книги из ГПНТБ / Рогов Е.Ф. Основы теории автоматического регулирования учебное пособие

РИЖСКОЕ ВЫСШЕЕ КОМАНДНО-ИНЖЕНЕРНОЕ КРАСНОЗНАМЕННОЕ УЧИЛИЩЕ

Е. Ф. РОГОВ, Е. В. КАРАВАЕВ

ОСНОВЫ ТЕОРИИ

АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

(Учебное пособие)

Утверждено начальником училища

в качестве учебного пособия д. 1Я слушателей

Р и г а — 19 6 4

ПР Е Д И С Л О В И Е

Впрограмме КПСС записано: «В течение двадцатилетия осу­ ществится в массовом масштабе комплексная автоматизация произ­ водства со все большим переходом к цехам и предприятиям-авто­ матам, обеспечивающим высокую технико-экономическую эффек­ тивность. Ускорится внедрение высокосовершенных систем автома­

тического управления. Получат широкое применение кибернетика, электронные счетно-решающие и управляющие устройства в произ­ водственных процессах промышленности, строительной индустрии и транспорта, в научных исследованиях, в плановых и проектно-кон­ структорских расчетах, в сфере учета и управления».

Бурное развитие военной техники за последние годы во многих случаях связано с использованием новейших достижений в области автоматики.

Необходимые знания по автоматике будущие военные инже­ неры приобретают при изучении курса «Основы теории автомати­ ческого регулирования» и некоторых специальных курсов. Настоя­ щая книга и призвана помочь слушателям в овладении материалом этих курсов.

Порядок построения данного учебного пособия соответствует программе курса «Основы теории автоматического регулирования».

В первой части пособия рассматриваются ?латематические ос­ новы теории автоматического регулирования. Во второй части — элементы измерительных, усилительно-преобразовательных и ис­ полнительных устройств. В третьей части освещаются вопросы ус­ тойчивости, качества процессов регулирования, коррекции систем автоматического регулирования, а также приводятся краткие све­ дения по линейным системам автоматического регулирования с за­ паздыванием и нелинейным системам.

Е. Ф. Роговым по материалам лекций курса «Основы теории автоматического регулирования», прочитанных им слушателям учи­

Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам кан­ дидату технических наук А. В. Лызлову, инженеру Г. Ф. Николаеву и редактору инженеру В. М. Мерцалову за ценные замечания и рекомендации по улучшению материала пособия.

3

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ И ИХ ЭЛЕМЕНТАХ

ГЛАВА I

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ и ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

§ 1.1. Определение системы автоматического регулирования и ее основные элементы

Механизация заменяет и облегчает труд человека и оставляет за ним функции управления машинами. Автоматизация же пол­ ностью или частично освобождает человека от непосредственного участия в управлении ходом совершаемого процесса. В этом случае управление процессом осуществляется с помощью специальных устройств — автоматов.

Такие устройства управляют изменением какой-либо физиче­ ской величины, называемой регулируемой величиной, в соответст­ вие с изменением другой физической величины, которая называет­ ся управляющей. Управляющая величина изменяется за счет воз­ действия, которое обычно называют управляющим.

Это управление может осуществляться по принципу разомкну­ того или замкнутого цикла.

В случае управления по принципу разомкнутого цикла управ­ ляющая величина воздействует на устройство, которое вырабаты­ вает сигнал, управляющий исполнительным устройством. Испол­ нительное устройство осуществляет изменение регулируемой вели' чины в соответствие с изменением управляющего воздействия.

Приведем примеры управления по принципу разомкнутого цикла.

На рис. 1.1 представлена система регулирования оборотов двигателя. Передвижением рукоятки 1 можно изменять направле­ ние движения смеси в гидроусилителе 3 путем перекрытия клапана 2. Гидроусилитель 3 передвигает заслонку в трубопроводе питания

4

4 и тем самым регулирует подачу топлива, поступающего в двига­ тель, что приводит к изменению числа оборотов двигателя. В этом случае регулирующий элемент (заслонка 4) осуществляет измене­ ние физической величины (оборотов теплового двигателя) в соот­ ветствие с изменением управляющего сигнала на входе системы (положение рукоятки 1).

На рис. 1.2 изображена система управления числом оборотов двигателя постоянного тока. Здесь с помощью потенциометра R можно изменять ток (/„) возбуждения генератора постоянного то­ ка, приводимого во вращение двигателем переменного тока Д\. Из­ менение тока возбуждения вызывает изменение напряжения, под­ водимого к двигателю постоянного тока, что, в свою очередь, приво­ дит к изменению числа оборотов двигателя Д% Двигатель Д2 вра­ щает тахогенератор ТГ, вырабатывающий напряжение, пропорцио­ нальное скорости вращения двигателя. Вольтметр, подключенный к зажимам тахогенератора, может быть откалиброван непосред­ ственно в значениях числа оборотов.

Рис. 1.2.

5

Как видно из рисунков, в разомкнутых системах результат осу­ ществляемого управления не стабилизируется, т. е. если значение этого результата отклоняется от желаемого, то в системе не при­ нимается "никаких мер для ликвидации отклонения. Нетрудно заме­ тить, что это является недостатком разомкнутых систем. Кроме то­ го, к недостаткам таких систем относится трудность сохранения тщательной градуировки при изменении условий работы (измене­ ние температуры, износ деталей и др.).

Замкнутая автоматическая система явилась дальнейшим усо­ вершенствованием разомкнутой системы.

Управление по замкнутому циклу можно осуществить, если сиг­ нал с выхода автоматической системы подать на ее вход. При этом отклонение регулируемого процесса в управляемом объекте, кото­ рое получается на входе системы путем сравнения с желаемым видом этого процесса, является также воздействием на систему. (Это воздействие тем больше, чем больше величина отклонения). В таком случае мы имеем уже замкнутую автоматическую систему.

Приведем примеры замкнутых автоматических систем.

На рис. 1.3 изображена схема автоматической системы, кото­ рая может быть легко получена из схемы рис. 1.1, если выполнить указанные выше условия.

Работает система следующим образом. Процесс ее настройки аналогичен рассмотренному выше (см. рис. 1.1). Если обороты дви­ гателя отклоняются от заданных, измеритель оборотов 3 передви­ гает золотник клапана 5, который перепускает смесь в гидроуси­ литель 2. Через гидроусилитель осуществляется форсирование или дросселирование двигателя 1 с помощью заслонки 6, что приводит к изменению оборотов двигателя. В данной схеме уже принимаются меры по устранению отклонения результата регулирования от же­ лаемого.

В схеме, представленной на рис. 1.4, напряжение с выхода тахогенератора, пропорциональное оборотам двигателя Д% подается на вход системы, где сравнивается с заданным. Если обороты дви­ гателя Дг изменяются, то на входе усилителя появляется сигнал. Этот сигнал усиливается и воздействует на обмотку возбуждения Lx генератора Г, что приводит к изменению напряжения на зажи­ мах последнего, а следовательно, и к изменению оборотов двига­ теля Д 2. Таким образом, в данной схеме также принимаются меры

Из рассмотрения замкнутых автоматических систем видно, что их основной чертой является наличие замкнутого контура передачи сигнала, содержащего информацию о регулируемом процессе. Та­

кие автоматические системы называют иногда системами с обрат­ ными связями.

6

Прежде чем давать определение автоматической системы, вве­ дем понятие управления и регулирования.

Любое действие, вносящее желаемое изменение в процесс, под­ лежащий управлению, и основанное на использовании начальной или рабочей информации, можно назвать управлением.

Регулирование является частным случаем управления, при ко­ тором желаемое течение процесса обеспечивается путем стабили­ зации одной или нескольких физических величин относительно за­ данных их значений (постоянных или переменных).

Системой автоматического регулирования (САР) называется система, в которой автоматически устанавливается и поддержи­ вается функциональная связь (в частном случае равенство) между регулируемой величиной x{t)vi управляющим воздействием g(t), изменение которого является входным сигналом в систему.

Каждая САР включает в себя регулятор и регулируемый

объект.

Регулируемый объект — это агрегат (устройство), в котором происходит процесс, подлежащий регулированию.

Регулятором называется автоматическое устройство, восприни­ мающее отклонение регулируемой величины х (0 и вырабатываю­ щее воздействие на регулируемый объект таким образом, чтобы ликвидировать указанное отклонение.

Для того чтобы выполнять свои функции, регулятор должен иметь измерительное устройство, которое измеряет значение регу­ лируемой величины, сравнивает его с заданным значением и вы­ дает сигнал, пропорциональный отклонению регулируемой вели­ чины.

В свою очередь, измерительное устройство, как правило, вклю­ чает в себя чувствительный элемент, задающий элемент, элемент сравнения и датчик.

Чувствительный элемент воспринимает значение регулируемой величины и выдает на элемент сравнения пропорциональный это­ му значению сигнал.

8

Задающий элемент выдает сигнал, пропорциональный задан­ ному значению регулируемой величины.

Элемент сравнения .сравнивает сигнал от чувствительного эле­ мента с сигналом от задающего элемента и выдает сигнал, пропор­ циональный отклонению регулируемой величины.

Датчик преобразует сигнал, поступающий от элемента срав­ нения в физическую величину, удобную для усиления (обычно это напряжение переменного или постоянного тока).

Кроме того, в регуляторе должно быть исполнительное устрой­ ство, оказывающее на регулируемый объект определенное воз­ действие для ликвидации отклонения регулируемой величины. Ис­ полнительное устройство состоит из исполнительного и регулирую­ щего элементов. Исполнительный элемент приводит в действие регулирующий элемент, который непосредственно воздействует на объект регулирования. В большинство регуляторов между измери­ тельным и исполнительным устройствами включаются усилитель­ ные устройства.

Таким образом, каждая САР может быть представлена схемой, которая изображена на рис. 1.5.

Рис. 1.5.

В системе автоматического регулирования поддерживается функциональная связь между x{t) и g(t), т. е. каждому значению управляющего воздействия соответствует вполне определенное значение x(t). Регулируемая величина принимает новое значение, соответствующее изменившемуся значению g(t), не сразу, а через определенное время, величина которого определяется быстро­ действием САР. Переход системы из одного состояния в другое на­ зывают переходным процессом. После окончания переходного про­

9