Файл: Арховский В.Ф. Основы автоматического регулирования учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 25.06.2024
Просмотров: 94
Скачиваний: 1
В. Ф. АРХОВСКИЙ, Ю. Н. СЕРЕГИН
ОСНОВЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
Допущено
Министерством авиационной промышленности СССР
в качестве учебного пособия
для авиационных техникумов
Москва «М а ш и н о с т р о е н и е »
1 9 7 4
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
торых базируется работа систем |
автоматического управления |
|
и регулирования современных воздушно-реактивных |
двигате |
|
лей, приведены общие принципы |
построения таких |
систем и |
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.
j |
С О Г. |
•нтя |
на "О ■ ч |
: - _кая |
|
( |
Си:.) ,■;О |
Р |
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.
В книге использована общепринятая терминология по авто |
|
матике, рекомендованная Академией наук СССР. |
Рассмотрены |
элементы автоматических устройств, нашедших |
применение в |
авиационной техиiгке. |
|
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
В книге изложены также основы моделирования систем авто матического регулирования, предполагающего использование вычислительной техники. Такое моделирование все чаще находит применение при проектировании и производстве топливо-регулп- рующей аппаратуры воздушно-реактивных двигателей.
При написании пособия использован материал литературных источников, ' переработанный применительно к требованиям
техникумов (перечень использованной литературы |
приведен |
в конце книги), и собственные разработки авторов, |
а также |
учтен опыт преподавания авторами аналогичных курсов и пред метов в высших и средних учебных заведениях. Введение, главы I— IV написаны Ю. Н. Серегиным, главы V—VII — В. Ф. Арховским.
Авторы будут благодарны за критические замечания и поже лания, которые просят направлять по адресу: Москва, Б-78, 1-й Басманный пер., 3, издательство «Машиностроение».
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
занное относится к летательному аппарату в целом и к его от дельным узлам, в том числе и к двигателю.
Современные двигатели летательных аппаратов оснащаются сложными системами управления и регулирования, способными осуществлять процессы, происходящие в двигателях по требуе мому закону. Для возможности выбора наиболее рациональной схемы управления этими процессами и ориентировочных пара метров такой системы, а также для того, чтобы заранее преду смотреть характер изменения величин, подлежащих управлению,, необходимо теоретически рассчитать систему. Во многих слож ных системах автоматического управления для этой цели приме няются вычислительные машины. Системы автоматического регулирования, являясь более простыми системами, также под вергаются расчетам, что требует определенных знаний в теории автоматического регулирования, дающей научные основы для, разработки и проектирования этих систем.
В настоящее время намечается переход от автоматизации от дельных контуров двигателя к его комплексной автоматизации, от регулирования отдельных величин к управлению большим числом взаимосвязанных параметров.
Этому во многом способствуют труды советских ученых, ра ботающих в области автоматики авиационных двигателей. Ши роко известны, например, работы Т. М. Башты, В. А. Боднера, Л. А. Залманзона, Б. А. Черкасова, А. А. Шевякова, А. В. Штоды.
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).
Управление, осуществляемое без непосредственного |
участия |
человека, называется а в т о м а т и ч е с к и м . При этом |
изготов |
ление и настройку отдельных элементов, с помощью |
которых |
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
чие «входа» и «выхода». Под «входом» системы |
понимается та |
|
ее часть, на которую подается в о з д е й с т в и е |
извне (входное |
|
воздействие А'вХ), а под «выходом» — другая часть |
этой систе |
|
мы, которая сама воздействует на внешнюю среду * |
(с помощью |
|
выходного воздействия xBbU:). На рис. 1.2 «входом» |
системы бу |
дет ее часть 1, а «выходом» — часть 2.
При этом за воздействие принимается такое действие внеш
ней среды на систему |
(внешнее |
воздействие) |
или одной части |
||||
системы на другую |
(внутреннее воздействие), |
при котором изме |
|||||
няется |
поведение |
части, испытываю |
|
|
|
||
щей это воздействие. Любое входное |
|
-------------- |
Хлых |
||||
воздействие должно |
вести к |
из- |
Хвх |
||||
менению выходного, если только |
|
Система |
|
||||
система |
способна |
|
воспринять |
это |
|
|
|
входное воздействие. |
|
|
Рис. |
1.2. Схема системы |
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
фаза переменного тока, |
изменение числа оборотов (скорости |
||
вращения) двигателя при изменении |
температуры газа |
перед |
|
турбиной и т. п. |
|
|
|
Сигналами, изображенными в виде математических функций, |
|||
являются входное (хвх) |
и выходное (л;Вых) воздействия |
(см. |
|
рис. 1.2). |
|
|
|
Взаимосвязь входного и выходного воздействий определяется |
|||
законом (алгоритмом) |
управления |
(регулирования), который |
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