ГЛАВА ВОСЬМАЯ. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ И СОГЛАСОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ

Энергетический расчет систем автоматического регулирования выявляет необходимую мощность различных элементов системы и рациональное использование располагаемой мощности этих элементов.

Энергетический расчет, как правило, возможен после определения основной структуры системы, но он очень важен для рационального построения системы. Можно утверждать, что сами предельные возможности систем автоматического управления в отношении быстродействия и точности в значительной мере определяются энергетикой протекающих в этих системах процессов. Между тем теория автоматического регулирования длительное время развивалась в отрыве от энергетики процессов управления. В этой области к настоящему времени сделаны первые шаги.

В данной главе рассматриваются отдельные вопросы энергетики систем автоматического регулирования.

8-1. ВЫБОР МОЩНОСТИ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ И УСЛОВИЯ СОГЛАСОВАНИЯ С НАГРУЗКОЙ

Исполнительные устройства являются обычно наиболее мощными устройствами системы автоматического управления, если не считать самого управляемого объекта. Поэтому энергетический расчет начинается с определения необходимой мощности сервомотора и условий его наилучшего согласования с нагрузкой — регулирующим органом.

Если регулирующий орган — механический, как, например, руль самолета или клапан регулировки подачи топлива, то его движение характеризуется угловой или поступательной скоростью и моментом или силой. Если регулирующий орган — электрический, как, например, обмотка возбуждения регулируемого генератора, то его состояние характеризуется током и напряжением. Таким образом, для регулирующего органа, так же как для любого другого элемента системы управления (см. гл. 2), можно указать обобщенную скорость х и обобщенную силу значения которых характеризуют его движение.

Произведение представляет мгновенное значение мощности, расходуемой в нагрузке (регулирующем органе), Обобщенная сила связана с обобщенной скоростью х соотношением

здесь сопротивление регулирующего органа (в «операторной форме); дополнительная сила, действующая на регулирующий орган.

Для механического регулирующего органа сопротивление образуется за счет сил инерции, сил вязкого трения и в отдельных

случаях — силы упругости. Дополнительная сила создается за счет воздействия управляемого процесса или тяжести. Сила сухого трения может включаться либо в составляющую причем сопротивление в этом случае нелинейно, либо может относиться к

Для регулирующего органа в виде обмотки возбуждения генератора сопротивление это полное электрическое сопротивление обмотки, а дополнительная сила это сторонняя наводимая в обмотке.

Достаточно общей формой механического сопротивления регулирующего органа (без учета силы сухого трения) будет:

где масса или момент инерции; коэффициент вязкого трения; коэффициент жесткости упругой нагрузки.

Таким образом,

Определение необходимой мощности сервомотора можно осуществлять различными методами с различной степенью точности.

Самым грубым способом является определение мощности, затрачиваемой в установившемся движении регулирующего органа с некоторой постоянной скоростью и некоторой постоянной нагрузкой. Этот способ не может дать сколь-либо точных результатов в системах автоматического регулирования, где движение регулирующего органа резко, отличается от перемещения с постоянной скоростью и постоянной силой.

Строгий метод определения необходимой мощности сервомотора основан на рассмотрении движения регулирующего органа в замкнутой системе при учете реальных возмущающих сил. В практическом применении этот метод заключается в следующем.

На основе расчетов и ориентировочного выбора элементов системы определяется структура замкнутой системы. Вычисляются (в первом приближении) возмущающие силы, действующие в замкнутой системе. основе исследования динамики процессов определяются основные параметры в замкнутой системе. Все указанное можно рассматривать как расчеты первого приближения, так как они осуществляются без учета энергетики элементов.

После определения характеристик процессов в замкнутой системе определяется необходимая мощность сервомотора и других элементов, уточняется состав элементов, их параметры, производится повторный уточняющий динамический расчет и, если необходимо, — повторный энергетический расчет.

Метод имеет два основных недостатка. Во-первых, этот метод в определенной мере является методом последовательных приближений и в связи с этим относительно трудоемок. Во-вторых, метод требует детального определения возмущающих сил, что часто оказывается невозможным для проектируемой системы. Эти недостатки часто вынуждают изменять метод в следующих двух направлениях. В ряде случаев приближенные характеристики процессов в замкнутой системе могут быть определены непосредственно из технических требований, предъявляемых к системе. Вместо реальных возмущающих сил могут рассматриваться некоторые типовые возмущающие силы.