ГЛАВА I. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕОРИИ ЛИНЕЙНЫХ УСИЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Общей функцией усилительных устройств (усилителей и распределителей) САР является усиление по мощности сигнала управления (или сигнала ошибки) до уровня, необходимого для управления исполнительным устройством.

По структуре усилительное устройство САР представляет собой, как правило, многокаскадный усилитель со сложными обратными связями, которые вводятся для улучшения его статических, динамических и эксплуатационных характеристик.

В данной главе анализируются обобщенные дифференциальные уравнения усилительных устройств САР с обратными связями и без них. На основе этого анализа рассматриваются разнообразные структурные схемы усилителей с учетом обобщенных координат и нагрузок, их статические и динамические характеристики. Формулируется общая постановка задачи выбора и расчета усилительного устройства САР.

Вопросы, посвященные специфическим особенностям выбора и расчета усилителей, рассматриваются в последующих главах книги.

1. УСИЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО КАК ЭЛЕМЕНТ САР

Место усилительного устройства в общей функциональной схеме типовой САР в соответствии с определением, данным в работе [6], показано на рис. I. 1. В этой схеме усилительное устройство 6 является элементом сервомеханизма САР.

Усилитель САР представляет собой устройство, в котором сравнительно маломощным входным сигналом можно управлять передачей гораздо большей энергии от источника питания в нагрузку (исполнительное устройство).

Усилительное устройство обладает наиболее «гибкими» статическими и динамическими характеристиками. Поэтому

формирование контура САР, имеющего заданную структуру, обычно завершается проектированием или выбором усилителя, обеспечивающего общий требуемый коэффициент передачи и некоторые динамические показатели, формулируемые при синтезе системы [6].

По виду используемой энергии усилительные устройства САР классифицируются на электрические, гидравлические, пневматические.

К группе электрических усилителей в зависимости от типа усилительного (управляющего) элемента относятся электронные ламповые, ионные, транзисторные, тиристорные, диэлектрические, молекулярные, магнитные, электромашинные, электромеханические (релейные усилители и усилители с вибрационной линеаризацией) и комбинированные усилители.

Рис. 1.1. Функциональная схема типовой САР: 1, 4,6,9 — соответственно задающее, корректирующее, усилительное и чувствительное устройства; 2, 5 — сравнивающие устройства; 3, 10 — преобразующие устройства; 7 — исполнительное устройство и кинематическая передача; 8 — корректирующая обратная связь

Общность некоторых физических свойств жидкости и газа позволяет объединить гидравлические и пневматические усилители в другую группу. В зависимости от типа усилительного (распределительного) элемента гидравлические и пневматические усилители классифицируются следующим образом: распределители струйного типа, с золотником, с соплом — заслонкой, с заслонкой, комбинированного типа.

По виду статической характеристики, связывающей входную и выходную величины усилителя, в соответствии с работой [6] последние классифицируются на несущественно и существенно нелинейные устройства. К усилительным элементам, имеющим существенно нелинейные характеристики, относятся, например, тиратрон, тиристор, электромагнитное реле и др.

Для линеаризации характеристик усилителей, построенных на такого рода элементах, применяются специальные методы управления (например, вибрационная линеаризация, ФИМ, ШИМ и др.), которые подробно рассматриваются ниже. Существенным достоинством таких усилителей являются высокие энергетические показатели, а также некритичность элементов схем к разбросу их параметров,

к стабильности питающих напряжений и температуры окружающей среды.

Наряду с общей функцией усиления по мощности, усилительное устройство в частном случае может выполнять функцию усиления лишь одного из параметров, входящих в выражение мощности, при значении второго параметра, равном или близким к нулю. Такие режимы работы носят название холостого хода и короткого замыкания усилителя.

Входными величинами усилительных устройств в зависимости от типа усилителя являются ток и напряжение (электрическая мощность); скорость перемещения управляющего элемента и момент сопротивления или расход и давление рабочего тела (механическая мощность или мощность потока рабочего тела). Выходными величинами являются ток и напряжение (электрическая мощность); расход и давление рабочего тела (мощность потока рабочего тела) на входе исполнительного устройства.

В режиме холостого хода выходными параметрами будут электрическое напряжение холостого хода или давление рабочего тела при холостом ходе; в режиме короткого замыкания — электрический ток короткого замыкания или соответственно расход рабочего тела при коротком Замыкании.

Часто для получения механических величин, действующих на входе усилительного устройства, используются электрические сигналы. Устройства, преобразующие электрическую мощность в механическую, которая непосредственно не воздействует на объект регулирования и является входным параметром гидравлического или пневматического усилительного устройства, относятся, как известно, к классу преобразующих устройств.

При проектировании или выборе усилительных устройств САР предъявляются требования к следующим техническим характеристикам:

1) к величинам коэффициентов усиления и передачи усилительного устройства (в том числе к коэффициентам усиления по мощности);

2) к динамическим (частотным) характеристикам усилителя, определяющим устойчивость, быстродействие или полосу пропускания, перерегулирование, демпфирование и т. д.;

3) к линейности статических характеристик линейного (в рабочем диапазоне) усилителя, элементы и детали которого могут иметь нелинейные характеристики;

4) к стабильности и воспроизводимости коэффициентов передачи (усиления) по модулю и фазе при случайном производственном разбросе параметров элементов, деталей и узлов усилителя; при резко выраженной зависимости этих параметров от температуры; при изменении их в процессе старения; при возмущениях со стороны нагрузки и других параметрических возмущениях;

5) к энергетическим параметрам (параметрам входа и выхода, входной мощности, выходной мощности на единицу веса, к. п. д.).

В том числе требования к параметрам входного и выходного обобщенных сопротивлений (проводимостей), от которых зависит эффективность согласования усилителя с преобразователем (со стороны входа) и с нагрузкой (со стороны выхода) как с точки зрения энергетических характеристик, так и с точки зрения коэффициентов передачи, постоянных времени и др.;

6) к допустимым значениям внутренних шумов;

7) к надежности (в том числе к долговечности или ресурсу работы; механической, вибрационной или ударной прочности; перегрузочной способности по току, коррозионной и радиационной стойкости и т. д.).

Наряду с этими, существенное значение имеют технологические, эксплуатационные и экономические показатели.

Перечисленным выше требованиям наиболее полно удовлетворяют усилительные устройства, охваченные обратными связями [1]. Задачи, связанные с необходимостью анализа устойчивости усилителя с обратными связями, решаются в соответствии с известными критериями устойчивости [6].