Файл: Основы авиационной автоматики учеб. пособие.pdf

\

л

о

\л

ПРЕДИСЛОВИЕ

Решение новых задач автоматического управления сложными техническими системами требует непрерывного совершенствова­ ния теоретических основ автоматики.

Обеспечение заданной точности и необходимого быстродей­ ствия системы заставляет совершенствовать методы анализа ди­ намики систем автоматического управления, находящихся под воздействием регулярных и случайных сигналов. Применение вычислительных машин в контурах управления объектами при­ водит к необходимости исследования процессов в дискретных си­ стемах. Исследование процессов управления подвижными объек­ тами требует привлечения методов анализа существенно неста­ ционарных систем.

В ряде случаев задача обеспечения высокого быстродействия системы успешно решается применением нелинейных систем уп­ равления, для анализа которых разработаны специфические методы.

При изучении динамики конкретных систем автоматического управления требуется знание конструкции, принципа действия и динамических свойств элементов автоматических устройств.

Упомянутые разделы теории автоматического управления и рассмотрены в настоящем пособии. Изложение этих вопросов на современном уровне представляет собой довольно сложную за­ дачу, однако авторы сделали попытку обеспечить необходимую краткость и доступность изложения. Для усиления практической направленности обучения пособие снабжено примерами и зада­ чами, подкрепляющими изложенные методы.

При написании данного пособия авторами обобщен опыт чте­ ния ими лекций но курсу «Авиационная автоматика» в ВВИОЛКА им. проф. Н. Е. Жуковского и учтена работа кафедры по методи­ ческому совершенствованию курса.

3

ВВ Е Д Е Н И Е

§1. РОЛЬ АВТОМАТИЗАЦИИ.

кр а т к и е и с т о р и ч е с к и е с в е д е н и я

Современный уровень развития техники характеризуется ши­ роким использованием средств автоматизации в управлении раз­ личными процессами. Функционирование современных предпри­ ятий я сложных технических систем становится возможным лишь благодаря использованию автоматического управления. Техниче­ ское развитие Советского Союза и передовых стран мира достиг­ ло такого уровня, при котором в ряде случаев автоматизация аб­ солютно необходима. Осуществлять управление атомными элек­ тростанциями, увеличивать скорость прокатных станов, произво­ дить непрерывный разлив стали и добиваться изготовления дета­ лей высокого класса точности в настоящее время невозможно без перехода на автомэтическоеj /нрявление. С уверенностью можно сказать, что все наиболее' выдающиеся научно-технические до­ стижения в области освоения космоса, атомной энергетики, бес­ пилотной авиации и вычислительной техники были получены бла­ годаря использованию .комплексов автоматических устройств и систем.

Особенно велика роль автоматизация в процессе производст­ ва и повышении производительности труда. «Производительность труда — это в последнем счете самое важное, самое главное для победы нового общественного строя» — говорил В. И. Ленин. Ав­ томатизацию можно назвать главным направлением техническо­ го прогресса. Поэтому партия и Советское правительство уделя­ ют большое внимание развитию автоматизации в СССР; ставят­ ся все новые и новые задачи по увеличению темпов автоматиза­ ции производства. В программе КПСС ставится задача осуще­ ствить в массовом масштабе комплексную автоматизацию произ­ водства с переходом к автоматизированным цехам и предприя­ тиям. Это приведет к качественным изменениям в характере производства, позволит успешно выполнить основную экономи­ ческую задачу построения материально-технической базы ком­ мунизма. В программе говорятся, что «Автоматизация и комп­ лексная механизация служат материальной основой для посте­ пенного перерастания труда социалистического в труд комму­ нистический». Под комплексной автоматизацией производства

5

понимается, с одной стороны, автоматизация первичных произ­ водственных операций, а с другой, — автоматизация процесса производства в целом.

Автоматизация первичных производственных операций осу­ ществляется путем автоматизации отдельных процессов и опера­ ций, внедрением в производство автоматических систем и стан­ ков-автоматов. Автоматизация процесса управления производст­ вом достигается путем создания поточных линий, автоматизиро­ ванных цехов и полностью автоматизированных предприятий. Аналогичные две тенденции имеются и в военной технике, а в авиации — в особенности.

На современном самолете осуществлена автоматизация от­ дельных этапов полета самолета, автоматизировано управление вооружением, авиадвигателями, источниками электроэнергии, средствами ориентировки и т. п. Для этой цели используются ав­ топилот и автоматический прицел, автомат запуска и система ав­ томатического регулирования скорости вращения авиадвигателя, система регулирования напряжения самолетного генератора и навигационные автоматы, система регулирования передаточного отношения от ручки управления к стабилизатору, автомат растормаживания колес и т. п. Такое широкое внедрение автома­ тических устройств повышает боевые возможности самолета, так как облегчает экипажу выполнение тактических задач, обес­ печивая необходимую точность и быстродействие в условиях не­ прерывно возрастающих скоростей и высот полета.

Дальнейшее повышение боевой эффективности авиации тре­ бует осуществления полной автоматизации всех режимов полета самолета: взлет, вывод самолета в район цели и сброс бомб или запуск ракет, привод «а аэродром посадки и посадка. Возникает также необходимость объединения отдельных систем автомати­ ческого управления в единое целое, т. е. должна быть осуществ­ лена комплексная автоматизация самолета. Все это не только повышает боевые и тактические возможности самолетов, но и позволяет увеличить безопасность полетов и надежность работы авиационной техники. Усложнение технического оснащения са­ молетов требует от специалистов любого профиля не только зна­ ния аппаратуры и оборудования, с которыми они сталкиваются в процессе эксплуатации, но и знания принципов построения и основ работы тех сложных комплексов и систем, в которые вхо­ дит самолет с его установками.

Изучение принципа действия и построения сложных техниче­ ских систем становится возможным лишь в результате усвоения основ современной автоматики.

Истоки автоматики, то есть первые попытки заменить груд человека механизмами, действующими без его непосредственно­ го участия, относятся к древности и к средним векам. Однако ав­ томатические устройства стали прямой технической необходимо­ стью только после того, как получили достаточное развитие ма­

6

шины и механизмы, используемые для преобразования энергии и производства работы. Первыми промышленными автоматиче­ скими устройствами были регуляторы паровых машин.

В 1765 г. талантливым русским механиком И. И. Ползуновым был изобретен поплавковый регулятор уровня воды в .паровой машине. В регуляторе нашла применение идея регулирования по отклонению, которая легла в основу принципа построения замк­ нутых систем автоматического управления. В 1784 г. англий­ ским механиком Дж. Уаттом был создан центробежный регулятор для поддержания постоянной скорости вращения вала паровой машины, который сыграл большую роль в развитии промышленных систем автоматического ре­ гулирования. В течение XIX в. шло совершенствование регулято­ ров паровых котлов и паровых машин. Были созданы также ре­ гуляторы паровых турбин и гидротурбин, разработаны электри­ ческие регуляторы напряжения генераторов и регуляторы скоро­ сти вращения для двигателей постоянного тока. Практика при­ менения промышленных регуляторов потребовала разработки методов их расчета и теоретических исследований протекающих в них процессов.

Первой работой в этой области была работа гениального русского математика П. Л. Чебышева «О регуляторах», 1838 г. В 1876—1877 гг. профессор Петербургского технологического ин­ ститута И. А. Вышиеградокий создал основы классической тео­ рии автоматического регулирования. В своих трудах «Об общей теории регуляторов» и «О регуляторах прямого действия» он ука­ зал на необходимость совместного рассмотрения регулятора и машины как единой динамической системы. При исследованиях он применял линеаризацию уравнений динамики системы и на­ шел условия устойчивости системы автоматического регулирова­ ния. Идеи Вышнеградежого развил словацкий ученый профессор А. Стодола и применил к исследованию систем более высокого порядка. Он сформулировал задачу о нахождении аглебраических условий устойчивости системы, описываемой линейным дифференциальным уравнением любого порядка. Эту задачу в 1895 году решил швейцарский математик А. Гурвиц. Параллель­ но английский математик Раус независимо от Гурвица нашел условия устойчивости системы в несколько ином виде.

В конце XIX века русский математик академик А. М. Ляпу­ нов в работе «Общая задача об устойчивости движения» создал строгую теорию устойчивости движения, показал законность ис­ следования системы по линеаризованным уравнениям.

Работа профессора Н. Е. Жуковского «Теория регулирова­ ния хода машин», опубликованная в 1909 г., была первым изло­ жением курса лекций, прочитанных ученым по теории регулиро­ вания в высшем техническом учебном заведении, и явилась даль­ нейшим развитием теории автоматического регулирования.

7