ВВЕДЕНИЕ

Научно-технический прогресс в значительной мере определяется уровнем автоматизации отраслей народного хозяйства и внедрением систем автоматического регулирования и управления.

Важным этапом разработки систем регулирования и управления является выбор и проектирование корректирующих и усилительных устройств, предназначенных для преобразования и усиления сигналов. Такого рода преобразование связано с формированием сигналов коррекции статических и динамических характеристик системы; усиление сигналов необходимо для приведения в действие исполнительного устройства.

Общими задачами, решаемыми при проектировании, производстве и эксплуатации корректирующих и усилительных устройств систем автоматики, являются следующие:

формирование требуемых статической и частотной характеристик;

синтез обратных связей и согласование с входом и выходом (нагрузкой);

воспроизведение характеристик при серийном и массовом производстве;

обеспечение высокой надежности;

унификация устройств и их элементов.

Кроме того при проектировании корректирующих и усилительных устройств должен быть решен ряд специфических задач. Особые требования, предъявляемые к корректирующим элементам систем с переменными параметрами — возможность и простота перестройки структуры, программы и параметров корректирующих элементов. Усилительные устройства должны удовлетворять определенным техническим условиям по удельной и максимальной выходной мощности, а также к. п. д.

Решение этих многоплановых технико-экономических задач возможно при комплексном подходе, объединяющем общие методы технической кибернетики с частными методиками расчета и проектирования элементов автоматики.

Выбор, расчет и проектирование усилительных устройств САР и САУ предшествует синтезу и разработке корректирующих устройств и элементов, поэтому первый раздел настоящей книги посвящен усилительным, а второй — корректирующим устройствам.

Нагруженное усилительное устройство независимо от типа усилителя и физической природы нагрузки представляет собой динамическую систему, характеризуемую некоторым числом обобщенных координат и сил. Общность дифференциальных уравнений нагруженных усилительных устройств позволяет разработать единую методику аналитического синтеза и машинного проектирования усилителей как элементов САР и САУ, а также единый подход при анализе устойчивости и естественных обратных связей, эквивалентных действию нагрузки; синтезе корректирующих обратных связей; при согласовании усилителя с нагрузкой; формировании и согласовании линейных участков статических характеристик. Разнообразные частные методики расчета усилителей, изложенные в специальной литературе, имеют своей целью определение параметров и режимов, обеспечивающих требуемые характеристики и технические условия.

Усилительные устройства, применяемые в системах автоматического регулирования и управления, можно подразделить на две группы:

1) электрические усилители, имеющие электрические источники питания;

2) гидравлические и пневматические усилители, использующие в качестве основного энергоносителя рабочее тело — жидкость или газ.

Источник питания или энергоноситель определяет наиболее существенные особенности усилительных устройств автоматики: статические и динамические характеристики, удельную и максимальную мощность, надежность, эксплуатационные и техникоэкономические показатели.

Группу электрических усилителей, рассматриваемых в первом разделе настоящей книги, составляют электронные вакуумные, ионные, полупроводниковые (транзисторные и тиристорные), диэлектрические, магнитные, магнитно-полупроводниковые, электро-машинные и электромеханические.

Квантовые усилители и генераторы составляют особую подгруппу устройств, используемых в качествё усилителей и преобразователей слабых радиотехнических и других сигналов.

Другую группу усилительных устройств САР и САУ, также рассматриваемых в первом разделе книги, представляют гидравлические и пневматические усилители. В гидроавтоматике и пневмоавтоматике используется энергия статического или динамического давления жидкого или газообразного рабочего тела.

Второй раздел книги посвящен корректирующим элементам и устройствам систем регулирования и управления. Постановка задачи синтеза корректирующих устройств подробно рассмотрена во второй книге серии «Техническая кибернетика» (Теория автоматического регулирования). Второй раздел настоящей книги открывается классификацией и исследованием общих методов проектирования линейных и нелинейных корректирующих устройств. Далее

рассматриваются принципы действия, характеристики, конструктивные особенности, методы расчета и реализации электрических, электромеханических, гидравлических и пневматических корректирующих устройств.

В зависимости от места включения в схему САР или САУ линейные корректирующие устройства подразделяются на три типа: последовательные, параллельные корректирующие элементы и корректирующие обратные связи. Использование того или иного типа корректирующих устройств определяется простотой технической реализации и эксплуатационными требованиями.

В линейных САР или САУ могут быть вычислены эквивалентные корректирующие элементы, которые вместе с одним из устройств неизменяемой части (например, усилителем или двигателем) образуют подобные в динамическом отношении звенья.

Формулы перехода от передаточной функции корректирующего элемента одного типа к передаточной функции элемента другого типа имеют следующий вид:

где соответственно передаточные функции охватываемых устройств системы, последовательного, параллельного корректирующих элементов и эквивалентной корректирующей обратной связи.

Корректирующие элементы последовательного типа целесообразно применять, если сигнал, величина которого функционально связана с сигналом ошибки, является смодулированным электрическим сигналом. Синтез последовательного корректирующего устройства в процессе проектирования системы управления наиболее прост. Корректирующие элементы параллельного типа удобно использовать при формировании сложного закона регулирования с введением интеграла и производных от сигнала ошибки. Корректирующие обратные связи, охватывающие усилительные или исполнительные устройства прямой цепи САР или САУ, находят наиболее широкое применение благодаря простоте технической реализации. Во-первых, в этом случае на вход элемента обратной связи поступает сигнал сравнительно высокого уровня (например, с выходного каскада усилителя или двигателя). Во-вторых, использование корректирующей обратной связи позволяет уменьшать влияние нелинейностей тех устройств системы, которые ими охватываются, следовательно, в ряде случаев удается улучшить качество процесса регулирования. В-третьих, корректирующая обратная связь стабилизирует статические коэффициенты охватываемых устройств в условиях действия дестабилизирующих факторов и т.д.

Корректирующая обратная связь в виде соответствующей цепи электронного усилителя, подавляющая высокие частоты, аналогична действию последовательного интегрирующего звена; корректирующая обратная связь, подавляющая низкие частоты, аналогична последовательному дифференцирующему звену Наконец, корректирующая обратная связь, подавляющая средние частоты, эквивалентна последовательному интегродифференцирующему элементу.

В современных системах регулирования и управления, помимо простых пассивных корректирующих элементов на постоянном и переменном токе, широкое применение находят активные электрические и электромеханические корректирующие устройства, обладающие большими техническими возможностями.

Все более широкое применение находят нелинейные и логические корректирующиеустройства, реализующие оптимальные нелинейные законы управления. С помощью нелинейных устройств удается изменять амплитудную характеристику системы, не вызывая существенных деформаций фазовой характеристики и наоборот. В системах с нелинейными логическими корректирующими устройствами можно вызвать «скользящие» режимы, приводящие к независимости динамики системы от изменения параметров объекта управления.

Нелинейные логические корректирующие устройства, применяемые в современных САР и САУ, характеризуются сложной структурой, реализация которой стала возможной только в связи с достижениями современной микроэлектроники. По мере усложнения структуры, функциональных и логических возможностей корректирующие устройства САР и САУ все более приближаются по своим характеристикам к возможностям аналоговых и цифровых специализированных машин.

Применение специальных средств аналоговой и цифровой вычислительной техники для формирования оптимальных законов, обеспечивающих достижение цели управления при изменяющихся внешних и внутренних условиях, будет рассмотрено в последующих книгах данной серии инженерных монографий.