книги из ГПНТБ / Фрер Ф. Введение в электронную технику регулирования

Ф.Фрер,

Ф.Орттенбургер

ВВЕДЕНИЕ В ЭЛЕКТРОННУЮ ТЕХНИКУ

РЕГУЛИРОВАНИЯ

« Э Н Е Р Г И Я »

МОСКЗА 1973

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА

Развитие техники автоматического регулирования соз^ дает необходимые условия для автоматизации производ­ ства, а следовательно, для роста производительности труда и повышения качества продукции. В связи с этим изучение основ теории и техники регулирования приоб­ ретает особое значение.

Настоящая книга посвящена регуляторам непрерыв­ ного действия с электронными усилителями на транзи­ сторах; в ней приведены основные сведения о таких ре­ гуляторах, рассмотрены динамические свойства звеньев и контуров регулирования, а'также звеньев объекта ре­ гулирования, вопросы оптимизации регуляторов. Изложе­ ние характеризуется полнотой, стройностью и последо­ вательностью, систематизированным рассмотрением всех важнейших типов регуляторов, их звеньев, вариантов оптимизации.

Авторы рассматривают в основном регуляторы, при­ меняемые в электроприводе и в - энергетике. В связи с этим не уделено внимания регуляторам дискретного действия, а также регуляторам с большими временами запаздывания. Следует также отметить, что в книге в недостаточной степени рассмотрены системы подчи­ ненного регулирования, отсутствуют примеры оптимиза­ ции конкретных систем регулирования. В оригинале был обнаружен ряд существенных опечаток, исправленных при переводе.

• В целом книга несомненно представит интерес для читателей, желающих расширить и систематизировать свои знания в области техники регулирования.

Л. Айзеніитат

Г Л А В А П Е Р В А Я

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О РЕГУЛИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ

1.УПРАВЛЕНИЕ ОДНОЙ ВЕЛИЧИНОЙ

Ряд понятий и терминов техники регулирования требует

Вращая маховичок крана, он подбирает наилучшую для себя температуру, а батарея отдает в помещение для ее

навливается желательная температура.

В течение дня эта температура будет изменяться и при правильно подобранной вначале степени открытия крана. Кроме последней,' температура в комнате зависит и от температуры снаружи здания, влияющей на потери тепла через стены, окна, двери, и от колебаний темпе­ ратуры воды в батарее, и от нагрева комнаты солнцем, и от количества людей в комнате, и характера их рабо­ ты. Все эти факторы стремятся отклонить температуру от ранее установившейся величины; возникает необхо­ димость возвращать ее к этой величине. Такие откло­ няющие факторы ' называют возмущающими воздейст­ виями или возмущениями. В данном случае влиять на температуру комнаты можно лишь одним путем. Смотря по тому, насколько сильно человек чувствует холод, т. е. насколько реальная температура отклонилась от желае­ мой (последнюю можно назвать задающей величиной

4

путь воздействия, находим, что позиции рукоятки соот­ ветствует степень открытия крана, которая устанавли­ вает поток теплоносителя. Кран служит управляющим органом на этом участке управления, включающем в се­

ся задача рассматриваемой системы. Поэтому темпера­ тура в данном случаеявляется управляемой величиной, и в целом можно говорить о процессе управления тем­ пературой. Из-за единственного направления воздейст­ вий значение управляемой величины меняется не только в зависимости от задающей величины, но и в не меньшей степени — от возмущений.

Такой объект управления состоит из ряда звеньев, последовательно воздействующих друг на друга. Эту си­ стему называют управляющей цепочкой (рис. 1) *.

В приведенном примере обогрева помещения можно было бы говорить об управлении и тогда, когда поворот крана включает подкачной насос или меняется подача горючего в печь для нагрева воды, или когда оба эти процесса следуют друг за другом в определенной по­ следовательности, будучи связаны друг с другом необ­ ходимыми блокировками.

Другим примером управления может служить привод станка со своими механическими и электрическими ком­ мутационными' устройствами. Выбирая систему передач,

1 Изображенный на рис. 1 «участок управления», включающий в себя управляющий орган и собственно объект управления, в отече­ ственной литературе обычно называется «объектом». Ниже всюду будем именовать объектом цепь, показанную на рис. 1. (Прим. ne рев.)

5

устанавливают определенную скорость вращения шпин­ деля. На холостом ходу скорость вращения будей иной, чем при полной нагрузке, хотя оба эти значения могут и не очень отличаться от того, которое было установлено. Поэтому при такого рода цепочках управления желае­ мое значение управляемой величины обеспечивается только с известным приближением.- Так как величину возмущений (например, в данном случае нагрузку), вообще говоря, точно предсказать нельзя, то и компен­ сировать ее, изменяя передаточное отношение, можно лишь весьма приблизительно..

Теперь можно определить понятие «управлять». Управлять — значит так воздействовать на ограничен­ ную систему изменением одного внешнего фактора (входного или задающего воздействия), чтобы выходная (управляемая) величина могла принять желаемое зна­ чение в силу присущих системе физических закономер­ ностей, ее структуры и поведения во времени. При этом входное воздействие никак не зависит от значения вы­ ходной величины, и последняя вследствие внешних воз­ мущений может существенно отклоняться от желаемого значения.

2. РЕГУЛИРОВАНИЕ ОДНОЙ ВЕЛИЧИНЫ

Рассматривая в примере с отоплением помещения воз-" мущающие воздействия, можно убедиться, что с по­ мощью одной управляющей цепочки или совсем нельзя, или только в ограниченной мере можно решить задачу управления с заданной точностью, потому что каждое возмущающее воздействие в полной мере и беспрепятст­ венно влияет на управляемую величину. Длительно дей­ ствующие, постоянные по величине возмущения можно компенсировать соответствующим выбором задающего воздействия. Но если возмущения в системе изменяются в любые моменты времени на любые величины вплоть до предельных, то более целесообразно контролировать управляемую величину, а при ее отклонениях от ожи­ даемой по управляющему воздействию изменять это входное воздействие на объект". Таким образом можно противодействовать непредвиденным возмущениям. Этот способ называется регулированием, а для его' реализа­ ции требуется дополнительное регулирующее устройст­ во. Следовательно, необходимость регулирования вызы­ вается изменениями возмущающих воздействий.

6

Вслучае регулирования управляемую величину

регулируемой величиной (или параметром регулирова­

температуры. Поворачивая верньер задатчика 1, чело­ век задает устройству желаемое значение температуры, т. е. устанавливает задающую величину. Она сравни­ вается с измеренной термометром фактической темпера­ турой—регулируемой величиной. Их разность преобра­ зуется в регуляторе 2 таким образом, что управляющий орган 3 — исполнительный двигатель с краном — обеспе­ чивает необходимый поток теплоносителя.

Следовательно, сравнение задающей и регулируемой величин требуется для того, чтобы установить, насколь­ ко далеко отклонилась регулируемая величина от пред­ писанного ей значения. Разность между задающей и ре­ гулируемой величинами называется рассогласованием (или отклонением). Задача регулирующего устройства состоит в том, чтобы постоянно сводить рассогласование к возможно меньшей величине. Прибор, определяющий разность задающей и регулируемой величин и на ее основе формирующий требуемое управляющее воздейст­ вие, называется регулятором.

Применяются механические, гидравлические, пневма­ тические и электрические регуляторы. Этими названия­ ми подчеркивают только род информации, перерабаты­ ваемой регулятором. Среди электрических регуляторов на нынешнем этапе развития техники наиболее прогрес­ сивны те, которые построены на элементах полупровод-

никовой техники и поэтому относятся к электронным ре­ гуляторам.

На вход такого регулятора поступает электрический сигнал. Поэтому и задающую, и регулируемую величи­ ны необходимо сначала преобразовать в токи или на­ пряжения. Так как здесь используется не сама величи­ на, а ее электрическое изображение, аналог, то говорят об аналоговом регулировании, подразумевая иод этим, что на входах регуляторов сравниваются электрические аналоги задающих и регулируемых величии.

Изображение задающей величины будем называть задающим сигналом; в простейшем случае он форми­ руется перемещением движка потенциометра, питаемо­ го постоянным напряжением. Такой потенциометр пред­

сигналом фактического ее значения. Для сравнения ре­ гулируемой величины с задающей прежде всего нужно измерить регулируемую величину. Под этим отнюдь не следует понимать, что нужно прочитать показание на шкале некоторого измерительного прибора. Напротив, для измерения необходимо средствами измерительной техники проконтролировать регулируемую величину та­ ким образом, чтобы затем ее можно было сравнить в узле сравнения с задающим сигналом той же физиче­ ской природы. В примере с регулированием температуры помещения задача решается с помощью термометра со­ противления, проводимость которого меняется с темпе­ ратурой. При питании термометра постоянным напряже­ нием ток через термометр является электрическим ана­ логом температуры. Здесь термометр сопротивления слу­ жит датчиком. Включаемый после него измерительный усилитель или измерительный преобразователь усили­ вает или преобразует выходной сигнал датчика таким образом, чтобы на входе узла сравнения этот сигнал по своей физической природе и диапазону ' значений был пригоден для обработки регулятором. При известных обстоятельствах датчик и измерительный преобразова­ тель могут быть единым устройством, например при кон­ троле скорости вращения с помощью тахогенератора.

Не все типы регулируемых параметров можно изме­ рить столь просто, а иные вообще не поддаются прямо?

8

лентами: в нашем случае, хорошо это или плохо, таким

таким эквивалентом может явиться ток якоря, а для по­ ля возбуждения — ток возбуждения машины.

Измерения регулируемой величины могут вестись непрерывно или дискретно, в жестко заданном ритме. Соответственно говорят о регуляторах непрерывного или дискретного (импульсного) действия. Если при дискрет­ ном регулировании определяется фактическое значение регулируемой величины, то в промежутках между изме­ рениями этот сигнал нужно сохранить на найденном уровне, т. е. запомнить его. То же относится и к рассо­ гласованию в случаях, когда дискретно измеряется не только регулируемая, но и задающая величина.

Технические регуляторы выпускаются с весьма ма­ лыми' значениями выходной мощности. Согласование по

оснащен достаточно мощным источником питания. При­ менительно к системе отопления помещения это ясно из рис. 2. Для манипулирования краном служит испол­ нительный двигатель, который может вращать пробку крана в обоих направлениях.

Из рис. 2 можно сделать вывод, что выходная вели­ чина регулятора, воздействующая на управляющий ор­ ган и называемая, как было упомянуто, управляющим воздействием, может здесь принимать лишь три дискрет­ ных значения: «двигатель влево», «стоп» и «двигатель вправо». Регуляторы такого типа называют трехпозиционными. Их можно встретить прежде всего при регули­ ровании, технологических процессов, где они приводят в действие вентили, клапаны, шиберы и т. д. В прин­ ципе еще проще двухпозиционные регуляторы, дейст­ вующие по принципу «включено» — «выключено», кото­ рые можно встретить, например, при регулирований температуры в промышленных печах. Здесь в зависимо­ сти от величины отклонения регулируемой величины на­ грев включается или отключается. В электроприводе,

9