Теория
систем автоматического
управления
Общие
сведения о системах
автоматического
управления
ВИДЫ СИСТЕМ
АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Понятие о замкнутых
автоматических системах
Существует чрезвычайно
большое разнообразие автоматических
систем, выполняющих те или иные функции
но управлению самыми различными физическими
процессами во всех областях техники.
В этих системах сочетаются весьма разнообразные
по конструкции механические, электрические
и другие устройства, составляя, в общем,
сложный комплекс взаимодействующих друг
с другом звеньев.
Примерами автоматических
систем могут служить:
а) автомат включения
освещения, в котором имеется фотоэлемент,
реагирующий на силу дневного света, и
специальное устройство для включения
освещения, срабатывающее от определенного
сигнала фотоэлемента;
б) автомат, выбрасывающий
какие-либо предметы (билеты, шоколад)
при опускании в него определенной комбинации
монет;
в) автоматический
регулятор скорости вращения двигателя,
поддерживающий постоянную угловую скорость
двигателя независимо от внешней нагрузки
(аналогично — регуляторы температуры,
давления, напряжения, частоты и пр.);
г) автопилот, поддерживающий
определенный курс и высоту полета самолета
без помощи летчика;
д) следящая система,
на выходе которой с определенной точностью
воспроизводится произвольное во времени
изменение какой-нибудь величины, подан
ной па вход;
е) система самонаведения
снаряда на цель и пр.
Все эти и
им подобные автоматические системы можно
разделить на два больших класса:
автоматы, выполняющие
определенного рода одноразовые
или многоразовые операции; сюда относятся,
например, автомат включения освещения,
билетный автомат и т. п.;
рическое напряжение,
частоту, температуру, давление, громкость
звука и пр.) в том или ином
управляемом процессе. Сюда относятся
автоматические регуляторы, следящие
системы, автопилоты, системы самонаведения
и т.п.
В данной книге
будут рассматриваться только автоматические
системы второго класса. Эти последние
делятся в свою очередь на незамкнутые
и замкнутые автоматические системы.
Общая схема
незамкнутой системы в двух вариантах
представлена на рис.1,1 а и 6. Это — простейшие
схемы управления: полуавтоматические,
когда источником воздействия является
человек, и автоматические, если источником
воздействия является изменение каких-либо
внешних условий, в которых работает данная
система (температура или давление окружающей
среды, электрический ток, освещенность,
изменение частоты и т. п.).
Схема, показанная на рис. 1.1,6, отличается
от схемы па рис. 1.1, а тем, что кроме
органов управления имеются еще
контрольные приборы, которые дают
возможность наблюдать за протеканием
процесса в управляемом объекте.
Характерным для
незамкнутой системы является то,
что процесс работы системы не
зависит непосредственно от результата
ее воздействия на управляемый объект,
т. е. в пей отсутствует обратная
связь.
Естественным дальнейшим
усовершенствованием автоматической
системы является замыкание ее выхода
со входом таким образом, чтобы контрольные
приборы, измерив некоторые величины,
характеризующие определенный процесс
в управляемом объекте, сами служили бы
одновременно и источником воздействия
на систему, причем величина этого воздействия
зависела бы оттого, насколько отличаются
измеренные величины на управляемом объекте
от требуемых значений.
Таким образом,
возникает замкнутая автоматическая
система. В наиболее компактной форме
она представлена па рис. 1.2. Характерной
особенностью этой системы является наличие
обратной связи, благодаря которой информация
о состоянии управляемого объекта передается
в управляющее устройство.
Очевидно, что
в замкнутой автоматической системе
имеется полная взаимозависимость работы
всех звеньев друг от друга. Протекание
всех процессов в замкнутой системе коренным
образом отличается от процессов в незамкнутой
системе. Замкнутая система совершенно
по другому реагирует па внешние возмущающие
воздействия. Различные ценные свойства
замкнутых автоматических систем делают
их
незаменимыми
во многих случаях, когда требуется
точность и быстродействие управления.
Введем общую
терминологию для автоматических систем,
изобразив общую схему в виде
рис. 1.3.
, вызывающее нежелательной изменение
управляемой величины, называется
возмущающим воздействием, или возмущением
(порывы ветра, изменение температуры
окружающей среды и др.).
. Сравниваю-
независимо от причины, вызвавшей
это рассогласование.
Наиболее распространенными
задачами, которые решают системы
автоматического управления, являются
стабилизация, выполнение заданной программы
и слежение.
Системы, поддерживающие
постоянное значение управляемой величины
при изменяющихся возмущающих воздействиях
называются стабилизирующими системами
(стабилизация температуры, давления,
напряжения, углового положения летательного
аппарата и т. п.). Управляющее устройство
таких систем иногда называют регулятором,
а сами системы — системами автоматического
регулирования.
Системы, изменяющие
управляемую величину по заранее
заданной программе, называются программными
системами. Такая задача возникает, например,
при выводе ракеты на заданную траекторию,
при развороте зеркала телескопа с целью
компенсации вращения Земли и в других
случаях.
Системы, управляемая
величина которых воспроизводит
произвольно изменяющееся задающее
воздействие, называются следящими системами.
Так, антенна радиолокатора должна следить
за маневрирующей целью, фреза копировалыю-фрезерного
станка должна воспроизводить движение
щупа по копиру и т. д.
при котором данная характеристика
приобретает экстремальное (максимальное
или минимальное) значение. Очевидно,
что построение экстремальной системы
имеет смысл лишь при изменяющихся
возмущающих воздействиях.
Экстремальное
управление может применяться, например,
для поддержания наиболее экономичной
скорости полета самолета, соответствующей
минимальному секундному расходу топлива
при изменяющихся высоте полета, массе
самолета, скорости и направлении ветра
и т. д. При этом будет достигнута и максимальная
дальность полета при заданном запасе
топлива.
Управляющее устройство
системы создается применительно
к каждому конкретному управляемому
объекту. Если свойства объекта и
возмущающие воздействия хорошо
известны, то можно заранее уверенно
выбирать такие структуру и параметры
управляющего устройства, при которых
обеспечивается надлежащее качество процессов
в проектируемой автоматической системе.
Если же свойства самого объекта известны
недостаточно достоверно и если к тому
же они могут в процессе работы в некоторых
пределах случайным образом меняться,
то и параметры управляющего устройства
можно подобрать лишь ориентировочно.
В этом случае при отклонении параметров
объекта от расчетных будет происходить
ухудшение качества процессов в системе.
В тех случаях,
когда закон изменения параметров
объекта во времени заранее хорошо
известен, можно рассчитать, как
и когда нужно менять параметры
управляющего устройства, чтобы качество
работы автоматической системы в
целом оставалось неизменно хорошим.
Так делается, например, в некоторых системах
управления ракетами, у которых в процессе
полета из-за выгорания топлива изменяется
масса, а из-за изменения плотности атмосферы
— эффективность исполнительных органов.
Если же составление такой программы оказывается
невозможным вследствие незнания истинного
закона изменения хотя бы некоторых параметров
объекта, то прибегают к построению так
называемой самонастраивающейся системы.
Для этого в систему вводятся дополнительные
автоматические устройства, которые определяют
отклонение какого-либо показателя качества
от его требуемого значения и изменяют
параметры управляющего устройства или
даже его структуру с целью минимизации
указанного отклонения.
Экстремальные и самонастраивающиеся
системы относятся к так называемым
адаптивным системам автоматического
управления. Образцы для подражания дают
процессы адаптации в живой природе. Так,
стабилизация температуры тела человека
и некоторых животных при низких температурах
окружающей среды осуществляется за счет
изменения притока кропи к поверхностным
тканям, а при высоких температурах включаются
механизмы потоотделения и дыхания, обеспечивающие
интенсивный отвод избытка тепла. Таким
образом, имеет место изменение алгоритма
управления.
Более детально
адаптивные системы рассматриваются в
разделе V.
В системе, схема
которой изображена на рис. 1.3, имеется
лишь одна управляемая величина и
одно управляющее воздействие. Такие
системы называют одномерными. По существуют
и так называемые связанные или
многомерные системы управления. Многомерными
называются такие системы, в которых имеется
несколько управляемых величин или в единый
комплекс связаны несколько управляющих
устройств па одном объекте или несколько
управляющих устройств и несколько объектов
с перекрестными связями между ними, .
Обратимся, например,
к системе автоматического управления
полетом самолета (система самолет
- автопилот). Автопилот имеет три
капала управления: управление движением
в вертикальной плоскости (но тангажу),
управление движением в горизонтальной
плоскости (по курсу) и управление поворотом
вокруг собственной оси (по крену). Для
примера па рис. 1.4 изображен один капал
автонилота — курсовой. Здесь корпус самолета
является объектом управления, гироскоп
2 с потенцио-метрической схемой служит
измерительным устройством. Далее идут
усилитель 3, приводной двигатель 4 с редуктором
5 (рулевая машинка) и, в качестве исполнительного
органа, руль 6.
. Оно приводит в движение исполнительное
устройство 3-5. При этом вследствие
отклонения руля па угол 5 самолет
возвратится в требуемое положение.
Аналогично устроены и два других канала
автопилота.
Очевидно, что
если с помощью автопилота требуется
поддерживать неизменный курс или необходимо
разворачивать самолет но заданной
программе, то данная система управления
будет работать либо в режиме стабилизации
постоянной величины, либо в режиме программного
управления. Если же самолет надо наводить
на какую-либо цель, причем заданное направление
(рис. 1.4) вместо гироскопа (или в дополнение
к нему) определяется каким-нибудь визирующим
устройством (оптическим или радиолокационным),
то данная система управления будет работать
как следящая система.
Аналогично обстоит
дело и по каналу тангажа. В канале
крепа обычно имеет место автоматическая
стабилизация нулевого угла крена. При
этом каждый из трех каналов управления
действует на свой руль (руль направления,
руль высоты, элероны), т. е. имеется три
отдельных управляющих устройств на одном
объекте. Однако между ними часто вводятся
еще перекрестные связи. Например, для
улучшения поворота самолета по курсу
полезно самолет несколько накренить.
Поэтому сигнал отклонения курса подается
не только на руль направления, но также
и в капал крепа (так называемый координированный
разворот). |