книги из ГПНТБ / Арховский В.Ф. Основы автоматического регулирования учеб. пособие

УДК 629.7.036.3(075.8)

Арховскнй В. Ф., Серегин Ю. Н. Основы автоматического регулирования, М., «Машиностроение», 1974, 208 с.

В книге изложены теоретические основы автоматики, на ко­

рассмотрены их основные элементы.

Дан анализ устойчивости и качества работы систем автома­ тического регулирования, а также показаны некоторые методы их исследования, в том числе метод математического модели­ рования с использованием вычислительной техники.

Книга является учебным пособием для учащихся авиацион­ ных техникумов. Она может быть полезна также работникам предприятий авиационной промышленности, занимающимся проектированием, производством и эксплуатацией авиационных двигателей, их систем управления и регулирования.

Табл. 6, ил. 148, список лит. 15 назв.

Рецензент Д-р техн. наук проф. А. А. Шевяков

© Издательство «Машиностроение», 1974 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В современной технике, в частности, в авиации и космонавти­ ке непосредственное участие человека во многих процессах ста­ новится опасным или невозможным. В этих случаях воздействие на процессы осуществляется с помощью автоматических уст­ ройств.

Летательные аппараты и их двигатели оснащаются сложными автоматическими системами управления, нередко полностью иск­ лючающими вмешательство человека в сферу управления и ос­ тавляющими за ним только функцию эпизодического контроля.

Работа систем управления теоретически обосновывается, а выбор схем и средств для реализации требуемого закона управ­ ления базируется на общей (вне зависимости от области техни­ ки) теории управления. Изучению простейшей разновидности этой теории —•теории автоматического регулирования, а также принципам построения систем регулирования и посвящено нас­ тоящее пособие.

Теория автоматического регулирования базируется на мно­ гих точных и специальных науках: механике, электротехнике, гидравлике и др., а применительно к авиационным системам — теории полета, теории реактивных двигателей и т. д. Соответст­ вующие разделы этих наук анализируются, развиваются и обоб­ щаются в теории автоматического регулирования.

Авторы стремились показать принципиальную общность пост­ роения различных по своему устройству и принципу действия систем и их элементов, поэтому главное внимание обращено на общие физические основы их построения. Некоторые конкретные системы регулировании и управления воздушно-реактивных дви­ гателей рассмотрены только в качестве примеров. Подробнее рассмотрены свойства турбореактивного двигателя как объекта регулирования ввиду важности этого вопроса для специалистов данного профиля.

3

ВВЕДЕНИЕ

Простейшие автоматические устройства появились еще в глу­ бокой древности. Однако сравнительно недавно человечество на­ училось использовать их в промышленных установках и сред­ ствах передвижения.

Впервые автоматический регулятор, работающий на принци­ пе отклонений, приманил на паровой машине в 1765 г. И. И. Пол­ зунов. В конце XVIII века различные автоматические устройства стали появляться и за границей. Однако до середины XIX века не существовало стройной теории таких устройств.

Основоположником теории автоматического регулирования по праву считается профессор Петербургского технологического института И. А. Вышнеградский, опубликовавший в 1876— 1878 гг. ряд работ по теории регулирования. Некоторые положе­ ния из этих работ не потеряли своей актуальности и в наши дни.

Бурное развитие прикладных наук (теплотехники, аэро- и га­ зодинамики, радиотехники и других) в конце XIX — начале XX веков привело к резкому удлинению теоретических исследо­ ваний в автоматике и созданию огромного количества устройств и систем как в России, так и за рубежом. К этому времени от­ носятся крупные работы в области регулирования, выполненные известными русскими учеными Н. Е. Жуковоким, А. М. Ляпуно­ вым, П. Л. Чебышевым. Зарождение авиации послужило толч­ ком к развитию авиационной автоматики. Еще в 1898 г. К. Э. Ци­ олковский предложил схему автопилота для летательного аппа­ рата.

XX век стал веком рождения кибернетики — науки об управ­ лении в технике, природе и в человеческом обществе. Составной частью кибернетики является автоматика, которая изучает воп­ росы управления в технике.

Успешное развитие авиации невозможно, в частности, без ши­ рокого внедрения новейших достижений в области автоматиче­ ского управления и регулирования. Объясняется это сложностью процессов, нуждающихся в управлении, изменением в полете ■свойств отдельных элементов систем управления, стремлением осуществлять процессы в объектах, близкие к оптимальным. Ска­

5

Г Л А В А 1

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

1.1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УПРАВЛЕНИИ И РЕГУЛИРОВАНИИ

Всовременной авиации господствующее положение заняли воздушно-реактивные двигатели (ВРД) и особенно их разновид­ ность — газотурбинные двигатели (ГТД). На рис. 1.1. приведена принципиальная схема простейшего ГТД — турбореактивного двигателя (ТРД), показаны его основные узлы и характерные сечения проточной части.

Рис. 1.1. Принципиальная схема ТРД

Работа ГТД характеризуется многими параметрами: числом оборотов двигателя п, степенью повышения давления воздуха в компрессоре як*, температурой газа перед турбиной Г3*, степе­ нью понижения давления газа в турбине ят* и др. Получение то­ го или иного режима работы двигателя требует определенного соотношения между его параметрами.

Существенное влияние на газодинамические процессы, проте­ кающие в двигателях, оказывают и внешние атмосферные усло­ вия, что объясняется спецификой применения ВРД на летатель­ ных аппаратах. Но прежде всего выбор режимов работы двига­ теля определяется назначением летательного аппарата.

Чтобы двигатель при любых режимах работы и условиях по­ лета летательного аппарата развивал требуемую тягу (мощ­

7

ность) и обеспечивал заданную экономичность, был устойчив в работе и имел высокую надежность, необходимо определенным образом воздействовать на его параметры. С этой целью совре­ менные ВРД оборудуются специальными устройствами, совокуп­ ности которых составляют различные системы управления.

Для успешного решения ряда задач по проектированию и производству двигателей и нх систем, а также грамотной экс­ плуатации ВРД на летательных аппаратах необходимы глубокие знания принципов действия и построения систем управления» умение проводить расчеты и анализ их работы.

Это предполагает, прежде всего, знание общих положений, применяемых в автоматике вне зависимости от области техники, к которой принадлежит система. В широком понятии процессы — это явления, происходящие в окружающем человека мире. Ос­ мысленное воздействие людей на процессы называется управле­ нием. При этом один из процессов — управляющий воздействует на другой — управляемый. В более узком техническом понятии процесс — это некоторое взаимодействие элементов и компонен­ тов установки, машины, агрегата, характеризуемое определен­ ными соотношениями параметров. Преднамеренное воздействие на технические процессы с целью получения нужных параметров от какого-либо устройства или их совокупности и будет управ­ лением (в технических системах).

осуществляется управление, обычно не считают участвующими в управлении. Процесс, в котором управление ведется человеком, называется ручным. При совместном управлении человеком и специальным устройством процесс называется автоматизирован­ ным, а управление—полуавтоматическим. Частным'случаем уп­ равления является регулирование — преднамеренное воздейст­ вие на устройство, когда контролируемый им параметр отклоня­ ется от требуемого, обычно стабилизированного, значения. Регу­ лирование, как и управление, может быть ручным, полуавтома­ тическим и автоматическим.

Рассмотрим, что представляют собой системы и каковы прин­ ципы их построения.

1.2.ПОНЯТИЯ О СИСТЕМАХ И ВОЗДЕЙСТВИЯХ НА НИХ

Си с т е м а — это совокупность элементов, определенным об­ разом связанных и взаимодействующих между собой. Понятие это можно распространить на любые области жизни человека и природы. Изучением общих закономерностей поведения систем занимается кибернетика. В автоматике изучаются только физи­ ческие системы.

8

Для любой системы обязательным условием является нали­

дет ее часть 1, а «выходом» — часть 2.

При этом за воздействие принимается такое действие внеш­

Путь (совокупность частей си­ стемы), по которому происходит пере­

дача воздействий от внешней среды к системе или между ее отдельными частями, называется цепыо воздействий.

Обусловленное (заранее оговоренное) состояние или измене­ ние состояния количественного показателя (параметра) физиче­ ской величины, посредством которой передается воздействие, на­ зывается сигналом. Обычно сигнал выражается некоторой мате­ матической функцией, однозначно отображающей изменение информации о воздействии во времени. Например, в ВРД воз­ действия могут передаваться с помощью таких физических вели­ чин, как сила тока и напряжение, угол поворота вала двигателя и др. При этом сигналами будут выступать частота, амплитуда и

может быть, представлен словесным описанием данного процес­ са и условий его выполнения или в виде графика, схемы, табли­ цы и т. п. В физических системах такой закон часто удается вы­ разить аналитически дифференциальным или алгебраическим уравнением. Входящие в уравнение коэффициенты и постоянные определяют свойства системы. По порядку уравнения все систе­ мы, применяемые на современных ВРД, можно отнести к систе­

* В понятие внешней среды входит все то, что не является принадлежно-

•стыо дайной системы.

9