книги из ГПНТБ / Рогов Е.Ф. Основы теории автоматического регулирования учебное пособие
.pdfРИЖСКОЕ 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
JiS S S eS *»
"tSL sssг-
Настоящее учебное пособие предназначено для слушателей Рижского высшего командно-инженер ного Краснознаменного училища, не специализи рующихся по автоматике. Поэтому в книге более подробно излагаются основы теории линейных сис тем автоматического регулирования непрерывного действия, описываемых дифференциальными урав нениями с постоянными коэффициентами, а также рассматриваются лишь основные элементы систем автоматического регулирования.
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
лища в период с 1961 по 1964 год, написаны § 2.10, главы 6, |
7, 8, |
||
9, 10, |
11, |
12, 13, приложение 2. |
|
Е. |
В. |
Караваевым написаны главы 1, 2 (без § 2.10), 3, 4 |
и 5. |
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
по устранению отклонения результата |
регулирования от желае |
||
мого. |
Настройка автоматической системы осуществляется |
пере |
|
движением ползунка потенциометра R |
(т. е. так же, как |
и на |
|
рис. |
1.2). |
|
|
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
Р ис. 1.3.
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