книги / Основы автоматики

УДК 62-50 (075.8)

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

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

рио.1.3.

Отклонение угла тангажа ракеты тТ от его заданного (про­

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

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

торые обычно относятся к управляемым объектам.

Таким образом, любая из рассмотренных нами автоматических

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

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

чен для измерения дейошительного значения управляемой вели­

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

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

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 ).

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

личины, достаточной для управления исполнительным элементом.