Разомкнутая система программного управления

1.1.  РАЗОМКНУТЫЕ   СИСТЕМЫ

 

Разомкнутая система программного управления

При разработке такой САУ в начальную  информацию должны входить не только данные о геометрических размерах ДУ и об интенсивности процессов, протекающих  на расчетном режиме, но также зависимости, определяющие влияние внешних возмущений на изменение выходной величины. Должен быть хорошо известен также закон изменения внешних возмущений во время полета ЛА. Только в этом случае оказывается возможным достаточно точно рассчитать необходимое изменение проходной площади дросселя газогенератора F_др.ГГ так, чтобы полностью парировать все воздействия на выходную величину внешних возмущений и таким образом обеспечить необходимое по времени полета программное изменение выходной величины (в данном случае давления в камере р_к). Это значит, что управляющее устройство ДУ (автоматический регулятор), включаясь в работу с момента запуска установки, будет изменять проходную площадь дросселя F_др.ГГ по времени работы установки согласно программе, заранее рассчитанной и заложенной в запоминающее устройство. За время работы ДУ ни одна величина, определяющая режим работы установки, не изменяется, поэтому никакие поправки в программу изменения выходной величины вноситься не могут. Это значит, что рабочая информация о работе ДУ полностью отсутствует.

Функциональная схема такой  САУ приведена на рис.2. Для простоты на схеме указано воздействующим на объект регулирования (ОР) только одно внешнее возмущение - продольное ускорение а. На самом деле при выработке программы изменения проходной площади дросселя F_др.ГГ необходимо учитывать одновременность и интенсивность влияния всех внешних возмущений на выходную величину.

Рис. 2

На схеме показано наличие только двух программ F_др.ГГ = f₁(t) и F_др.ГГ = f₂(t), заложенных в запоминающее устройство регулятора как функции времени t. На самом деле число программ определяется количеством различных заданий и условий, в которых проходит полет. Переход с одной программы на другую осуществляется путем подачи соответствующих командных воздействий (КВ) на регулирующее устройство (РУ).

 

Разомкнутая система с компенсацией воздействия внешних возмущений

Повышение требований к точности поддержания  заданного режима работы ДУ привело  к необходимости создания САУ, в  которой влияние внешнего возмущения сразу бы компенсировалось необходимым воздействием на объект регулирования при помощи регулирующего органа. В системе такого типа появляется необходимость измерения величины внешнего воздействия во время работы ДУ. Эта информация о величине внешнего воздействия, поступающая в регулирующее устройство во время работы ДУ, будет являться рабочей информацией.

На рис.3 приведена функциональная схема ДУ, в которой по заданию  требуется поддерживать давление в  камере постоянным независимо от величины действующего на ЛА продольного ускорения а (в данном случае выделено только одно внешнее возмущение). Для того, чтобы получить необходимую рабочую информацию о действующем на ДУ ускорении, в регулирующее устройство (регулятор) должно быть введено соответствующее звено - измерительное устройство (ИУ), измеряющее величину продольного ускорения (акселерометр). На это же звено должно быть подано командное воздействие (КВ) для того, чтобы можно было бы установить начальную точку, относительно которой регулирующее устройство должно вносить поправку.

Рис. 3

Из схемы видно, что и эта  система является разомкнутой, так как ее выходная величина не контролируется. Заданная величина давления р_к может поддерживаться постоянной (р_к= const) только в случае, если известна зависимость давления р_к от величины проходной площади дросселя р_к = f₃(F_др.ГГ) и от величины действующего на установку ускорения р_к= f₄(а). Эти сведения входят в состав начальной информации. Следовательно, такая САУ, имея в своем распоряжении некоторую рабочую информацию о величине действующего внешнего возмущения, сразу может выработать необходимое управляющее воздействие через усилительное устройство (УУ) на регулирующий орган (РО) и этим полностью компенсировать влияние внешнего возмущения. Отсюда и название этих систем - разомкнутые САУ, работающие по принципу компенсации.

Положительным свойством такой  системы является быстрота реакции  на возникающее внешнее возмущение, так как на объект регулирования  внешнее возмущение и управляющее  воздействие действуют почти  одновременно.

Основным недостатком системы  такого типа является необходимость  создания для каждого из внешних  возмущений своей цепи компенсации. Поэтому рационально создавать  систему регулирования, использующую принцип компенсации только для  одного-двух внешних воздействий, особенно сильно влияющих на объект регулирования.

 

1.2.  ЗАМКНУТЫЕ  СИСТЕМЫ

 

Качественное рассмотрение свойств  объекта регулирования показало, что любое из внешних возмущений вызывает отклонение выходной величины. Следовательно, возможно создание САУ, в которых рабочей информацией будет являться изменение самой выходной величины, и уже по величине этого изменения следует определять величину управляющего воздействия. Функциональная схема такой САУ приведена на рис.4, откуда видно, что рабочая информация об отклонении выходной величины поступает непосредственно в регулятор.

Рис. 4

В измерительном устройстве регулятора (ИУ) сравнивается текущее значение выходной величины р_к с ее заданным значением. При отклонении от заданного значения р_к регулятор начинает воздействовать на регулирующий орган объекта регулирования - дроссель газогенератора (Др.ГГ), в результате чего площадь F_др.ГГ будет изменяться. Знак изменения F_др.ГГ должен быть таким, чтобы возникшее отклонение выходной величины уменьшалось. В этом случае выход объекта регулирования оказывается замкнутым через регулятор с его входом. Таким образом основной характерной чертой замкнутой САУ является наличие хотя бы одного замкнутого контура прохождения сигналов. Из этого ясно, что влияние возмущения на выходную величину объекта регулирования будет парироваться относительно быстрее в системах, работающих по принципу компенсации, чем в системах, работающих по отклонению. Но замкнутые САУ, работающие по отклонению, выходную величину поддерживают более точно, чем системы, работающие по принципу компенсации. Различают три основных режима работы замкнутых систем: режим стабилизации, программного регулирования и слежения.

 

Стабилизирующие замкнутые САУ

Стабилизирующей САУ замкнутая  система называется в том случае, когда в ее задачу входит поддержание выходной величины на заданном и постоянном во времени уровне. Примером такой САУ может служить двигательная установка ЛА, при полете которого требуется поддержание давления в камере р_к постоянным.

 

Замкнутые системы программного регулирования

В тех случаях, когда во время  полета ЛА режим работы необходимо изменить во времени в некоторых  пределах и по заранее заданному  закону, замкнутая САУ будет работать в режиме программного регулирования. Программа изменения режима работы ДУ во времени должна быть составлена с учетом динамических свойств как объекта регулирования, так и регулятора.

 

Следящие замкнутые САУ

Во многих случаях выработать заранее  определенную программу работы ДУ невозможно и режимы работы двигателя приходится выбирать исходя из сложившейся ситуации использования ЛА в целом. В этих случаях необходимая команда может вырабатываться на борту ЛА в специальном расчетном устройстве или передаваться по системе телеуправления с Земли. Отсюда ясно, что САУ должна обеспечивать изменение выходной величины в некоторых пределах по любому задаваемому командным воздействием закону. Это значит, что выходная величина должна следить за подаваемой командой и с достаточной точностью повторять все ее изменения.

При таком режиме работы системы регулирования объем рабочей информации резко возрастает, так как она поступает не только как информация о состоянии выходной величины, но и как информация об изменении командного задания. Следует отметить, что возможно построение комбинированных систем, в которых воздействие наиболее сильных и регулярно действующих внешних возмущений компенсируется созданием разомкнутой цепи, а воздействие остальных возмущений парируется замкнутой системой.

Часто приходится строить замкнутые  системы многомерными. На рис.5 приведена функциональная схема двухмерной САУ.

Рис. 5

 

Это двигательная установка с ЖРД, в которой один контур служит для  стабилизации давления в камере путем  изменения проходной площади  дросселя газогенератора Др.ГГ, а второй контур стабилизирует соотношение компонентов изменением проходной площади дросселя магистрали подачи окислителя Др.О, что приводит к изменению расходов окислителя m_O и горючего m_Г.

 

1.3.  САМОНАСТРАИВАЮЩИЕСЯ   СИСТЕМЫ

 

Самонастраивающиеся системы автоматического управления в той или иной степени могут приспосабливаться к изменяющимся внешним условиям и учитывать поведение объекта управления в этих условиях. Процесс управления в таких системах должен сочетаться с периодической проверкой поведения объекта управления при воздействии на него внешних условий. Такие периодические проверки увеличивают количество рабочей информации, что и восполняет недостаток начальной информации. Ориентировочно класс самонастраивающихся систем можно разделить на три основных подкласса.

 

Системы экстремального управления

Экстремальные системы управления применяются при условии, что  выходная величина объекта управления связана с входной экстремальной  зависимостью (или максимумом, или  минимумом), которая определяет оптимальный  режим работы объект управления. При этом положение экстремума определяется непрерывным изменением внешних и внутренних возмущений, влияние которых на объект не является однозначным.

В этом случае в задачу экстремальной  САУ входит автоматический поиск  «плавающего» экстремума и последующего обеспечения работы объекта управления в экстремальной точке. Формирование экстремумов в ЖРД возможно по различным параметрам: по удельному импульсу тяги или расходному комплексу камеры в зависимости от соотношения компонентов топлива или по минимуму суммарной массы расходуемого топлива в зависимости от степени расширения сопла при значительном изменении давления окружающей среды.

Рассмотрим принципиальные основы построения таких систем. Предположим, что ДУ должна работать всегда при  наибольшем значении расходного комплекса . Для этого на каждом режиме работы необходимо подбирать изменением F_др.О такое соотношение компонентов k_m, при котором комплекс был бы наибольшим. Как известно, связь между величиной расходного комплекса и соотношением компонентов k_m или коэффициентом избытка окислителя зависит от большого количества факторов и для каждой ДУ может быть экспериментально определена. Следует отметить, что выбранные значения и k_m не могут быть получены на работающей ДУ непосредственным измерением. Для их определения необходимо создание специальной системы, которая по измеренным давлению р_к, массовым секундным расходам окислителя m_О и горючего m_Г будет выдавать для каждого данного момента значения и k_m. Используя эти данные, можно построить систему экстремального регулирования на нескольких принципах, одним из которых является принцип шагового поиска с запоминающим устройством.

Функциональная схема такой  системы экстремального управления приведена на рис.6.

 

Рис. 6

Устройство шагового поиска (УШП), которое, подавая соответствующие  сигналы на логическое управляющее  устройство (ЛУУ), обеспечивает ступенчатое изменение F_др.О через интервалы заданной командой величины («шаги») и через определенные промежутки времени. Ступенчатое изменение F_др.О может быть как в сторону увеличения проходной площади дросселя F_др.О, так и в сторону ее уменьшения. Это зависит от сигнала, который поступает на ЛУУ от вычислительного запоминающего устройства (ВЗУ).

Работа такой системы протекает  следующим образом. После того, как  устройство шагового программирования изменит проходную площадь клапана, в ВЗУ попадают сигналы, пропорциональные и k_m, которые им и запоминаются. Затем устройство шагового программирования подает сигнал на следующее изменение проходной площади и опять ВЗУ поступают новые сигналы и k_m. В вычислительном устройстве новые сигналы запоминаются, сравниваются со старыми и вырабатываются разности, или приращения, и k_m, после чего старые сигналы в памяти уничтожаются. По знакам полученных приращений и k_m вырабатываются сигналы для определения направления следующего изменения F_др.О. На рис.7 приведен график функции =f(k_m), на котором показаны два случая работы системы - справа и слева от _max. Если на данном рабочем режиме k_m1 меньше k_m2 и рабочие точки находятся слева от максимального значения _max и был дан сигнал на увеличение F_др.О, то в ВЗУ будет получено приращение k_m1 с положительным знаком. Этому будет соответствовать и положительное приращение , т.е. в этом случае следующий шаг надо делать опять в сторону увеличения F_др.О. Если же значение k_m2>k_m1 (справа от _max), то при положительном значении приращения k_m2 будет получено отрицательное значение . В этом случае необходимо следующий шаг делать в обратном направлении, т.е. уменьшить F_др.О. В таблице, приведенной на рис.7, указана связь между знаками приращений k_m, и изменением F_др.О.

 

Рис. 7

Таким образом, система, сравнивая  вновь получаемые данные с имеющимися в памяти, выдает каждый раз новую рабочую информацию, причем в памяти ВЗУ сохраняется только тот минимум информации, который необходим для определения направления следующего шага. Проведя необходимое количество шагов, система приведет объект управления (ОУ) к режиму, при котором будет находится настолько близко от своего максимального значения, что при каждом следующем шаге будет переходить эту точку и начнет уменьшаться. С этого момента система будет поддерживать объект регулирования в области _max, так как каждый раз, переходя через максимум, расчетное устройство будет давать сигнал на изменение знака приращения F_др.О. Очевидно минимальной шириной зоны по величине k_m.max будет ширина, определяемая двумя шагами изменения проходной площади клапана. Значение же ширины шага зависит от кривизны функции = f(k_m) в области _max, а также от чувствительности и точности работы отдельных узлов вычислительных и запоминающих устройств. Для построения систем экстремального регулирования кроме разобранного здесь могут быть использованы и другие принципы.