1.3. Классификация систем автоматического управления. Примеры

Системы автоматического управления целесообразно классифицировать исходя из наиболее общих признаков и их свойств. Такая классификация облегчает изучение и исследование САУ.

Классификация САУ по алгоритмам функционирования

Каждая автоматическая система характеризуется алгоритмом функционирования — совокупностью предписаний, определяющих характер изменения управляемой величины в зависимости от воздействия. По алгоритмам функционирования САУ делятся на стабилизирующие, программные, следящие и преобразующие системы.

Стабилизирующие автоматические системы. Алгоритм функционирования системы: поддержание с необходимой точностью постоянства (стабилизация) одной или нескольких управляемых величин при произвольно меняющихся возмущающих воздействиях. Задающей воздействие системы — постоянная величина, т. е.

Примерами стабилизирующих систем с принципом управления по возмущению и отклонению, а также с принципом комбинированного управления являются рассмотренные ранее стабилизирующие системы скорости вращения электродвигателя (см. рисунки 1.6, 1.10 и 1.12). Нагрузка управляемого объекта (момент нагрузки на валу электродвигателя, нагрузка генератора) в стабилизирующих системах обычно является основным возмущающим воздействием, наиболее резко влияющим на управляемую величину.

Примером стабилизирующей системы может также служить система частотной автоподстройки (ЧАП) (рис. 1.13, а), используемая для стабилизации промежуточной частоты в радиоприемных устройствах при произвольном изменении частоты принимаемого сигнала. При поступлении на смеситель напряжения сигнала с частотой и напряжения управляемого генератора УГ с частотой на его выходе возникает напряжение промежуточной частоты Это напряжение усиливается усилителем промежуточной частоты УПЧ и поступает на последующие элементы приемного устройства, а через обратную связь — на частотный дискриминатор Последний настроен на номинальное значение промежуточной частоты соответствующее частоте настройки контуров УПЧ приемника. Частота настройки ЧД в рассматриваемой системе является задающим воздействием. ЧД преобразует отклонение промежуточной частоты от заданного значения Лео шпро — в напряжение в соответствии со своей статической характеристикой (рис. 1.13, б). На схеме ЧД представлен в виде последовательного соединения элемента сравнения ЭС, выполняющего функцию вычитания , и преобразователя отклонения промежуточной частоты от заданного значения в напряжение . С помощью первоначальной настройки управляемого генератора УГ (например, подачей напряжения уставки ) устанавливают частоту напряжения на его выходе, равную при напряжении на управляющем элементе Значение выбирают из условия где — средняя частота диапазона изменения частоты

Рис. 1.13. Функциональные схемы: а — системы частотной автоподстройки; б - статическая характеристика частотгого дискриминатора; в — программной системы.

сигнала. В этом случае, если то т. е. промежуточная частота точно равна частоте настройки ЧД и поэтому на выходе ЭС Система находится в состоянии равновесия. При отклонении от на произойдет изменение промежуточной частоты на На выходе ЭС возникает отклонение (ошибка) которое преобразуется в напряжение усиливаемое усилителем У, и в виде управляющего напряжения «у поступает на управляющий элемент УГ. Под влиянием частота напряжения генератора изменяется таким образом, что уменьшается. Возмущающим воздействием в данной системе является изменение частоты сигнала, а управляемой величиной — значение промежуточной частоты.

Программные автоматические системы. Алгоритм функционирования системы: изменение управляемой величины с необходимой точностью в соответствии с заранее составленной программой. Задающее воздействие системы где — программа, заранее известная функция времени.

Программную систему можно рассматривать как стабилизирующую систему, в которой задача стабилизации усложняется задачей изменения управляемой величины по заданной программе. Изменение управляемой величины по программе достигается добавлением к стабилизирующей системе некоторого элемента — программного устройства ПУ (рис. 1.13, в), изменяющего задающее воздействие во времени по определенному закону. Для задания программы могут служить профилированные кулачки, электрические функциональные потенциометры, перфокарты, перфоленты и т. д. Примерами программных систем являются системы управления металлургическими, химическими и другими процессами, системы программного управления станками, системы программного управления выводом спутников Земли на расчетные орбиты, системы управления полетом самолета-снаряда, ракеты но заданному курсу и т.

Следящие автоматические системы. Алгоритм функционирования системы: изменение управляемой величины с необходимой точностью в соответствии с заранее неизвестной функцией времени, определяемой

задающим воздействием: где заранее неизвестная функция времени. Таким образом, следящая система, как и програм, мная система, воспроизводит задающее воздействие. Однако это воздействие в следящей системе изменяется не по заранее заданной программе, а произвольно. Например, антенна радиолокатора поворачивается следуя за самолетом, траектория движения которого заранее неизвестна, т. е. «следит» за ним. Отсюда происходит и название следящей системы.

Задающие воздействия и управляемые величины следящих систем могут иметь разнообразный характер по своей физической природе. Причем управляемая величина по своей физической природе может отличаться от задающего воздействия. Например, задающим воздействием может быть изменяющееся напряжение, а управляемой величиной — напряжение, угловое или линейное перемещение, частота вращения, частота напряжения и т. д. В системе автоматического сопровождения цели по дальности радиолокационной станции задающим воздействием является дальность до цели, а выходной управляемой величиной — напряжение, значение которого пропорционально дальности.

Широко распространены следящие системы пространственного слежения, т. е. системы, воспроизводящие задающее воздействие в виде механического перемещения. К ним относятся синхронно следящие системы (синхронно следящие приводы, силовые следящие приводы), которые обеспечивают синхронное и синфазное вращение механически не связанных между собой валов..

В качестве примеров следящих систем рассмотрим синхронно следящую систему и систему фазовой автоподстройки частоты.

Синхронно следящая система (рис. 1.14, а). В состав системы входят сельсины ВС и BE, работающие в трансформаторном режиме, фазовый дискриминатор ФД, электромашииный усилитель мощности ЭМУ, исполнительный двигатель М, редуктор Ред и рабочий механизм РМ, вал которого ПВ должен следить за поворотом ведущего вала ВВ.

Сельсины в трансформаторном режиме выполняют функцию элемента сравнения. Ротор сельсин-датчика ВС механически связан с ведущим валом ВВ, а ротор сельсин-приемника BE — с приемным (ведомым) валом ПВ (с осью рабочего механизма, например, с осью кабины радиолокационной станции). Благодаря этому на сельсины как на элемент сравнения поступают задающее воздействие (угол а поворота ведущего вала) и управляемая величина (угол Р поворота приемного вала). Сельсины выявляют угол рассогласования между ведущим и приемным валами и преобразуют его в напряжение несущей частоты величина сгибающей которой при малых углах рассогласования пропорциональна углу рассогласования, а фаза несущей частоты определяется знаком этого угла. Если угол рассогласования 0 относительно согласованного положения является положительным, то напряжение несущей частоты совпадает по фазе с напряжением питания При отрицательном угле рассогласования напряжение несущей частоты находится в протнвофазе с напряжением питания (рис. 1.14, б).

Будем считать, что положительное значение сгибающей модулированного напряжения несущей частоты соответствует случаю, когда напряжение несущей частоты совпадает по фазе с напряжением питания, а отрицательное значение сгибающей — случаю, когда напряжение несущей частоты находится в протнвофазе с напряжением, питания. Тогда можно утверждать, что сигнал рассогласования следящей системы на выходе сельсина-приемника выражен огибающей модулированного по амплитуде напряжения несущей частоты (рис. 1.14, б).

(кликните для просмотра скана)

Напряжение сигнала рассогласования в следящей системе усиливается. В данной системе для этого применен электромашинный усилитель мощности ЭМУ, т. е. усилитель с входом на постоянном токе. Поскольку на вход ЭМУ необходимо подавать сигнал постоянного тока, то модулированное по амплитуде напряжение несущей частоты с выхода BE нужно предварительно демодулнровать, т. е. получить реверсивную огибающую без заполнения несущей частотой. Для этой цели служит фазовый дискриминатор ФД. Фазовый дискриминатор в соответствии со своей статической характеристикой (рис. 1.14, е) преобразует модулированное по амплитуде напряжение несущей частоты в напряжение постоянного тока величина которого пропорциональна огибающей входного напряжения, а полярность определяется фазой напряжения несущей частоты (рис. 1.14, б). Фазовый дискриминатор выполнен на транзисторах Опорное напряжение подается в фазе на коллекторы, а напряжение в противофазе между базой и эмиттером. Диод служит для исключения прямых неуправляемых токов коллектора — к коллекторам транзисторов прикладываются только отрицательные полупериоды опорного напряжения, в течение которых коллекторный ток зависит от тока сигнала в цепи эмиттер — база, т. е. ток управляем. Коллекторные токи транзисторов протекают через плечи I и II обмотки управления в противоположных направлениях.

С выхода ЭМУ напряжение подается на исполнительный двигатель постоянного тока, который через редуктор Р связан с приемным валом ПВ и осью сельсин-приемника BE. На приемном валу находится собственно управляемый объект — рабочий механизм РМ (например, антенна РЛС, кабина РЛС, шпиндель токарного станка). В следящей системе управляемым объектом является исполнительный двигатель М. Собственно управляемый объект является нагрузкой для исполнительного двигателя.

Рассмотрим работу следящей системы. При идентичном положении ведущего и приемного валов угол рассогласования между ними равен нулю. Роторы сельсинов ВС и BE находятся во взаимно перпендикулярном, т. е. в согласованном положении. Выходное напряжение BE равно нулю. Средние значения коллекторных токов транзисторов равны между собой. Поскольку эти токи протекают через плечи I и II обмотки управления ЭМУ в противоположных направлениях, то результирующий магнитный поток обмотки управления равен нулю. Равно нулю и выходное напряжение ЭМУ. Двигатель и вся система находятся в состоянии покоя.

Допустим, что ведущий вал повернулся на некоторый угол. В результате этого появился угол рассогласования где — углы поворота ведущего и приемного валов. В однофазной обмотке BE возникло напряжение сигнала ошибки переменного тока (рис. 1.14, б). Поскольку напряжение поступает между базой и эмиттером транзисторов и в противофазе, то при угле рассогласования данного знака коллекторный ток транзистора, у которого напряжения коллектор — эмиттер и база — эынттер в фазе, возрастает, а коллекторный ток другого транзистора, у которого эти напряжения находятся в противофазе, уменьшается. Равенство магнитных потоков, создаваемых в плечах I и II обмотки управления, нарушается, возникает результирующий магнитный поток управления, а следовательно, и напряжение на выходе ЭМУ. Направление результирующего магнитного потока и полярность напряжения ЭМУ зависят от фазы несущей частоты напряжения сигнала ошибки на входе ФД, т. е., в конечном счете, от знака угла рассогласования. Выходное напряжение ЭМУ является управляющим воздействием. При его поступлении на двигатель последний приводится во вращение и через редуктор поворачивает приемный вал и ротор BE в сторону уменьшения угла рассогласования до тех пор, пока этот угол не станет равным нулю.

В рассматриваемой следящей системе использован принцип управления по отклонению: управляемая величина Р через обратную связь (редуктор) подается на элемент сравнения (сельснны), где сравнивается с задающим воздействием а, в результате чего выявляется отклонение 0 между величинами Последнее используется для управления работой системы. Основным фактором, вызывающим значительное отклонение управляемой величины от задающего воздействия, в следящей системе является изменение задающего воздействия.

В статическом режиме, когда задающее воздействие не изменяется Следящая система поддерживает постоянство управляемой величины, следовательно, сначала решается задача стабилизации, а затем путем присоединения устройства

для изменения задающего воздействия система может быть превращена в программную, или следящую, систему.

Система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) изменяет частоту напряжения управляемого генератора УГ в соответствии с изменением частоты входного сигнала (рис. 1.14, г). В отлнчие от системы (рис. 1.13, о) в системе для управления частотой и фазой напряжения на выходе У Г используется не разность частот, а разность фаз напряжений на входе и выходе системы. Задающим воздействием системы является фаза а (I) входного напряжения а управляемой величиной — фаза выходного напряжения системы (управляемого генератора) (I). Напряжения поступают на фазовый дискриминатор ФД, который преобразует разность их фаз в напряжение в соответствии со своей статической характеристикой (рис. На рисунке ФД представлен в виде последовательного соединения элемента сравнения ЭС, который выполняет функцию вычнтання фаз, и преобразователя разности фаз в напряжение Напряжение сглаживается фильтром Ф и через усилитель-преобразователь УП в виде управляющего напряжения поступает на УГ. Под влиянием частота напряжения на вымоде УГ становится равной частоте входного напряжении , а разность фаз уменьшается. Прн изменении частота изменяется в соответствии с изменением сос

Преобразующие автоматические системы. Алгоритм системы: преобразование с необходимой точностью задающего воздействия (совокупности задающих воздействий) в управляемую величину (совокупность управляемых величин) в соответствии с некоторой функцией преобразования Н: Преобразующая система должна возможно более точно воспроизводить на своем выходе не само задающее воздействие (как следящая система), а некоторую величину, связанную с управляющим воздействием функций преобразования Н. К преобразующим системам относятся, например, интегрирующие, дифференцирующие, экстраполирующие и другие системы автоматического управления.