книги из ГПНТБ / Цыпкин Я.З. Лекции по теории автоматического регулирования. Элементы теории импульсного регулирования

ВВЕДЕНИЕ

В лекции «Введение в теорию автоматического регулиро­ вания» уже отмечалось, что по способу управления исполни­ тельным устройством системы автоматического регулирования можно подразделить на системы непрерывного регулирования, системы релейного регулирования и системы импульсного ре­

В системах импульсного регулирования управление испол­ нительным устройством осуществляется не непрерывно, а через равноотстоящие друг от друга (точно или приближенно)

моменты времени импульсами, параметры которых (высота, длительность, знак) зависят от значения отклонения регули­

руемой величины (или, в общем случае, отклонения и произ­ водных или интегралов его и т. д.). в дискретные равноот­ стоящие моменты времени. Физически это значит, что в систе­ мах импульсного регулирования цепь регулирования под­

вергается принужденному периодическому размыканию.

Принцип импульсного регулирования в настоящее время широко применяется в различных системах автоматического

регулирования и управления.

С одной стороны, этот принцип используется для регули­ рования сравнительно медленно протекающих процессов, на­

пример, для регулирования температуры в промышленных пе­ чах, температуры и давления в котлах, для управления целым

рядом технологических процессов. Здесь наряду с упрощением регулирующей аппаратуы, увеличением ее чувствительности принцип импульсного регулирования при определенных усло­ виях позволяет получить более благоприятное протекание про­ цесса управления. Кроме того, применение принципа импульс­ ного регулирования позволяет весьма просто осуществить многоточечное регулирование.

3

дающей дужки 1, совершающей периодическое движение и прижимающей указатель 2 к той или иной точке прямолиней­ ного сопротивления 3, к которому присоединены, как указано

на фиг. 3, батареи 4 с равными напряжениями Ео. Входной величиной импульсного элемента является смещение указате­ ля относительно средней точки прямоугольного сопротивления. Выходной величиной являются импульсы напряжения постоян­ ной длительности, но различные по величине (и знаку) в зависи­ мости от отклонения указателя

от средней точки в моменты на­

жатия на него падающей дужкой.

Ко второму виду относятся системы с импульсным элемен­ том, преобразующим входную переменную в последователь­ ность импульсов, длительность которых пропорциональна зна­

Схематическое изображение импульсного элемента системы импульсного регулирования второго вида приведено на фиг. 5. Импульсный элемент реализован в виде скошенной падающей дужки 1, совершающей периодическое движение и прижимаю­ щей указатель 2 к контактной пластине 3, изолированной в средней точке, соединенной с батареями 4 равного напряже­ ния Ео. Входной величиной импульсного элемента, как и ра­ нее, является смещение указателя относительно средней точки. Выходной величиной являются импульсы напряжения постоян­ ной высоты, но различные, благодаря скосам падающей дужки, по длительности (и знаку) в зависимости от отклонения ука­ зателя от средней точки в моменты нажатия на него падаю­ щей дужкой.

Наконец, к третьему виду относятся системы с импульсным элементом, преобразующим входную величину в последова­

6

тельность импульсов постоянной высоты и длительности, но с

различными знаками (полярностями), зависящими от знаков входной величины в моменты съема (фиг. 6).

Схематическое изображение импульсного элемента систем третьего типа приведено на фиг. 7. Этот импульсный элемент отличается от импульсного элемента систем второго вида лишь тем, что скошенная падающая дужка заменена прямой падающей дужкой.

В системах импульсного регулирования первого вида ско­ рость серводвигателя, являющегося исполнительным устрой­ ством, изменяется в каждом рабочем интервале пропорцио­

няется и «ход» серводвигателя (пунктирная кривая на фиг. 2).

Всистемах импульсного регулирования второго вида ско­ рость серводвигателя постоянна; в зависимости от длитель­

ности импульсов в каждом рабочем интервале меняется время,

азначит и перемещение серводвигателя (пунктирная кривая на фиг. 46).

Всистемах импульсного регулирования третьего вида ско­

рость и время хода серводвигателя постоянны; изменяется

лишь знак скорости.

В каждом рабочем интервале перемещение серводвигателя постоянно.

Системы импульсного регулирования первого и второго видов являются аналогами линейых систем непрерывного регулирования в том смысле, что воздействие на исполнитель­ ное устройство пропорционально величине управляющего сиг­ нала. Системы импульсного регулирования третьего вида яв­

ляются аналогами релейных систем регулирования.

7

В приведенную выше классификацию систем импульсного регулирования не вошли системы с прерывателями или клю­ чами, в которых, цепь регулирования принужденно периоди­ чески замыкается и которые ,в рабочем интервале ничем не отличаются от систем непрерывного регулирования.

Импульсным элементом в этих системах является ключ или прерыватель. Выходная величина импульсного элемента представляет собой импульсы уже непрямоугольной формы,, «вырезаемые» из входной величины (фиг. 8).

Если рабочий интервал Тур равен интервалу регулиро­ вания Тр (у = 1) , что физически означает устранение преры­

вателя или ключа, то эти системы превращаются в системы непрерывного регулирования.

Если же рабочий интервал у Тр достаточно мал (7 < 1 > так что можно считать импульсы примерно прямоугольными.

Входная Величина имп зл-та

Выходная Величина

Выходная Величина

имя зл-та

имо. зл-та

Фиг. 8. Фиг. 9.

то эта система превращается в систему импульсного регули­

рования первого вида.

Если снабдить прерывателем или ключом систему релей­ ного регулирования, то такая система будет отличаться от си­ стемы импульсного регулирования тем, что полярность им­ пульса может в рабочем интервале меняться при переходе входной величины импульсного элемента через ноль (фиг. 9).

Указанные системы, не вошедшие в классификацию, далее не рассматриваются.

$

Исходя из описанного выше характера действия импульс­ ных элементов, принцип работы систем импульсного регулиро­ вания можно описать следующим образом (фиг. 1).

Измерительный элемент непрерывно измеряет регулируе­

мую величину. Измеренная регулируемая величина сопостав­ ляется с заданным значением в сравнивающем устройстве, и разность их, то есть отклонение регулируемой величины воздей­ ствует на управляющее устройство, в котором формируется управляющий сигнал. Управляющий сигнал воздействует на импульсный элемент. Импульсный элемент воспроизводит по­ следовательность импульсов, высота и длительность которых

(в зависимости от того, какая это система: первого или вто­

рого вида) пропорциональна управляющему сигналу или по­ лярность которых зависит от полярности управляющего сигна­ ла (в системах третьего вида) в равноотстоящие (с достаточ­ ной степенью точности) друг от друга моменты времени t=n Тр (n=0, 1, 2, 3...). Эти импульсы воздействуют на испол­ нительное устройство (серводвигатель), которое изменяет по­ ложение регулирующего органа.

Таким образом в системах импульсного регулирования пе­

редача управляющего сигнала на исполнительное устройство

происходит. путем модуляции импульсов управляющим сиг­ налом.

Всистемах первого вида модулируется высота импульсов

(амплитудно-импульсная модуляция).

Всистемах второго вида модулируется длительность или ширина импульсов (модуляция по длительности или широтно­ импульсная модуляция).

Всистемах третьего вида модулируется полярность—знак

импульсов.

Укажем здесь на некоторые свойства систем импульсного

регулирования, которые вытекают непосредственно из прин­ ципа их работы.

1.Если на систему импульсного регулирования действует периодическое возмущение (изменение нагрузки, настройки и т. п.), полупериод которого равен интервалу регулирования

то может оказаться, что регулятор не будет реагировать на изменение регулируемой величины, вызванное этим возмуще­ нием. Действительно, в этом случае входная величина им­ пульсного элемента (управляющая величина) будет периоди­

ческой (фиг. 10а). Предположим, что моменты съема совпадут с моментами прохождения вьЬбэдной величины через ноль;

тогда выходная величина импульсного элемента будет тож­

9

дественно равной нулю, и воздействие на исполнительное устройство будет отсутствовать, то есть физически система ре­ гулирования будет всегда разомкнута.

Поэтому удвоенный интервал регулирования 2 Тр должен быть меньше периода колебаний возмущения щ собственных колебаний линейной части системы. Выполнение этого требо­ вания необходимо также и для того, чтобы последовательность

импульсов достаточно точно отображала существенные черты

•управляющего сигнала (фиг. 106),

2.Если на систему импульсного регулирования воздейст­ вует возмущениевида единичного скачка (например сброс нагрузки, мгновенное изменение настройки), то регулируемая величина в установившемся режиме в системах с астатическим

исполнительным устройством (то есть исполнительным устрой­ ством, содержащим интегрирующее звено) будет постоянной

в любой момент времени, а в системах со статическим испол­

ное устройство, которое, воздействуя в свою очередь на ре­ гулируемый объект, будет вызывать отклонение регулируе­

мой величины в противоположную сторону.

4. В системах импульсного регулирования второго и третьего видов с астатическим исполнительным устройством мощность его может быть полностью использована, так как серводвигатель здесь работает в режиме постоянной скорости.

В системах импульсного регулирования первого вида пол­

ное использование мощности происходит только при наиболь­

10