Файл: Основы авиационной автоматики учеб. пособие.pdf

Победа Великой Октябрьской социалистической революции дала широкий простор развитию науки и техники. Огромные за­ дачи индустриализации и электрификации страны, широкое внедрение новой техники и автоматизация производства потре­ бовали координации всех работ по автоматике из единого цент­ ра. В связи с этим в 1934 году при Академии наук СССР была создана комиссия автоматики и телемеханики.

Комиссия с 1936 года начала издавать журнал «Автоматика и телемеханика», объединяющий вокруг себя многих советских ученых и являющийся одним из ведущих журналов по теории ав­ томатического регулирования и управления.

К середине XX века автоматика постепенно проникает во все отрасли техники и начинает охватывать самые разнообразные процессы. Усложнение систем автоматического регулирования и повышение требований к качеству процессов регулирования при­ вели к развитию методов исследования устойчивости и качества процессов регулирования. Получают развитие частотные методы анализа систем автоматического регулирования, перешедшие в автоматику из радиотехники.

Частотный критерий устойчивости усилителей с обратной связью был разработан в 1932 году американским инженером Найквистом. Частотные методы исследования систем автоматиче­ ского регулирования получили развитие в работах А. В. Михай­ лова в 1938 г. Частотные н структурные методы анализа систем автоматического регулирования были развиты также в работах советских ученых В. В. Солодовникова, Я. 3. Пыпкина, А. А. Во­ ронова, А. А. Красовокого, А. А. Фельдбаума, А. С. Шатало­ ва и ряда других. В разработке теории нелинейных систем сы­ грали большую роль основополагающие работы сороковых го­ дов А. А. Андронова, Н. М. Крылова и Н. Н. Боголюбова. Эти работы вместе с работой А. М. Ляпунова являются теоретиче­ ской основой для решения задач теории нелинейных автоматиче­ ских систем. Частотные методы исследования нелинейных си­ стем, предложенные в работах Н. М. Крылова и Н. Н. Боголю­

При исследовании автоматических систем, находящихся под воздействием случайных сигналов и помех, большую роль сыгра­ ли статистические методы, основанные на теории стационарных случайных процессов, разработанной советскими учеными А. Н. Колмогоровым и А. Д. Хннчиным и развитой американским уче­ ным Н. Винером. Статистические методы исследования систем автоматического управления получили дальнейшее развитие в работах В. В. Солодовникова, В. С. Пугачева и других.

В последние годы широкое развитие получили электронные вычислительные машины различного назначения. Применение электронных цифровых вычислительных, машин в контурах уп­ равления и использование различных видов импульсных уст-

8

роііств в автоматических системах приводят к разработке теории дискретных систем автоматического управления. Большая роль в развитии этого направления принадлежит советским ученым Я. 3. Цыпкину, В. В. Перову, Л. Т. Кузину и другим, а также за­ рубежным ученым Э. Джури, Л. А. Заде, Дж. Рагаццини.

Теория автоматического регулирования и управления отно­ сится к числу бурно развивающихся областей науки. В настоя­ щее время .получают широкое развитие и более совершенные ти­ пы систем автоматического управления, к числу которых’ отно­ сятся оптимальные и самонастраивающиеся системы. Разработ­ кой теоретических основ таких систем в Советском Союзе зани­ маются А. А. Красовский, А. А. Фельдбаум, В. В. Солодовников и др.

Автоматика в настоящее время является достоянием широ­ кого круга инженерно-технических работников. Как учебная дис­ циплина она введена почти во все технические учебные заведе­ ния страны. Целью настоящего пособия является изложение ос­ нов современной теории автоматического управления, примени­ тельно к .потребностям подготовки слушателей академии.

§2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Сзарождением техники во всех ее областях появилась проб­ лема управления. Очевидна необходимость управления средства­ ми транспорта, машинами, физическими процессами, химически­ ми реакциями и пр. В результате управления человек стремится обеспечить нужные ему режимы, заданное /гротекание процессов или определенное состояние техники.

Такая организованная целенаправленная деятельность, пред­ назначенная для изменения процессов в желаемом направлении, называется управлением. Стремление избавиться от тяжелого и утомительного физического труда, а также использовать методы и средства для облегчения некоторых процессов умственной дея­ тельности человека приводит к созданию автоматических уст­ ройств, выполняющих определенные функции без непосредствен­ ного участия человека.

Сам термин «автоматизация» происходит от греческого сло­ ва «automatic», что означает самодействующий.

Под автоматизацией понимается частичное или полное устра­ нение непосредственного участия человека в управлении некото­ рым процессом.

Бурное развитие авиации неразрывно связано с широкой ав­ томатизацией процессов управления самолетом, двигателями н другими объектами. На современном самолете имеется большое разнообразие автоматических устройств и систем: автоматиче­ ская сигнализация, автоматический контроль, автоматическая защита и блокировка, дистанционное управление, системы авто­ матического регулирования различного назначения и др.

9

Такая автоматизация авиационной техники повышает боевые ц тактические возможности самолетов, улучшает надежность и безопасность полетов, облегчает условия работы экипажа при выполнении боевой задачи.

Введем некоторые понятия, связанные с теорией управления. Управление некоторым процессом или объектом может осуществ­ ляться либо человеком, либо специальным автоматическим уп­ равляющим устройством. В первом случае мы имеем неавтома­ тическую систему, а во втором — автоматическую систему.

Управляемым процессом будем называть процесс, в протека­ ние которого вмешивается человек, либо автоматическое управ­ ляющее устройство.

Объект управления — это устройство, в котором протекает управляемый процесс.

Автоматическое управляющее устройство — это совокупность элементов, обеспечивающих управление объектом. В некоторых руководствах автоматическое управляющее устройство называ­ ется системой автоматического управления (САУ) или регулято­ ром.

Совокупность автоматического управляющего устройств-a и объекта называется автоматической системой.

№

принято называть выходными сигналами, выходными функциями или выходными параметрами (рис. 0.1).

Совокупность сведений о состоянии объекта управления на­ зывается информацией о его выходных параметрах (координа­ тах).

іи

Информация о состоянии объекта и задачах управления игра­ ет определяющую роль в процессах управления. Положение объ­ екта может быть изменено с помощью некоторых управляющих

воздействий {и, (tf), u2(t'h . . . um(t)} = u[t), представляющих со­ бой отклонение регулирующих органов («рулей») объекта. Эти воздействия принято называть входными сигналами, входными функциями или входными параметрами для объекта управления. Кроме того, положение объекта может изменяться из-за воздей­ ствия на объект различных факторов {/i (t),

= f { t ),не относящихся к сигналам управления. Эти воздействия принято называть возмущающими воздействиями или помеха­ ми (ом. рис. 0.1).

Рассмотрим примеры объектов управления.

Электрический генератор постоянного тока (рис. 0.2). Выход­

выходные и входные координаты объекта, а можно ограничить­ ся лишь какой-то частью из них, интересных в рамках постав­ ленной задачи.’ Например, можно исследовать лишь продольное движение самолета и принимать во внимание лишь -соответствую­ щую этому движению часть входных и выходных сигналов.

•Целью управляющей системы является выработка таких уп- —►

равняющих сигналов u(t) на заданном отрезке времени, чтобы

—V

движение у (і) объекта управления под действием этих управ­ ляющих сигналов в некотором смысле было как можно ближе к

заданному движению x(t).

11

Различают два вида управления: замкнутое управление и ра­ зомкнутое управление. В первом случае автоматическая система включает в себя: а) объект управления; б) источники информа-

известным данным о заданных x(t) и действительных выходных

координатах объекта y(t); г) исполнительные устройства, пере­ мещающие соответствующие рули объекта. Функциональная схема замкнутой автоматической системы приведена на рис. 0.3.

Р и с. 0.3. Функциональная схема замкнутой автоматической системы

объекта f\(t), погрешности исполнительных устройств WO* воз­ мущающие силы, воздействующие на объект /3(t), и погрешности измерительных устройств выходных координат объекта WO-

Замкнутые системы называют иногда также системами с об­

ратной связью. Под «обратной связью» понимают передачу вы- —>

ходных сигналов y(t) (см. рис. 0.3) снова «на вход» системы —

.в устройство вычисления управляющих сигналов.

Рис. 0.4. Функциональная схема разомкнутой автоматической системы

'12

При разомкнутом способе управления управляющие, сигналы

—>

и(Ь) вырабатываются без учета текущих значений координат y(t) (рис. 0.4).

Такие системы также называют системами без обратной свя­ зи, так как выходные сигналы не учитываются при выработке управляющих сигналов <и передачи выходных сигналов «на вход» системы здесь не происходит.

Разомкнутый способ управления применяется в тех случаях, когда свойства объекта управления заранее хорошо известны, а помехи, воздействующие на автоматическую систему, незначи­ тельны. Такого рода системы применяются, например, для про­ граммного управления взлетом баллистических ракет, управле­ ния металлорежущими станками, различными механизмами и т. д.

Рис . 0.5. Функциональная схема системы автоматического регулирования

Простейшей разновидностью замкнутых автоматических си­ стем являются системы автоматического регулирования (САР).

Автоматическим регулированием называется такой вид уп­ равления, при котором выходные параметры объекта управления поддерживаются на заданном уровне или изменяются по опре­ деленному закону во времени. Указанные выходные параметры называются регулируемыми величинами.

Замкнутые системы, в которых регулируемые величины под­ держиваются на неизменном уровне или изменяются по заданно­ му закону, называются системами автоматического регулирова­ ния (САР).

Функциональная схема системы автоматического регулирова­ ния приведена на рис. 0.5. Схема состоит из задающего устрой­ ства 3, вырабатывающего сигнал их, пропорциональный за­ данному значению регулируемой величины х; датчика сигнала Д, воспринимающего (измеряющего) регулируемую величину у и преобразующего ее в сигнал иг удобный для сравнения; срав­ нивающего устройства СУ; усилителя У; пополнительного уст­ ройства ИУ и объекта автоматического регулирования ОР с ре­ гулирующим органом РО. Выходная регулируемая величина

13