ГЛАВА 1. Основные понятия и определения. Принципы управления

1.1. Определение системы автоматического управления (САУ)

Состояние любого технического устройства характеризуется одной или несколькими физическими величинами. Например, состояние генератора характеризуется величиной напряжения и значением частоты этого напряжения, двигателя — угловой частотой вращения его вала, закалочной печи — температурой, антенны радиолокационной станции — угловым положением, ракеты — координатами траектории полета.

Впредь технические устройства будем называть объектами, а физические величины, характеризующие их состояние, — выходными величинами объектов. На практике выходные величины объектов должны удовлетворять определенным требованиям. Совокупность предписаний, определяющих характер изменения выходных величин объектов, называется алгоритмом функционирования. К наиболее часто встречающимся на практике алгоритмам функционирования относятся следующие:

поддержание постоянства выходной величины равной заданному (требуемому) значению

изменение выходной величины по заданному закону (программе); изменение выходной Величины по заранее неизвестному закону. Например, обычно необходимо, чтобы напряжение генератора, частота этого напряжения, частота вращения ротора двигателя поддерживались постоянными, равными требуемым значениям. Траектория полета ракеты должна изменяться по определенной, заранее разработанной программе. Антенна радиолокационной станции должна изменять угловое положение таким образом, чтобы ось равносигнальной зоны была направлена на цель, координаты которой изменяются произвольно. Таким образом, выходную величину объекта необходимо поддерживать равной требуемому значению которое является постоянной величиной или же изменяется по некоторому, в общем случае неизвестному закону.

Для того чтобы выходная величина объекта (рис. 1.1) приняла требуемое значение, на его вход подается входное воздействие На рис. 1.2, а представлена принципиальная схема системы электропривода, состоящего из электромашинного усилителя мощности (ЭМУ) и электродвигателя постоянного тока М. В этой системе электродвигатель является объектом, а частота вращения его ротора — выходной величиной. Чтобы ротор электродвигателя вращался с требуемой частотой необходимо на его вход (якорную обмотку) подавать

Рис. 1.2. Схемы системы электропривода, состоящей из электромашинного усилителя мощности ЭМУ и электродвигателя М: а — принципиальна»; б - функциональная.

определенное напряжение Это напряжение снимается с выхода ЭМУ. В свою очередь, на обмотку управления подается напряжение с движка потенциометра При перемещении этого движка изменяется ток в обмотке и напряжение т. е. изменяется входное воздействие объекта. Последнее вызывает изменение выходной величины объекта — частоты вращения ротора. Для задания требуемой частоты вращения ротора двигателя движок потенциометра устанавливается в соответствующее положение. Поэтому потенциометр называют задающим устройством.

В дальнейшем, наряду с принципиальными, мы будем сталкиваться с функциональными схемами систем. Функциональная схема представляет собой схему соединения элементов, различаемых по их функциональному назначению. Функциональная схема электропривода ЭМУ — электродвигатель изображена на рис. где ЗУ — задающее устройство; У — усилитель; О — объект. Задающее устройство вырабатывает задающее воздействие (в системе рис. 1.2, а — напряжение которое с помощью усилителя усиливается и подается на вход объекта с тем, чтобы выходная величина объекта приняла требуемое значение Однако на практике выходная величина объекта по ряду причин отклоняется от требуемого значения. Одной из этих причин является влияние различного рода внешних возмущающих воздействий на объект (на рис. 1.1 и показано одно внешнее возмущающее воздействие Например, отклонение частоты вращения электродвигателя (рис. 1.2, а) от требуемого значения может быть вызвано таким внешним возмущающим воздействием, как изменение момента нагрузки Мн на его валу.

Другой причиной является влияние изменения параметров объекта или других элементов системы, т. е. влияние параметрических возмущающих воздействий (рис. 1.1 и 1.2, б). Такими параметрическими возмущающими воздействиями электропривода (рис. 1.2, а) могут быть изменения коэффициентов усиления двигателя, ЭМУ и других параметров элементов системы. Впредь внешние и параметрические

Рис. 1.3. Переходный процессе системе электропривода рис. 1.2, а при скачкообразном изменении задающего напряжения .

возмущающие воздействия будем называть просто возмущающими воздействиями.

Третья причина, вызывающая отклонение от обусловлена изменением требуемого значения управляемой величины (изменением требуемой температуры закалочной печи, произвольным изменением угловых координат цели). Если требуемое значение выходной величины изменяется, то для соответствующего изменения действительного значения выходной величины необходимо изменять воздействие на входе объекта. При изменении же воздействия на входе объекта, обладающего инерционностью, возникает переходный процесс, в течение которого выходная величина не будет соответствовать требуемому значению. Например, если требуется изменить частоту электродвигателя М (рис. 1.2, а) скачком от 0 до (кривая 1, рис. 1.3) и в связи с этим быстро переместить движок потенциометра Я, то в двигателе (точнее во всей системе) возникнет переходный процесс. Частота вращения электродвигателя при этом изменяется по кривой, определяемой динамическими характеристиками двигателя и ЭМУ (например, по кривой 2). Эта кривая отличается от требуемого графика (скачка) изменения скорости. Изменение отклонения в течение переходного процесса на рис. 1.3 соответствует заштрихованной области.

Отклонение выходной величины от требуемого значения может возникать не только в переходном, но и в установившемся динамическом режиме, когда требуемое значение изменяется, например, с постоянной скоростью или постоянным ускорением.

Отклонение от под влиянием перечисленных причин может достигать недопустимо больших значений, при которых нарушается обеспечиваемый объектом технический процесс. Поэтому возникает задача уменьшения отклонений выходных величин объектов от требуемых значений. Эта задача является основной задачей управления (регулирования).

Наметим пути решения задачи управления. Как отмечалось, на выходную величину объекта (рис. одной стороны, влияет возмущающее воздействие приложенное к определенной точке объекта, вызывая нежелательное изменение — ее отклонение от требуемого значения. Канал, через который возмущающее воздействие влияет на выходную величину объекта, называют каналом возмущения КВ объекта (рис. 1.4, а). С другой стороны, на можно влиять подачей соответствующего воздействия на вход объекта, добиваясь уменьшения или устранения отклонения от требуемого значения. Канал влияния входного воздействия

Рис. 1.4. Схема объекта(а) и реакции его каналов возмущения КВ и управления полной компенсации возмущающего воздействия (б).

на выходную величину объекта будем называть каналом управления КУ объекта. Выходные величины каналов складываются (вычитаются) с помощью сумматора 2.

При увеличении момента нагрузки двигателя М (рис. 1.2, а), приложенного к его валу, появляется отклонение — уменьшение частоты вращения якоря от требуемого значения. Для устранения этого отклонения нужно соответствующим образом увеличить подводимое к его якорной обмотке напряжение (изменить воздействие на входе объекта). Пусть отклонение величины от вызванное возмущающим воздействием (рис. 1.4, а), изменяется, например, в соответствии с кривой (рис. 1.4, б). Для компенсации надо подобрать такой закон изменения воздействия на входе объекта (рис. 1.4, а), при котором кривая вызванного им отклонения выходной величины от требуемого значения (рис. 1.4, б) будет совпадать с кривой отклонения но иметь противоположный знак. В этом случае отклонения будут взаимно компенсироваться, результирующее отклонение и выходная величина тогда не будет зависеть от возмущающего воздействия Естественно, воздействие на входе объекта при этом должно соответствующим образом зависеть от возмущающего воздействия, а также статических и динамических характеристик объекта (его каналов возмущения и управления).

Отклонение, возникающее в связи с изменением требуемого значения выходной величины, также может быть уменьшено или устранено подачей на вход объекта воздействия, являющегося определенной функцией от требуемого значения и характеристик объекта.

Таким образом, задача устранения или уменьшения отклонения выходной величины объекта от требуемого значения (задача управления) сводится к нахождению необходимой зависимости воздействия на входе объекта от возмущающих воздействий, изменения требуемого значения выходной величины и характеристик объекта и реализации этой зависимости. Воздействие на входе объекта, полученное в результате преобразования факторов, вызывающих отклонение от или самого отклонения и обеспечивающее уменьшение этого отклонения (и тем самым приближающее функционирование объекта в соответствие с алгоритмом функционирования), называется

управляющим воздействием. Выходная величина объекта называется управляемой величиной, а объект — управляемым объектом. Математическое выражение зависимости управляющего воздейсгвия от возмущающих воздействий, изменения требуемого значения управляемой величины, отклонения управляемой величины, и характеристик объекта называется алгоритмом управления (регулирования).

После приведенных сведений сформулируем определение управления: под управлением понимается осуществление воздействий, получаемых в результате обработки имеющейся информации и направленных на уменьшение отклонения функционирования управляемого объекта от заданного алгоритмом функционирования. Очевидно, что необходимость в управляющем воздействии возникает в тех случаях, когда процесс в объекте отклоняется от предписаний, заданных алгоритмом функционирования.

Управляющее воздействие может вырабатываться с помощью человека или автоматическим управляющим устройством. Например, в системе (см. рис. 1.2) автоматическое управляющее устройство отсутствует. В ней не вырабатывается управляющее воздействие: входное воздействие объекта не изменяется в соответствии с изменением возмущающих воздействий (например, с изменением нагрузки) и отклонение выходной величины объекта (частоты вращения двигателя) от требуемого значения не уменьшается. В этой системе управляющее воздействие может вырабатываться человеком. Сравнивая действительное и требуемое значения управляемой величины, человек может выявлять отклонение между ними и в соответствии с величиной и знаком этого отклонения перемещать движок потенциометра

Если управляющее воздействие вырабатывается с участием человека, то такое управление называется полуавтоматическим. Автоматическим называется управление, осуществляемое без непосредственного участия человека, когда управляющее воздействие вырабатывается автоматическим управляющим устройством. Автоматическим управляющим устройством (АУУ) называется устройство, которое вырабатывает управляющее воздействие в соответствии с заложенным в нем алгоритмом управления и оказывает воздействие на управляемый объект.

Система, состоящая из управляемого объекта и автоматического управляющего устройства, взаимодействующих между собой в соответствии с алгоритмом управления, называется автоматической системой (системой автоматического управления, или системой автоматического регулирования). Предметом изучения теории автоматического управления являются системы автоматического управления и полуавтоматические (эргатические) системы управления, т. е. системы, содержащие человека-оператора.