амплитуда импульсов определяются знаком и величиной сигнала ошибки. В релейной же системе импульсы имеют постоянную амплитуду. Знак импульсов определяется знаком ошибки, а величина ошибки определяет продолжительность импульсов. В отличие от импульсной релейная система всегда нелинейна, поскольку продолжительность импульсов, действующих на непрерывную часть, является функцией координат системы.

Структурные схемы рассматриваемых следящих систем приведены на рис. 16-13.

На рис. показана структурная схема следящей системы с тахогенератором, а на рис. 16-13,б - следящей системы с запаздывающей обратной связью. Нелинейная функция релейного элемента (индекс х указывает, что релейный элемент может иметь также и постоянное временнбе запаздывание . В рассматриваемых

Рис. 16-13. Структурные схемы релейной следящей системы, а — коррекция введением производной от выходной величины; б - линеаризация введением запаздывающей обратной связи.

следящих системах определяется главным образом временем срабатывания и отпускания контакторов.

Для исследований часто бывает необходимо привести структурные схемы нелинейных систем к простейшим одноконтурным (рис. 16-9), В этом случае для схемы рис. 1643, а

для схемы рис. 16-13,б

В некоторых случаях исследование проводят на основе уравнений нелинейных систем. Уравнение для схемы рис. 16-13,а относительно х будет иметь вид:

где постоянное напряжение сети, подводимое контакторами к щеткам двигателя. Заметим, Система уравнений схемы рис. 16-13, б будет иметь следующий вид:

б) Гидравлическая релейная следящая система (рис. 16-14). Управляемый объект следящей системы приводится во вращение гидромотором поступательного движения. Гидромотор питается от насоса переменной производительности. Производительность насоса и скорость вращения установки пропорциональны наклону вращающихся цилиндров или отклонению рычага управления а. Рычаг управления приводится в движение электрическим сервомотором постоянной скорости с электромагнитными фрикционными муфтами. Электромагниты муфт управляются поляризованным реле, подключенным к выходу электронного усилителя ЭУ.

В электронный усилитель поступают: сигнал рассогласования от сельсинов и сигнал обратной связи от потенциометра рычага управления. Поляризованное реле и электромагнитные муфты образуют релейный элемент, выходной величиной которого является скорость вращения или скорость перемещения рейки рычага, Связь этой скорости с углом поворота рычага образует первое интегрирующее звено системы.

Вторым интегрирующим звеном является связь между выходным углом поворота установки и ее скоростью. Кроме того, связь между поворотом рычага и скоростью установки связана нелинейной зависимостью типа.«нечувствительность». Таким образом, рассматриваемая следящая система

Рис. 16-14. Гидравлическая релейная следящая система.

Рис. 16-15. Структурная схема следящей системы с двумя нелинейными элементами

представляет собой систему с двумя нелинейными элементами. Структурная схема следящей системы приведена на рис. 16-15.

в) Следящая система с управлением двигателя от обмоток возбуждения (рис. 16-16).

Рис. 16-16. Следящая система с управлением двигателем от обмоток возбуждения.

Двигатель следящей системы через сопротивление, значительно большее сопротивления якоря, подключен к сети с напряжением, существенно ббльшим противо-э. д. с. двигателя. В результате этого можно считать ток якоря величиной постоянной. Двигатель имеет расщепленную обмотку возбуждения, включаемую поляризованным реле.

В одну обмотку реле поступает сигнал ошибки, во вторую — корректирующий сигнал тахогенератора,

Рис. 16-17. Структурная схема системы с управлением двигателем от обмоток возбуждения.

Уравнение системы с учетом сухого трения в нагрузке имеет вид;

где момент инерции двигателя и связанных с ним вращающихся частей; - угол поворота выходного вала следящей системы; вращающий момент двигателя: момент сухого трения; — релейная характеристика; порция сигнала тахогенератора.

По уравнению (16-19) на рис. 16-17 составлена структурная схема следящей системы. На схеме обозначено Как видно, и в этой системе имеются два нелинейных элемента: релейный элемент и сухое трение, образующее обратную связь вокруг интегрирующего звена,

г) Система регулирования температуры.

Рис. 16-18. Схема системы регулирования температуры,

На рис. 16-18 изображена схема регулирования температуры в какой-либо камере. Чувствительным элементом, измеряющим отклонения температуры воздуха в камере от заданного значения, является биметаллическая спираль. Ползунок спирали скользит по контактной пластине с изоляционным промежутком. При нормальной температуре ползунок находится на изоляционном промежутке и сервомотор регулятора температуры отключен. При отклонении температуры от нормальной (заданной) ползунок включает один из контакторов или управляющих работой сериесного двигателя. Сериесный двигатель поворачивает заслонку в трубопроводе поступления горячего и холодного воздуха и восстанавливает тем самым заданное значение температуры. Серводвигатель охвачен жесткой обратной связью. Двигатель при повороте заслонки одновременно поворачивает контактную которая выключает серводвигатель - всегда несколько раньше того момента, когда температура достигает заданного значения. Контактная пластина и контакторы образуют релейный элемент. Двигатель можно рассматривать как интегрирующее звено. Его запаздывание приближенно можно учесть как эквивалентное постоянное

Рис. 16-19. Структурная схема системы регулирования температуры.

запаздывание релейного элемента. Динамические свойства объекта могут быть представлены динамическими свойствами инерционного звена. Изложенное позволяет построить структурную схему релейного регулирования температуры (рис. 16-19),

Описание различных релейных систем можно было бы продолжить. Они весьма распространены в автоматике. Отметим, что большое количество автопилотов являются релейными, как и большинство систем «отработок» (следящих систем) счетно-решающих устройств. Релейными системами являйся вибрационные регуляторы напряжения некоторых генераторов.

Во многих случаях в релейных системах применяется вибрационная линеаризация релейных элементов.

В этих случаях рабочие процессы систем становятся весьма близкими к процессам в линейных системах и исследуются уже методами линейной теории.