Главная > Разное > Теория систем автоматического регулирования
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

§ 7.6. Использование вычислительных машин

За последнее время для исследования систем автоматического регулирования и управления и, в частности, для построения переходных процессов стали широко применяться вычислительные машины непрерывного и дискретного действия. Наибольшее применение находят вычислительные машины непрерывного действия, относящиеся к классу моделирующих установок электронного или электромеханического типа.

Удобство моделирующих вычислительных машин заключается в том, что физическому процессу, протекающему в исследуемой системе регулирования, соответствует протекание в вычислительной машине (модели) некоторого другого «аналогового» процесса, описываемого теми же дифференциальными уравнениями, что и исходный процесс. Это позволяет изучать процессы в системах регулирования наиболее наглядно, так как каждой обобщенной координате в исследуемой системе соответствует некоторая переменная в вычислительной машине, например электрическое напряжение, ток (в электронной модели) или угол поворота (в электромеханической модели).

Моделирующие вычислительные машины позволяют моделировать как всю систему в целом, так и отдельные ее части. Так, например, часто вычислительная машина используется для моделирования объекта регулирования, например самолета, корабля, паровой турбины, двигателя внутреннего сгорания и т. п., а сам регулятор может быть реальным. При «сопряжении» реального регулятора с объектом, в качестве которого выступает модель, получается замкнутая система регулирования, которая может быть исследована еще до того, как будет построен сам объект.

Вычислительные машины целесообразно использовать для исследования обыкновенных линейных систем в тех случаях, когда последние описываются дифференциальными уравнениями сравнительно высокого порядка и их аналитическое исследование становится малоэффективным. Однако наибольшее значение имеют вычислительные машины при исследовании линейных систем с переменными параметрами и нелинейных систем, поскольку для этих случаев пока еще мало разработано приемлемых для практики методов, а иногда аналитические методы вообще отсутствуют.

Точность моделирующих вычислительных машин обычно не превосходит нескольких процентов. В большинстве случаев этого оказывается достаточно для целей практики. Получение точности в десятые доли процента и выше связано со значительным увеличением стоимости машин, В этом отношении целесообразнее использовать вычислительные машины дискретного типа, которые сравнительно просто могут обеспечить высокую точность вычислений.

В связи с этим для обычных задач разработки систем автоматического регулирования, как правило, используются более простые и удобные моделирующие вычислительные машины. Дискретные вычислительные машины привлекаются для целей исследования лишь в случаях, требующих повышенной точности вычислений.

Следует заметить, что моделирование не призвано полностью заменить аналитические или графические методы исследования систем регулирования. Комплекс технических задач, связанных с проектированием, конструированием, регулировкой и настройкой систем, весьма сложен, и он всегда должен опираться на сознательные расчетно-теоретические методы. Моделирование же процессов на вычислительных машинах во многом сводится

к просматриванию некоторого количества возможных вариантов, разобраться в которых, а также наметить их предварительно можно при помощи существующих теоретических методов анализа и синтеза. Наилучшим решением в настоящее время является взаимная увязка расчетно-теоретических методов и методов моделирования, так как они взаимно дополняют друг друга и позволяют наиболее полно и быстро решить задачу разработки сложной системы регулирования.

Электронные модели. Электронные моделирующие вычислительные машины имеют наибольшее применение вследствие их сравнительной простоты в изготовлении и эксплуатации. Процессы в исследуемой системе изучаются при помощи наблюдения процессов в некоторой электронной схеме, которая описывается теми же дифференциальными уравнениями, что и исходная система.

Пусть исследуемая реальная система описывается совокупностью уравнений, разрешенных относительно первых производных

— переменные, описывающие поведение исследуемой системы.

В электронной модели должна быть реализована совокупность дифференциальных уравнений аналогичного вида:

где — машинные переменные (обычно напряжения), соответствующие исследуемым переменным ; - масштабные коэффициенты, связывающие исследуемые переменные с соответствующими им машинными переменными, масштаб времени, связывающий истинное время протекания процессов с временем протекания процессов в модели .

Заметим, что изменение скорости протекания процессов возможно только при полном моделировании всей системы. При моделировании только части системы и сопряжении ее с реальной аппаратурой необходимо выполнение равенства

При выборе масштаба времени должно учитываться то обстоятельство, что электронные модели могут точно работать при ограниченном времени протекания моделируемого процесса. Это время не должно обычно превышать нескольких сотен секунд, что связано с особенностями работы электронных интеграторов.

Масштабные коэффициенты должны выбираться таким образом, чтобы в переходных процессах максимальное значение машинной переменной не превосходило предельного допустимого значения, которое обычно равно 100 в.

Существует две разновидности электронных моделирующих машин: модели структурного типа и модели матричного типа. Первые позволяют моделировать структурную схему системы регулирования, что во многих случаях оказывается более удобным и наглядным. К ним относятся, например, электронные вычислительные машины и др.

Модели матричного типа (ИПТ-4, ЭЛИ-14 и др.) требуют записи дифференциальных уравнений исследуемой системы в особой, матричной форме. Матричные модели менее удобны для исследования систем регулирования и потому используются реже.

Остановимся вначале на имеющих наибольшее применение моделях структурного типа. Они построены на базе так называемых операционных усилителей, выполняющих операции интегрирования, суммирования и умножения на постоянный множитель.

Операционный усилитель представляет собой усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления по напряжению (десятки и сотни тысяч). Динамические свойства усилителя таковы, что он может быть замкнут 100%-ной отрицательной обратной связью через сопротивление или конденсатор без потери устойчивости (без генерации) в замкнутом состоянии.

Передаточная функция усилителя, замкнутого обратной связью (рис. 7.5), при большом коэффициенте усиления может быть достаточно точно представлена в виде

где — входное сопротивление усилителя в операторной форме, — сопротивление в цепи обратной связи.

Рис. 7.5.

Рис. 7.6

Знак минус в формуле (7.58) показывает, что операционный усилитель инвертирует входной сигнал (меняет его знак). Это связано с установкой в усилителе нечетного числа каскадов.

Рассмотрим три основных режима работы усилителя.

1. При усилитель выполняет функцию умножения входной величины на постоянный множитель (рис. 7.6, а):

Упрощенное изображение такого усилителя показано на рис. 7.6, а справа.

2. При что соответствует установке в цепи обратной связи конденсатора, и усилитель работает в режиме интегрирования входной величины (рис. 7.6, б):

Два варианта упрощенного изображения такого усилителя изображены на рис. 7.6, б справа.

3. При что соответствует установке конденсатора во входной цепи, усилитель работает в режиме дифференцирования (рис. 7,6, в):

Упрощенное изображение такого усилителя показано на рис. 7.6, в справа.

Рис. 7.7.

Режим дифференцирования обычно не используют при моделировании, так как в этом режиме сильно возрастает влияние высокочастотных помех и наводок.

На рис. 7.7 изображен операционный усилитель в режиме суммирования. Как нетрудно показать, при

При получаем суммирующий интегрирующий усилитель.

В табл. 7.3 приведены типичные случаи использования операционного усилителя для получения различных динамических звеньев.

В таблице использован машинный оператор дифференцирования

При моделировании в натуральном масштабе времени Электронная модель структурного типа имеет в своем составе несколько операционных усилителей, которые могут работать в режиме интегрирования, т. е. с конденсатором в цепи обратной связи. Число этих усилителей определяет наивысший порядок дифференциального уравнения, которое может быть исследовано на данной модели. Кроме того, имеется ряд вспомогательных усилителей, при помощи которых можно осуществлять операции умножения на постоянный множитель (масштабирование), перемены знака (инвертирование) и суммирования.

Исследуемые процессы в виде изменения машинных переменных (напряжений) могут наблюдаться и фиксироваться при помощи электронных и магнитоэлектрических осциллографов.

Для приложения к электронной модели исследуемой системы задающих и возмущающих воздействий используются генераторы, которые могут воспроизводить требуемые функции времени, например линейную функцию,

Таблица 7.3. Типовые динамические звенья электронных моделей (см. скан)

синусоиду, экспоненту, прямоугольную или треугольную волну и т. п., в виде соответствующего изменения электрического напряжения. Существуют также генераторы случайных величин, например генераторы шумового напряжения.

Кроме того, электронная модель имеет ряд вспомогательных устройств, позволяющих после набора исследуемой задачи производить пуск и остановку решения дифференциальных уравнений, фиксацию решения в заданной точке, периодизацию решения и т. п.

Набор задачи на электронной модели структурного типа может быть осуществлен двумя способами:

1) по дифференциальному уравнению, которым описывается исследуемая система,

2) по структурной схеме исследуемой системы.

Рассмотрим порядок набора задачи на простейшем примере. Начнем с первого способа. Пусть дана система регулирования, структурная схема которой представлена на рис. 7.8, а. Для этой схемы передаточная функция разомкнутой системы

Дифференциальное уравнение замкнутой системы, записанное в символической форме, в соответствии с (5.15) будет

где — регулируемая величина, — задающее воздействие.

Рис. 7.8.

В рассматриваемом случае, учитывая (7.64), получим

где

Перейдем к машинным переменным Учитывая соотношения получим из (7.65) дифференциальное уравнение для машинных переменных:

где

Уравнение (7.66) разрешим относительно старшей производной:

Рассмотрим цепочку из трех последовательно включенных интеграторов (рис. 7.8, б). Если на вход первого интегратора поступает величина то на его выходе получится, с учетом перемены знака, величина — на выходе второго интегратора — величина и на выходе третьего интегратора — величина — У. В результате можно реализовать дифференциальное уравнение (7.67), если на входе первого интегратора сложить с учетом знаков и масштабов все члсеш, входящие в правую часть формулы (7.67). Это показано на рис. 7.8, в. Значения коэффициентов делителей определяются выражениями

Задавая теперь управляющее воздействие от генератора функций времени и вводя начальные условия, можно исследовать поведение машинной переменной которая отображает поведение регулируемой величины в реальной системе.

Второй способ набора задачи на электронной модели заключается в том, что воспроизводится структурная схема, изображенная на рис. 7.8, а. Звено

второго порядка удобнее представить в виде последовательно включенных звеньев первого порядка, каждое из которых может быть реализовано на базе одного интегратора. Это представлено на рис. 7.9, а. Схема набора, построенная в соответствии с табл. 7.3, изображена на рис. 7.9, б.

Рис. 7.9.

Для уяснения методики подсчета коэффициентов рассмотрим, например» второе звено (рис. 7.9). Исходная передаточная функция имеет вид

Для машинных переменных тгхг уравнение (7.66) запишется в виде

Отсюда находим

Это уравнение и набрано на втором интеграторе (рис. 7.9, б).

Передаточные коэффициенты усилителя по соответствующим входам определяются из (7.70):

Аналогичным образом составляется схема набора остальных звеньев, входящих в структурную схему (рис. 7.9, а).

Получившаяся схема набора (рис. 7.9, б) представляет собой совокупность операционных усилителей в режиме интегрирования, замкнутых местными отрицательными обратными связями.

Другой метод структурного моделирования заключается в том, что элементы структурной схемы представляются в виде типовых звеньев, набираемых на операционных усилителях в соответствии с табл. 7.3. На рис. 7.9, в изображена подобная схема набора для случая, когда . При наборе принят натуральный масштаб времени

По сравнению с моделированием дифференциального уравнения (рис. 7.8) моделирование структурной схемы имеет преимущество в смысле большего соответствия модели исследуемой системе. Кроме того, моделирование структурной схемы позволяет просто учитывать при исследовании системы регулирования типичные нелинейности, например ограничение переменной величины, зону нечувствительности, релейную характеристику, люфт и т. п.

Рис. 7.10.

Эти характеристики могут быть реализованы в электронной модели посредством использования диодных элементов. В табл. приведены некоторые типичные нелинейности и электронные схемы с диодными элементами, позволяющие реализовать в модели эти характеристики. Кроме этих простейших нелинейных блоков в электронных моделях применяются более сложные схемы, позволяющие реализовать различные криволинейные характеристики, операции возведения в степень и извлечения корня, операции перемножения двух переменных и т. п.

На рис. 7.10 для иллюстрации приведена структурная схема нелинейной следящей системы (рис. 7.10, а) и схема набора на электронной модели типа (рис. 7.10, б). Схема набора на рис. 7.10, б изображена несколько подробнее по сравнению со схемами на рис. 7.8 и 7.9.

Обратимся теперь к электронным моделям матричного типа. На рис. 7.11 изображена упрощенная структурная схема такой модели, позволяющей исследовать дифференциальные уравнения не выше третьего порядка (третий порядок принят только для облегчения изложения).

Три операционных усилителя работающих в режиме интегрирования, включены так, что все выходы соединяются со входами всех

(см. скан)

усилителей через делители с соответствующими коэффициентами передачи . Кроме того, через делители правых частей уравнения на входы усилителей от генераторов функций времени поступают воздействия на систему

Рис. 7.11.

В соответствии со свойствами операционных усилителей, работающих в режиме интегрирования, изображенная на рис. 7.10 структура описывается системой уравнений, записанных для машинных переменных,

К такому виду и должны приводиться уравнения, описывающие реальный объект. После получения системы уравнений (7.73) остается установить на делителях соответствующие значения коэффициентов, и задача оказывается набранной на модели.

Если исследуемая система определяется одним уравнением третьего порядка, записанным для машинных переменных,

то переход к системе (7.73) делается введением вспомогательных функций

Тогда вместо (7.74) получим систему уравнений

Эта система уравнений является частным случаем системы (7.73) и может быть набрана на рассматриваемой электронной модели (рис. 7.11).

Электронная модель матричного типа ЭЛИ-14 работает примерно по описанному выше принципу, но содержит не три, а шесть интеграторов, что позволяет набрать на ней систему из шести дифференциальных уравнений первого порядка типа (7.73) или одно дифференциальное уравнение шестого порядка.

Все, что было рассмотрено выше, относится к моделированию линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. При необходимости исследовать процессы в системах с переменными коэффициентами или в системах с временным запаздыванием к линейной электронной модели добавляются соответственно блоки переменных коэффициентов и блоки временного запаздывания. Добавление нелинейных блоков позволяет исследовать процессы в нелинейных системах. Все эти добавочные блоки существенно повышают эффективность электронных моделей, так как позволяют сравнительно просто и достаточно точно исследовать процессы в сложных нелинейных и особых линейных системах, что является в большинстве случаев недоступным для аналитических методов расчета.

Электромеханические модели. Существующие электронные вычислительные машины имеют следующие недостатки, которые в некоторых случаях затрудняют их использование.

1. Сложность сопряжения с реальной аппаратурой вследствие того, что выходной величиной электрической модели всегда является напряжение постоянного тока, а входные величины в реальной аппаратуре могут быть самыми различными (напряжение переменного тока, угол поворота, перемещение, угловая или линейная скорость и т. д.). Это требует использования в электронных моделях специальных преобразователей выходного напряжения, которые ухудшают точность и динамические характеристики электронных моделей.

Рис. 7.12.

2. Трудность воспроизведения в электронных моделях сложных нелинейных зависимостей, таких, например, как тригонометрические функции, функции двух переменных, произведение нескольких величин и т. п.

3. Ограниченность допустимого времени работы электронных интеграторов. Это время не превосходит нескольких сотен секунд, что ограничивает возможности работы модели в сопряжении с реальной аппаратурой, где не может использоваться изменение масштаба времени.

Чтобы избавиться от этих недостатков, для некоторых задач используются электромеханические модели. В настоящее время существует два способа построения таких моделей.

Первый способ заключается в том, что в модели используется интегратор (рис. 7.12), состоящий из операционного интегрирующего усилителя и вспомогательной следящей системы, преобразующей напряжение постоянного тока на выходе электронного интегратора в угол поворота а следящей системы. На базе такого интегратора и может быть построена электромеханическая модель исследуемой системы. В этой модели могут быть использованы электронные операционные усилители в режиме масштабирования, инвертирования и суммирования, а также электронные модели типичных нелинейностей, построенные на диодных элементах.

Однако то обстоятельство, что выходные величины интеграторов представляют собой углы поворотов некоторых механических валиков, позволяет значительно легче решать вопросы сопряжения с реальной аппаратурой, поскольку на этих валиках легко могут быть установлены требуемые датчики (датчики угла или перемещения, датчики угловой скорости и т. п.). Кроме того, это же обстоятельство позволяет сравнительно просто учитывать в исследуемой системе сложные Нелинейные зависимости, что делается установкой на выходных валиках интеграторов таких элементов, как синусно-косинусные потенциометры, функциональные потенциометры, эксцентрики для воспроизведения функции одной переменной, коноиды для воспроизведения функций двух переменных, множительные и делительные устройства и т. п.

Набор задачи на электромеханической модели делается примерно так же, как и на электронной, с учетом специфики тех новых элементов, которые используются для установки на выходных валиках интеграторов.

Рис. 7.13.

На подобном принципе работает, например, электромеханическая модель типа «Электрон». Электромеханические модели подобного типа особенно удобны для моделирования пространственного движения самолетов, ракет, космических кораблей, подводных лодок и т. д.

Однако в этих моделях по-прежнему существует ограничение времени их непрерывной работы, что связано с наличием электронного интегратора.

Некоторым их недостатком, который свойствен вообще всем электромеханическим моделям, является то, что следящая система преобразования выходного напряжения электронного интегратора в угол поворота выходного валика вносит нежелательный динамический эффект, связанный с введением в модель передаточной функции самой следящей системы. Эта передаточная функция может быть обычно сведена к передаточной функции апериодического звена первого порядка или передаточной функции колебательного звена.

Второй способ построения электромеханических моделей заключается в том, что электронный интегратор исключается, а интегрирование ведется на интегрирующем приводе [10], схема которого изображена на рис. 7.13. В качестве входной величины здесь может быть напряжение постоянного или переменного тока. Это напряжение сравнивается с напряжением тахогенератора постоянного или, соответственно, переменного тока, который установлен на оси исполнительного двигателя . Если коэффициент усиления усилителя достаточно велик, то напряжение тахогенератора с большой точностью будет равно входному напряжению . Так как напряжение тахогенератора с большой степенью точности пропорционально скорости его вращения, то, следовательно, можно записать зависимость

Угол поворота выходного валика оказывается пропорциональным интегралу от входного напряжения:

Если электромеханическая модель строится на базе интегрирующего привода постоянного тока, то в ней могут быть использованы те же элементы,

что и в описанной выше модели, построенной на базе электронного интегратора с преобразующей следящей системой.

Если электромеханическая модель строится на базе интегрирующего привода переменного тока, то в ней должны использоваться специальные элементы переменного тока (масштабные трансформаторы, линейные и синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы, потенциометры переменного тока, суммирующие и масштабные усилители переменного тока, асинхронные тахогенераторы и т. п.).

Электромеханические модели с интегрирующими приводами могут работать непрерывно длительное время, которое может измеряться часами и днями. Это облегчает моделирование процессов в натуральном масштабе времени. Однако некоторая сложность подобных моделей приводит к тому, что они строятся, как правило, специализированного типа и предназначаются для исследования объектов определенного класса.

Цифровые вычислительные машины. В вычислительных машинах непрерывного действия (электронных и электромеханических) достижимая точность ограничивается точностью изготовления входящих в машину элементов. Повышение точности всегда связано со значительным удорожанием изготовления, а в некоторых случаях желаемая точность вообще не может быть достигнута при современном уровне техники. В цифровых вычислительных машинах принципиально может быть достигнута любая желаемая точность вычислений. Это связано лишь с увеличением числа используемых разрядов в изображении чисел, что вызывает умеренный рост стоимости вычислительных машин при росте их точности.

Рис. 7.14.

Цифровые вычислительные машины по своему принципу действия относятся к устройствам дискретного действия. Результаты вычислений выдаются этими машинами не непрерывно, а в виде последовательности дискретных чисел. Цифровые вычислительные машины могут применяться для различных целей. В том числе их можно использовать для решения линейных и нелинейных дифференциальных уравнений с постоянными и переменными коэффициентами, что нужно для исследования процессов в сложных системах управления и регулирования.

Любые вычисления, которые производит цифровая вычислительная машина, сводятся к последовательности арифметических и логических операций. Это означает, что решение дифференциальных уравнений исследуемой системы осуществляется методами численного интегрирования по шагам и точность получаемого решения будет зависеть от величины выбранного шага интегрирования.

Цифровая вычислительная машина имеет в своем составе три основные части (рис. 7.14). Арифметическое устройство предназначается для выполнения операций над числами. Запоминающее устройство осуществляет прием, хранение и выдачу чисел. Управляющее устройство автоматизирует процесс управления машиной в процессе выполнения вычислений.

Число операций, которые может делать машина, ограничено (сложение, вычитание, умножение, деление, перенос числа из одного места памяти в другое и т. п.). Поэтому решение на машине любой задачи должно быть предварительно представлено в виде последовательности таких простейших операций. Отдельные операции выполняются машиной под воздействием управляющих сигналов, которые носят название команд.

Последовательность всех команд, которые заложены в запоминающее устройство машины, образует программу ее работы. Команды вводятся в запоминающее устройство в виде некоторых закодированных чисел.

Программа работы машины составляется с учетом особенностей самой машины (принцип действия, число разрядов, объем памяти и т. п.) и существа используемого численного метода интегрирования дифференциальных уравнений. К численным методам, которые могут быть использованы в цифровых вычислительных машинах, предъявляются некоторые специфические требования. Желательны такие численные методы, которым свойственно циклическое решение задачи, характеризуемое многократным повторением расчетов по одним и тем же формулам. Это упрощает составление и реализацию программы.

Используемый численный метод должен сводить решение к последовательности простейших арифметических действий. Кроме того, желательно использовать такой метод, который дает возможность периодического контроля выполненных вычислений.

Как уже отмечалось выше, цифровые вычислительные машины могут дать значительно более высокую точность, чем машины непрерывного действия. Это является их преимуществом. Однако они имеют и недостатки по сравнению с машинами непрерывного действия. К ним относятся: 1) выдача решения не в виде осциллограмм или графиков, а в виде последовательности дискретных чисел, по которым затем необходимо строить графики, 2) трудность программирования задачи, 3) трудность сопряжения вычислительной машины с реальной аппаратурой и 4) во многих случаях большая замедленность в выдаче решения.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление