§ -l-l]

ПОНЯТИЕ о ЗАМКНУТЫХ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Автоматический регулятор вместе с регулируемым объектом называется Системой автоматического регулирования.

Системы автоматического регулирования, поддерживающие постоянное {в частности, нулевое) значение регулируемой величины, называют также системами стабилизации. Часто этот термин применяется для систем автоматического регулирования и управления, включающих в себя гироскопические устройства (гиростабилизация), но и во многих других случаях говорят также о стабилизации скорости, напряжения и т. п. при помощи автоматических регуляторов. Система автоматического регулирования, изменяющая значения регулируемой величины по заранее заданной программе, называется системой программного регулирования.

Регулятор, в котором имеется усилительно-преобразовательное устройство, питаемое извне от добавочного источника энергии (рис. 1.5), называется регулятором непрямого действия. В простейших регуляторах, как увидим ниже, усилительно-преобразовательного устройства и привода может и не быть вовсе, т. е. измерительное устройство может непосредственно (без дополнительного источника энергии)

ЛвтомштесЛий

(ЗаЗат\

Рис. 1.7.

воздействовать на регулирующий орган (рис. 1.7). Такой регулятор называется регулятором прямого действия. Питание регулятора прямого действия энергией идет не извне, а целиком за счет энергии самого регулируемого объекта, подаваемой через измерительное устройство.

Но существуют, наоборот, и более сложные регуляторы. Так, кроме одиночных систем регулирования, о которых здесь идет

речь, состоящих из одного регулируемого объекта и одного регулятора, существуют так называемые связанные или многомерные системы регулирования. Многомерными системами регулирования называются такие, в которых имеется несколько регулируемых величин или в единый автоматически работающий комплекс связаны несколько регуляторов на одном объекте или несколько регуляторов и несколько объектов с перекрестными связями между ними.

Те же общие принципы используются в разного рода системах автоматического управления. Управление - более общий термин, чем регулирование, стабилизация, слежение, ориентация, наведение. Система автоматического управления может решать любую из этих задач, но может решать также и совокупность такого рода задач и иметь различные дополнительные функции.

Обратимся, например, к системе автоматического управления полетом самолета (система самолет - автопилот). Автопилот имеет три канала управления: управление движением в вертикальной плоскости (по тангажу), управление движением в горизонтальной плоскости (по курсу) и управление поворотом вокруг собственной оси (по крену). Для примера на рис. 1.8 изображен один канал автопилота - курсовой. Здесь корпус самолета 1 является объектом управления, гироскоп 2 с потенциометрической схемой служит измерительным устройством. Далее идут усилитель 5, приводной двигатель 4 с редуктором 5 (рулевая машинка) и, в качестве регулирующаго органа, руль 6.

Гироскоп сохраняет неизменное направление в пространстве. Поэтому при отклонении самолета на угол ij) от заданного курса движок, связанный

С гироскопом, смещается с нулевой точки. В результате на усилитель подается напряжение, пропорциональное углу отклонения я]?. Оно приводит в движение исполнительное устройство 3-5. При этом вследствие отклонения руля на угол б самолет возвратится в требуемое положение (позднее будет показано, что одного сигнала гироскопа для управления самолетом недостаточно).

Аналогично устроены и два других канала автопилота. Очевидно, что если с помощью автопилота надо поддерживать неизменный курс или надо разворачивать самолет по заданной программе, то данная система управления будет работать по общей схеме системы автоматического регулирования - либо в режиме стабилизации постоянной величины, либо в режиме программного регулирования. Если же самолет надо наводить

на какую-либо цель, причем заданное направление (рис. 1.8) вместо гироскопа (или в дополнение к нему) определяется каким-нибудь визирующим цель устройством (оптическим или радиолокационным) , то данная система управления будет работать как следящая система.

Аналогично обстоит дела и по каналу тангажа. В канале крена обычно имеет место автоматическая стабилизация нулевого угла крена. При этом каждый из трех каналов управления действует на свой руль (руль направления, руль высоты, элероны), т. е. имеется три отдельных регулятора на одном объекте. Однако между ними часто вводятся еще перекрестные связи. Например, для улучшения поворота самолета по курсу полезно самолет несколько накренить. Поэтому полезно сигнал отклонения курса подавать не только на руль направления, но также и в канал крена (так называемый координированный разворот).

Кроме того, данная система автоматического управления полетом самолета может выполнять и некоторые другие функции, связанные со стабилизацией скорости и линии пути и с анализом обстановки на местности и в воздухе на основе обработки информации от разных измерителей на борту, от команд с земли и т. п.

Большое значение в технике управления имеют системы комбинированного действия с регулированием по возмущению (пунктирные линии на рис. 1.5). Все большую роль начинают играть адаптивные системы, т. е. самонастраивающиеся, само оптимизирующиеся и самоорганизующиеся системы, а также системы с переменной структурой, о которых будет идти речь во второй главе книги.

Для систем автоматического регулирования и для следящих систем (равно как и для всех замкнутых автоматических систем вообще) существуют практически единые методы динамических расчетов.

Большое различие в теорию систем вносят не только функциональные признаки, но и характер внутренних процессов: непрерывный - дискретный (импульсный), линейный - нелинейный и т. п. Этим объясняется-и деление данной книги на соответствующие крупные разделы.

Рис. 1.8.

% I.2I КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ 15

§ 1.2. Классификация автоматических систем по характеру внутренних динамических процессов

Каждая автоматическая система состоит из целого ряда блоков или звеньев, различно соединенных между собой (см. рис. 1.3-1.5). Каждое-отдельно взятое звено имеет вход и выход (рис. 1.9, а) в соответствии со стрелками на рис. 1.3-1.5, обозначающими воздействие или передачу информации с одного звена на другое. В общем случае звено может иметь нecкoлькo входов и выходов, но сейчас это несущественно. Входная величина и выходная могут иметь любую физическую природу (ток, напряжение, перемещение, температура, освещенность и т. п.).

В процессе работы автоматической системы величины и х.. изменяются g

во времени. Динамика процесса преобразования сигнала в данном звене

описывается некоторым уравнением (или экспериментально снятой характеристикой), связывающим выходную переменную х с входной переменной Xj. Совокупность уравнений и характеристик всех звеньев описывает-, динамику процессов управления или регулирования во всей системе в целом. Существуют различные характеристики звеньев: статические, переходные, частотные и др. Далее все они будут изучены.

Основными признаками деления автоматических систем на большие-классы по характеру внутренних динамических процессов являются следующие:

1) непрерывность или дискретность (прерывистость) динамических процессов во времени,

2) линейность или нелинейность уравнений, описывающих динамику-процессов регулирования.

По первому признаку автоматические системы делятся на системы непрерывного действия, системы дискретного действия (импульсные и цифровые) и системы релейного действия.

По второму признаку каждый из указанных классов, кроме релейного, делится на системы линейные и нелинейные. Системы же релейного действия относятся целиком к категории нелинейных систем.

Дадим определение каждого класса автоматических систем, а затем рассмотрим их примеры.

Системой непрерывного действия называется такая система, в каждом из звеньев которой непрерывному изменению входной величины во времени соответствует непрерывное изменение выходной величины. При этом закон изменения выходной величины во времени может быть произвольным, в зависимости от формы изменения входной величины и от вида уравнения динамики (или характеристики) звена.

Чтобы автоматическая система в целом была непрерывной, необходимо прежде всего, чтобы статические характеристики всех звеньев системы были непрерывными. Примеры непрерывных статических характеристик показаны на рис. 1.10.

Системой дискретного действия называется такая система, в которой хотя бы в одном звене при непрерывном изменении входной величины выходная величина изменяется не непрерывно, а имеет вид отдельных импульсов появляющихся через некоторые промежутки времени (рис. 1.11). Звено, преобразующее непрерывный входной сигнал в последовательность импульсов.