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

(регулируемым параметром). Задачей системы является поддер­ жание этой величины постоянной или изменение ее по опреде­ ленной программе.

Различают предписанное и действительное значение управля­ емой величины.

П р е д п и с а н н о е (заданное) значение — это такое значе­ ние управляемой величины, которое необходимо поддерживать

вданный момент для выполнения требуемой программы управ­ ления.

Де й с т в и т е л ь н о е (текущее) значение управляемой вели­ чины — его значение, измеренное в данный момент.

При выборе управляемых величин для ВРД учитывают воз­ можность простого и надежного контроля их и то, в какой мере они определяют режим работы двигателя при различных усло­ виях полета летательного аппарата. В качестве управляемой ве­ личины для ТРД с неизменяемой геометрией проточной части (нерегулируемые входное устройство, лопатки компрессора, ре­ активное сопло и т. п.) целесообразно выбрать его тягу, так как она наиболее полно определяет режим работы двигателя. Одна­ ко для контроля действительного значения тяги и сравнения с предписанным приходится постоянно ее измерять, что осуществ­ лять в полете очень сложно, а точность измерения тяги имею­ щимися средствами невелика. Это накладывает недопустимые погрешности при выполнении программы управления. Поэтому

вкачестве управляемой величины для такого ТРД выбирают число оборотов ротора, так как оно однозначно определяет тягу,

аизмерение числа оборотов несложно и достаточно точно.

Для двигателей более сложной конструкции в качестве уп­ равляемых величин выбирают, кроме числа оборотов, температу­ ру газа перед или за турбиной, степень понижения давления га­

ветствии с законом управления осуществляется с помощью уп­ р а в л я ю щ е г о в о з д е й с т в и я (регулирующего фактора).

А в т о м а т и ч е с к о й с и с т е м о й у п р а в л е н и я — АСУ (системой автоматического регулирования — САР *) называется совокупность взаимодействующих между собой управляемого объекта и автоматического управляющего устройства.

На рис. 1.14 схематично показана автоматическая система с одной управляемой величиной лг„ыхМ на выходе из управляемо­

* Если система выполняет только функции регулирования, а не управле­ ния, то в дальнейшем будем называть ее САР.

20

го объекта (УО). Автоматическое управляющее устройство (АУУ) вырабатывает определенное управляющее воздействие y(t) с таким расчетом, чтобы управляемая величина изменялась по требуемому закону в зависимости от значения задающей ве­ личины хвх(7Д характеризующей входное воздействие системы. Внешнее воздействие f ( t ) на автоматическую систему (на УО, а иногда и на АУУ) должно компенсироваться управляющим воз­ действием. С этой целью в приведенной схеме предусмотрена об­ ратная связь, являющаяся цепью воздействий, по которой прохо­ дит сигнал х0.с (t) от объекта к управляющему устройству. Это воздействие называется контрольным.

В качестве управляющих воздействий для ВРД (выбирают такие, которыми наи­ более просто оказывать влияние на управ­ ляемую величину. Так, для ТРД с неиз­ меняемой геометрией проточной части — это расход топлива, подаваемого в основ­ ную камеру сгорания; для двигателей с изменяемой геометрией — это, дополни­ тельно, площадь критического сечения реактивного сопла; площадь проходных сечений поворотных направляющих лопа­ ток компрессора; расход топлива, подава­ емого (в форсажную камеру двигателя и др.

Число управляющих воздействий дол­ жно равняться числу управляемых вели­

чин. Когда управляющих воздействий меньше, чем параметров процесса, подлежащих управлению, возможно введение ограниче­ ния для тех параметров, для которых не выбраны воздействия. До определенной величины такой параметр остается неуправляе­ мым и только при опасности увеличения его значения выше разре­ шенного одним из выбранных для объекта воздействием ограни­ чивают этот параметр. С этого момента он становится управляе­ мой величиной. При этом параметр объекта, который находился под контролем этого воздействия, становится неуправляемым, но значение его в любой момент не должно превысить разрешенно­ го. На этом принципе работают САР некоторых отечественных двухконтуриых турбореактивных двигателей (ДТРД), выполнен­ ных по двухвальной схеме.

оборотов ротора и максимального расхода топлива, ограничите­ ли степени повышения давления воздуха в компрессоре и макси­ мальной температуры газа перед турбиной и др.

При работе автоматических систем различают два режима:

21

— у с т а н о в и в ш и й с я , характеризуемый постоянным или колеблющимся с постоянной амплитудой предписанным значе­ нием управляемой величины;

— неу с т а н о в и в ш и и с я, характеризуемый изменением во времени предписанного значения управляемой величины, вызван­ ным внешним пли внутренним воздействием на систему.

Для ВРД внешним воздействием может быть изменение окру­ жающих условий в зависимости от высоты и скорости полета, а внутренним воздействием — контрольное воздействие, поступаю­ щее по цепи обратной связи или

отклонением.

В реальных системах процессы управления из-за постоянного наличия внешних воздействий проходят при рассогласованиях и перерегулированиях. Так, если управляющее устройство должно постоянно поддерживать предписанное значение управляемой ве­ личины, то внешние воздействия дают возможность поддержи­ вать эту величину вблизи требуемого значения лишь приблизи­ тельно. На рис. 1.15 изображен переходный процесс в такой сис­ теме. В идеальном случае управляющее устройство в любой мо­ мент времени t должно было бы поддерживать величину xDbIXo) значение которой изображено штриховой прямой. В реальных системах это условие невыполнимо (на рис. 1. 15 реальный про­ цесс поддержания управляемой величины показан сплошной кривой).

Автоматическое управляющее устройство должно быть вы­ полнено так, чтобы возможные рассогласования и перерегулиро­ вания не превышали величин, разрешенных техническими требо­ ваниями для данного объекта.

1.4. ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ УПРАВЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Любое автоматическое управляющее устройство состоит из отдельных элементов, выполняющих определенные функции и имеющих множество конструктивных оформлений. Для ознаком­

22

ления с общими принципами работы элементов, надо их класси­ фицировать по определенному признаку, чтобы составить из все­ го многообразия элементов отдельные группы. Одним из таких способов является деление элементов по признаку выполнения ими определенных функций при работе в составе управляющего устройства.

При такой классификации большинство элементов может быть разделено на шесть групп:

1) чувствительные элементы, служащие для измерения дей­ ствительного значения управляемой величины;

2)элементы сравнения, служащие для сравнения предписан­ ного и действительного значений управляемой величины и, в слу­ чае их рассогласования по знаку или величине, дающие в систе­ му сигнал на устранение этого рассогласования;

3)преобразующие элементы, которые, воздействуя на сигнал (например, усиливая его), передают этот преобразованный сиг­

нал на исполнительные элементы

4)исполнительные элементы, перемещающие регулирующие органы управляемого объекта;

5)корректирующие элементы *, улучшающие динамические свойства системы, в частности, качество процесса управления и устойчивость системы;

6)задающие элементы (задатчики), или программные уст­ ройства, которые вводят в управляющее устройство задающую величину с целью реализации требуемого закона управления. Обычно они конструктивно не входят в состав управляющего устройства. Однако для лучшего понимания функций, выполня­ емых отдельными элементами в системе, будем считать задаю­ щие элементы условно входящими в их состав.

Познакомимся подробнее с отдельными элементами. Предпо­ ложим, что наблюдатель должен выполнить задачу, поставлен­ ную в разд. 1.2.5 (см. рис. 1.10). Доверим выполнить функции наблюдателя элементам управляющего устройства, т. е. заменим человека в системе техническим устройством. Тогда получим функциональную схему автоматической системы с обратной свя­ зью (рис. 1.16), в которой выделены конструктивно обособлен­ ные блоки, выполняющие определенные функции. Эти блоки, на­ зываемые функциональными, на схеме обозначены прямоуголь­ никами, а воздействия между ними — линиями со стрелками.

Задающий элемент (задатчик) постоянно посылает в элемент сравнения (ЭС) системы по цепи воздействия сигнал i/3aд. Чувст­ вительный элемент (ЧЭ), замеряя действительное значение уп­

равляемой величины уо, также выдает в элемент сравнения сиг­ нал уу. В ЭС поступившие сигналы сравниваются и, в случае рассогласования Дг/рас= г/зад—Уи выдаётся по цепи воздействия сигнал у2. Сигнал у2 поступает в преобразующий (усилитель­

* Корректирующие элементы иногда называют стабилизирующими.

23

ный) элемент (ПЭ), который, усиливая его до значения уз, пере­ дает в преобразованном виде на исполнительный элемент (ИЭ). Если сигнал г/2 ПЭ способен воспринять в том виде, в котором он выдается ЭС (например, ЭС выдает электрический сигнал и ИЭ является электрическим устройством), и сила его достаточна для приведения в действие ИЭ, тогда отпадает необходимость в ПЭ. Поэтому на рис. 1.16 этот элемент показан штриховыми ли-

Рис. 1.16. Функциональная схема системы автоматического управ­ ления

ниями. ИЭ, воспринимая сигнал г/3, выдает сигнал на регулиру­ ющий орган (РО), который с помощью управляющего воздейст­ вия у изменяет управляемую величину у0, устраняя рассогласо­

вание Дг/рас- Часто в технических системах процесс управления протекает

с большими начальными отклонениями и колебаниями управля­ емой величины, а иногда система вообще неустойчива, т. е. при получении входного воздействия управляемая величина неогра­ ниченно возрастает (штриховая кривая на рис. 1.8). Для устра­ нения этих недостатков, а также некоторых других функций, в систему вводят корректирующие элементы (КЭ). Подключение их в автоматическом управляющем устройстве может быть раз­ личным, поэтому на схеме (см. рис. 1.16) не показано конкрет­ ное подсоединение КЭ к какому-либо элементу. На этом же ри­ сунке КЭ изображен штриховыми линиями, так как наличие его в системе необязательно.

На управляемый объект может оказывать воздействие и не­ которая внешняя возмущающая сила f(t). При этом элементы управляющего устройства (при постоянном сигнале задатчика) подадут сигнал на регулирующий орган, который с помощью уп­

54

равляющего воздействия устранит возможное рассогласование

Al/pac-.

Необходимо иметь в виду, что отдельные конструктивные элементы управляющих устройств могут выполнять сразу не­ сколько функций. Кроме того, один и тот же конструктивный элемент может выполнять различные функции в зависимости от его места в системе.

Рассмотрим принципы действия и конструктивные схемы не­ которых элементов управляющих устройств, применяемых в ави­ ационных АСУ.

1.4.1. Чувствительные элементы

Обычно чувствительные элементы состоят из двух частей: чувствительного органа (датчика) и преобразующего блока, хо­ тя возможно оформление их в одном конструктивном элементе. Датчик непосредственно воспринимает величину измеряемого параметра и передает соответствующий ему сигнал через преоб­ разующее устройство к последующему элементу системы.

Все ЧЭ можно классифицировать в зависимости от физиче­ ской природы сигнала, воспринимаемого датчиками. В АСУ ле­ тательных аппаратов нашли применение следующие группы ЧЭ: давления, расхода жидкости или газа, уровня жидкости, угловой скорости вращения (числа оборотов), температуры и электриче­ ского напряжения (тока). Некоторые типы ЧЭ схематично при­ ведены на рис. 1.17.

Блок анероидных коробок (б) — это набор отдельных упру­ гих элементов, из внутренних полостей которых выкачан воздух. При изменении давления снаружи коробок (г/0) происходит их расширение или сжатие, а значит, и изменение выходного сигна­ ла tji.

Сильфон (в) воспринимает перепад давлений у0' и у"о внут­ ри и снаружи тонкостенной гофрированной трубки, выполненной из упругого материала. В системах управления В Р Д — обычно это перепад между полным давлением в каком-то сечении дви­ гателя и атмосферным давлением. Изменение перепада давлений ведет к выдаче сигнала г/i.

Принцип действия ротаметра (г) основан на том, что при движении жидкости в конической трубе поплавок; находящийся в восходящем потоке, устанавливается на такой высоте, где его вес равен подъемной силе, зависящей от скорости обтекания поп­ лавка. Чем больше расход жидкости, тем выше положение поп­ лавка, тем на большую величину изменяется сигнал г/ь

В дроссельных датчиках (д ) нашли применение трубка Вен­ тури, диафрагмы и сопла, через которые пропускается жидкость. Скорость потока в их узком сечении увеличивается, а вызванное этим уменьшение статического давления используется как вход­

25

ной сигнал элемента. При изменении соотношения между у0' и у0" возникает выходной сигнал г/ь

Известно, что две спаянные металлические пластинки, имею­ щие разные коэффициенты линейного расширения и закреплен­ ные жестко одним концом, при изменении окружающей темпера­ туры поворачиваются относительно места заделки. Этот принцип положен в основу работы биметаллического датчика (к ). Выход-

Рис. 1.17. Чувствительные элементы

26

ным сипналом уi в нем служит перемещение свободного конца пластин.

Принцип действия термопар (л) основан на возникновении электрического тока в результате действия термоэлектродвижу­ щих сил в цепи, составленной из двух разнородных проводников, спаи которых имеют разную температуру (например, один спай находится в двигателе, другой — в приборе, установленном в ка­

внутри которого вмонтирован сильфон. Внутренняя полость сильфона соединена с атмосферой. Полость между патроном и сильфоном заполнена жидкостью. Работа гидравлического тер­ мометра основана на изменении объема жидкости при измене­ нии температуры (у0), что вызывает сжатие или растяжение сильфона, а значит, и возникновение выходного сигнала уь

1.4.2.Задающие элементы (задатчики)

Всистемах управления ВРД в качестве задатчиков наиболь­ шее применение нашли механические, гидравлические и электри­ ческие устройства.

На рис. 1.18 в качестве примера приведен механический за­ датчик регулятора числа оборотов ТРД. Летчик из кабины само­

на изменение сигнала узад) поступает по гидравлическим каналам путем изменения давлений в полостях

цилиндра поршня 3. Величины давлений р х и р2 регулирует лет­ чик из кабины самолета с помощью специального устройства.

Электрические и электронные задающие элементы, особенно программные, значительно сложнее по конструкции и принципам действия. В АСУ ГТД нашли применение электрические задаю­ щие устройства, работающие совместно с регуляторами темпера­ туры газа перед турбиной, числа оборотов двигателя, давления воздуха за компрессором и др.

27

Программные задающие устройства применяются главным образом при постановке задачи оптимизации управления, т. е. получения от системы в любой момент времени наивыгоднейших параметров в за.висимости от внешних ус­ ловий. Кроме того, программные устройства могут задавать определенную программу системе, выполнение которой позволяет по­ лучить изменение управляемой величины по определенному заранее известному закону.

Примером такого программного задающего элемента (рис. 1.20) служит профилирован-

торый, поворачиваясь с заданной скоростью с помощью часового механизма, изменяет положение ползунка 2 потенциометра 3, тем самым задавая по определенному закону величину управляющего сигнала узад.

ГТД — суммирование (вычитание), осуществляется с помощью механических, гидравлических и электрических ЭС. Некоторые типы элементов суммирования приведены на рис. 1.21.

1.4.4. Преобразующие элементы

Как было отмечено выше, ПЭ могут входить в состав ЧЭ, а иногда представлять собой единое целое, в котором трудно выде­ лить отдельные элементы. Например, в центробежном регулято­ ре числа оборотов ротора ТРД в самом ЧЭ происходит преобра­

28

зование вращательного движения грузиков в поступательное движение штока (см. рис. 1.18).

В некоторых АСУ преобразующие устройства составляют са­ мостоятельные элементы. Одной из основных функций, выполня­ емых ими, является усиление сигналов. Такие ПЭ называются у с и л и т е л я м и.

Преобразователи по виду преобразующего сигнала можно подразделить на механические, тепловые, электрические, опти­ ко-электрические и др.

В системах управления ВРД в настоящее время нашли при­ менение следующие типы преобразователей:

—механические, преобразующие сигналы давления, скорости вращения и т. п. в сигналы перемещения, а также усиливающие гидравлические и пневматические сигналы путем использования вспомогательной энергии (пневматические и гидравлические уси­ лители) ;

—тепловые, преобразующие сигналы теплового воздействия

всигналы механического перемещения или электрического тока;

—электрические, в которых электрические сигналы усилива­

29