книги / Основы автоматики
..pdfА.Н. ГЕРАСИМОВ, С. В. ЛУЧКО, Л. Ф. ПОРФИРЬЕВ,
Г.И. ВАНЮРИХИН, В. Ф. ВЛАСОВ
ОСНОВЫ АВТОМАТИКИ
У ч е б н о е |
п о с о б и е |
МИНИСТЕРСТВО ОБОРОНЫ СССР
1968
УДК 62-50 (075.8)
Печ. листов 29,5 |
Уч.-изд. листов 28,75 |
Подписано к печати 13.11.68 |
|
Для внутриведомственной продажи цена 1 р. 88 коп. |
Г-484508 Зак. 5620 |
ВВЕДЕНИЕ
Уопехи нашего общества на пути строительства коммунизма оущеотвенно зависят от умения всех его членов управлять как овоими действиями, так и находящимися в их распоряжении про изводительными силами. Поэтому о социальной точки зрения про блема управления приобретает в настоящее время все возрастав шее значение.
В самом общем виде управление может быть определено нак упорядочение сиотемы, т .е . приведение ее в соответствие о опре деленной объективной закономерностью, действующей в данной среде. В этой формулировке подчеркивается важнейшая сторона процессов управления - их всеобщность. Управление может рас пространяться на объекты любой природы - физические, хими ческие, биологические, - поскольку нет таких областей, кото рые принципиально нельзя было бы подвергнуть упорядочению.
Установлением общих принципов и законов управления объек
тами различной природы занимается |
к и б е р н е т и к а , ко |
||
торая по определению ее |
основоположника Норберта Винера явля |
||
ется наукой об управлении и связи в |
механизмах, |
организмах |
|
и в обществе. |
|
|
|
Вопросами управления в технических системах занимается |
|||
т е х н и ч е с к а я |
к и б е р н е т и к а , |
являющаяоя |
разделом общей кибернетики. Важнейшей составной частью техни ческой кибернетики является автоматика, основы которой и рас сматриваются в данной книге.
Автоматика - это отрасль науки и техники, охватывающая теорию автоматического управления, а также принципы построе ния автоматических систем и образующих их технических средств.
Под автоматическим управлением мы будем понимать управле ние, осуществляемое без непосредственного учаотия человека.
В наше вреыя автоматизация становится одним из самых прогрес сивных направлений в общем развитии науки и техники. Без нее совершенно немыолимы ни дальнейшее увеличение производитель ности труда, ни применение атомной энергии, ни оовоение кос моса. Охватывая буквально все отрасли техники, автоматизация вторгается и в сферу умственного труда, открывая пути к наи лучшему его использованию. Вот почему в Программе Коммунисти ческой партии Советского Союза предусмотрено в течение двад цати лет осуществить в массовом масштабе комплексную автома тизацию производства, уокорить внедрение высокосовершенных систем автоматического управления.
Автоматика - молодая наука, но, неоыотря на это, в облас ти теории и практики автоматических оиотем оделано очень мно го . Свой вклад в развитие автоматики внесли многие выдающиеся русокие ученые И.А.Вышнеградский, Н.Е.Хуковокий, А.Ы.Ляпу нов, А.А.Андронов и др.
Над важнейшими проблемами автоматического управления ра ботают представители современной ооветокой школы автоматики Б.Н.Петров. Е.П.Попов. А.С.Шаталов, Г.С.Поспелов, Я.З.Цыпкин и др.
Интересы защит нашего государства требуют особого внима ния к внедрению автоматических устройств в военное дело.
РАЗДЕЛ I
ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Г л а в а I
ОНДИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
§ 1 .1 . ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ. СИСТЕМЫ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
Автоматические системы, применяемые в современной технике, весьма разнообразны как по своему назначение, так и по кон струкции. Между тем все эти системы строятоя всего на несколь ких основных принципах. Чтобы познакомиться о этими принципами, рассмотрим некоторые конкретные автоматичеокие оистемы.
Одна из первых промышленных автоматических систем - регуля тор уровня воды в котле паровой машины - была создана в 1765 г . русским механиком и теплотех ником И.И.Ползуновым (ри с.1 .1).
Принцип действия зтого регуля тора очень проот. При снижении уровня воды h поплавок I опу скается и открывает клапан 2. За счет притока воды извне уровень автоматически повышается.
В системе устанавливается равновесие, когда ежесекундный при
ток воды становится равным ежесекундному ее расходу. Регулятор одинаково действует на любое нежелательное отклонение уровня воды от его заданного значения hQ , по каким бы причинам оно ни возникло.
Центробежный регулятор скорости вращения паровой пашины
(рнс.1.2) был построен английокиы механиком Дж.Уаттом в |
1784 г . |
|
Принцип действия этой автоматической |
оистемы ооотоит в |
следую |
щем. Прн отклонении угловой окорооти |
вращения вала со от |
эадан- |
ного значения шл иэменяетоя положение грузов |
I центробежного |
|||
|
механизма. Грузы раоходят- |
|||
|
ся |
при увеличении скорооти |
||
|
и оходятоя при ее уменьшении. |
|||
|
Связанная о грузами муфта 2 |
|||
|
перемещает |
заолонку 3, со |
||
|
ответственно уменьшая или |
|||
|
увеличивая подачу пара в ма |
|||
|
шину. И этот регулятор стре- |
|||
|
митоя ликвидировать любое |
|||
|
отклонение |
окорооти |
от ее |
|
|
заданного |
значения, |
незави |
|
|
симо от причины, вызвавшей |
|||
Рно.1.2. Центробежный регулятор |
это |
отклонение. |
|
|
окорооти вращения теплового |
|
Принципиальная охема |
||
двигателя |
оиотеыы управления ракетой |
|||
|
||||
относительно центра маоо в продольной плоокооти изображена на |
рио.1.3.
Отклонение угла тангажа ракеты тТ от его заданного (про
граммного) значения |
, т .е . разность |
= \}пр - |
, изме |
|||
ряется |
при помощи гиростабилЯ8ированной платформы I . Эта раз |
|||||
н о е» |
углов при помощи каких-либо |
устройств |
(потенциометров, |
|||
сельсинов |
н т .д .) преобразуется в |
пропорциональное |
ей напряже |
|||
ние а |
, |
которое поступает в автомат стабилизации ракеты 2. Ру |
||||
левой привод 3 отклоняет рулевые органы 4 так, чтобы ликви |
||||||
дировать |
отклонение |
ракеты. |
|
|
|
|
Рассмотренные автоматические сиотемы существенно отличают |
||||||
ся целевым назначением, составом элементов, конструкцией. Но |
||||||
если к опиоанню зтих оистем подойти о более общих позиций, в |
||||||
их поотроенин можно заметить много общего. |
|
|
||||
I . |
|
В каждой на зтих оистем можно выделить |
у п р а в л я |
|||
е м ы й |
о б ъ е к т |
- уотройотво |
(агрегат), осуществляющее |
технический процеоо, который нуждается в специально организо ванной управлении (паровой котел, паровая машина, ракета).
Состояние любого объекта характеризуется, как правило, не сколькими величинами. Например, ооотояние парового котла опре-
деляетоя уровнен воды, давлениеы и температурой пара ■ т .д ., состояние ранеты - углами тангажа, рыскания и вращения, ско ростью движения центра масс и т .д . Одни из этих величин игра ют первостепенную роль в ооущеотвлении технического процеоса, роль других - второстепенная. Поэтому из воей оовокупноотн ве личин, характеризующих состояние объекта, воегда можно выде
лить |
одну |
(или |
неоколько)«под |
|
|
|
|||
вергающуюся о п е ц и а л ь - |
|
|
|
|
|||||
н о |
организованному управле |
|
|
К |
г} |
||||
нию. Эту величину мы будем на |
|
|
|
||||||
зывать управляемой величиной |
|
|
|
|
|||||
(уровень воды h , угловая ско |
|
|
|
||||||
р о е» |
вращения вала |
паровой |
|
|
|
|
|||
машины ш , угол тангажа l) ) . |
|
|
|
|
|||||
Заметим opasy, что в оиотеме |
|
|
|
|
|||||
управления |
ракетой специально |
|
|
|
|
||||
организованному управлению |
|
|
|
|
|||||
подвергаются также углы рыока- |
|
|
|
||||||
ния и вращения, скорооть дви |
|
|
|
|
|||||
жения |
центра маоо и другие ве |
Рио.1 .3 .Система управления ра |
|||||||
личины, т .е . ракета |
как управ |
кетой |
относительно центра маоо |
||||||
|
|
|
|||||||
ляемый объект |
имеет |
несколько |
|
|
|
|
|||
управляемых величин. |
|
|
|
|
|
||||
|
Любая автоматическая оиотема неразрывно овязана о внешней |
||||||||
средой и испытывает влияние |
в н е ш н и х |
в о з д е й с т |
|||||||
в и й . |
Некрторые из |
них вызывают отклонение управляемой вели |
|||||||
чины от ее заданного значения. Такие внешние воздействия мы |
|||||||||
будем называть |
в о з м у щ а ю щ и м и |
в о з д е й с т в и |
|||||||
я м и |
(изменение раохода пара, |
изменение момента нагрузки на |
|||||||
валу паровой машины, изменение окороотн и направления ветра, |
|||||||||
действующего на ракету в полете). |
|
|
|||||||
|
2. |
|
Б каждой И8 рассмотренных автоматических оиотем можно |
||||||
выделить |
а в т о м а т и ч е с к о е |
у п р а в л я ю щ е е |
|||||||
у с т р о й с т в о , |
т .е . уотройотво, воздействующее на управ |
||||||||
ляемый объект в соответствии |
с программой управления. Б отли |
||||||||
чие |
от управляемого |
объекта, |
который является заданной ч ао п в |
автоматической оиотемы, управляющее уотройотво искусственно синтезируетоя из различных элементов так, чтобы обеопечить управление, оптимальное с точки зрения какого-либо критерия. Поэтому управление одним и тем же управляемым объектом может
осуществляться при помощи управляющих устройств различной структуры.
В рассмотренных примерах к управляющему устройств; отно сятся вое элементы автоматической оиотемы, не принадлежащие к управляемому объекту (системы рычагов, уоилитель, рулевой
привод |
и т .д .) . Исключение составляют лишь у п |
р а в л я ю |
щ и е |
о р г а н ы (клапан, заслонка, рулевые |
органы), ко |
торые обычно относятся к управляемым объектам.
Таким образом, любая из рассмотренных нами автоматических
систем может |
быть представлена в виде совокупности взаимодей |
|||
|
|
|
ствующих |
управляемого объ |
|
|
|
екта и управляющего уотрой- |
|
|
|
|
ства (рио .1 .4). Процесс управ |
|
Упра&тющее uLt)1 |
1 |
ления, происходящий в этих |
||
системах, |
может быть описан |
|||
устройства |
объект |
следующим образом. Управляю |
||
|
|
|
||
L |
|
|
щее уотройотво непрерывно |
|
|
|
|
"следит" |
за состоянием управ |
Рис.1 .4 .Автоматическая система |
ляемого объекта. Если по ка |
|||
с замкнутой |
цепью воздействий |
кой-либо |
причине возникает |
отклонение управляемой величины y(t) от ее заданного значения, автоматически вырабатывается управляющее воздействие u ( t ) , направленное на ликвидацию этого отклонения. Цепь, по которой управляемый объект воздействует на управляющее уотройотво и
по которой передаетсяинформация о д е й с т в и т е л |
ь н о м |
з н а ч е н и и управляемой величины, называетоя о б |
р а т |
н о й о в я з ь ю . По этой цепи управляющее уотройотво по лучает информацию об эффективности выполненных им операций.
В результате можно сказать, что и регулятор Ползунова, и регулятор Уатта, и сиотема управления ракетой построены на одном и том же принципе - п р и н ц и п е о б р а т н о й о в я з и. В дальнейшем мы увидим, что на этом принципе отроит ся множество автоматических сиотем.
Обратная связь имеет кардинальное значение не только для техники, но и для биологии, медицины, общественной жизни - для всех систем, поведение которых определяется не только ха
рактером внешних воздействий, но и результатом выполненных ими операций. Обратные связи необходимы даже самым примитивным жи вым организмам для сохранения жизни. Сам человек представляет собой сложнейшую высокоорганизованную оистему о обратными свя зями.
Неомотря на то, что люди давно иопольаовалн принцип обрат ной связи при создании различных автоиатических сиотеы, техни ческое закрепление этого принципа было осуществлено Ползуновыы и Уаттом.
Характерной чертой автоматических систем, работающих по принципу обратной связи,являетоя наличие замкнутой цепи воздей ствий. В процессе работы управляемый объект по цепи обратной связи воздействует на управляющее устройство, а последнее в свою очередь прикладывает к объекту управляющее воздействие.
ГлаВная обратная сВязь
Рис.1 .5 .Блок-схема автоматической системы о обратной связью
Обобщенная блок-охема любой автоматической |
системы, рабо |
||
тающей по принципу обратной |
связи, |
изображена |
на рис.1.5 . |
И з м е р и т е л ь н ы й |
э л |
е м е н т |
ИЭ предназна |
чен для измерения дейошительного значения управляемой вели
чины у (t |
) . |
В нем обычно реализуется математическая операция |
|
Z ( t ) = |
Н3у |
(£ ) , причем величина z ( t ) по своей фиэичеокой |
|
природе может |
отличаться от управляемой величины / / ( £ ) • |
Так, |
|
например, |
в регуляторе Уатта (рио.1.2) угловая скорость |
oj в |
процеосе измерения преобразуется в пропорциональное ей пере мещение муфты центробежного измерителя скорости, в сиотеме управления ракетой (рис.1.3) угол тангажа д преобразуется в пропорциональное ему напряжение на выходе потенциометрического
датчика. |
|
|
|
З а д а ю щ и й |
э л е м е н т |
33 формирует программу |
|
изменения задающего воздействия д (£), |
определяющего заданное |
||
значение управляемой величины у (t |
) . |
В нем обычно реализуется |
математическая операция |
h (t |
) - kf g( t |
) , причем величина |
|
h (f ) по своей фивичеокой природе может |
отличатьоя от зада |
|||
ющего воздействия д (t |
) . Так, |
например, |
в |
системе управления |
ракетой задающим воздействием являетоя программное значение угла тангажа 3 . Однако в оиотему управления вводнтоя не угол 3npt а пропорциональное ему вапряхение ид (рис.1 .3 ), воз никающее в результате разворота корпуоа потенциометра относи тельно гиростабилизированной платформы.
С р а в н и в а ю щ и й з л е м е в т СЭ сравнивает дей ствительное значение управляемой величины у ( t ) о ее заданным значением д (£ ) путем выполнения математической операции
х(£) = h(t)-z(t)=kfgtt)-k3y(t). (I.I)
Очевидно, что зта операция мохет быть выполнена лишь тогда, когда /? (£ ) и z (£ ) имеют одинаковую физичеокую природу. Обычно в автоматических оиотемах коэффициенты пропорционально
сти kt и |
к3 равны между ообой: /<( = к3 и тогда |
из выраже |
ния ( I . I ) |
|
|
|
x U ) = k t\gU)-y(t)] . |
(1 .2) |
Работа автоматической системы заключается в том, чтобы |
||
свести к |
нулю рассогласование х ( t ) . Поэтому, чем точнее срав |
|
нивающий элемент определяет величину . 1 ( 0 , тем, |
при прочих |
равных уоловиях, выше точность автоматической сиотемы в целом. Во многих случаях измерительный и сравнивающий элементы конструктивно объединяются в одно уотройотво. Примером такого
устройства мохет олужить потенциометрический датчик сиотемы управления ракетой (рис.1 .3 ).
Ф о р м и р у ю щ и й |
э л е м е н т ФЭ преобразует воз |
действие х ( £ ) , полученное |
от сравнивающего элемента, и в со |
ответствии о программой управления вырабатывает воздействие на исполнительный элемент. Структура формирующего элемента мохет быть предельно проотой (в регуляторах Ползунова и Уатта - это проото система рычагов), но мохет быть и очень сложной (на
пример, в |
оиотемах управления |
ракетами). |
|
У о и |
л и т е л ь н ы й |
э л е м е н т |
(усилитель) У |
усиливает |
оигнал, полученный от формирующего элемента до ве |
личины, достаточной для управления исполнительным элементом.