Усилия на рычагах управления в системах прямого управления зависят от аэродинамических сил на рулевых поверхностях. Так, в горизонтальном сбалансированном полете (рис. 12.4) летчик должен приложить к ручке 1 усилие Pл, чтобы удержать в определенном положении руль высоты 2, стремящийся под действием аэродинамической нагрузки, равнодействующая которой Rр приложена в центре давления руля, повернуться относительно оси 3 вращения руля.    Момент Мш = Rра аэродинамических сил руля относительно оси вращения называется шарнирным моментом руля .    Соотношение сил Pл и Rp будет зависеть от соотношения плеч рычагов и качалок в трассе управления.    В общем случае из условия равенства работы летчика (на перемещение рычага управления) и работы аэродинамических сил (при повороте рулевой поверхности на угол dδ)
Рис. 12.4. К объяснению усилий на рычагах управления
    коэффициент кинематической передачи от руля к командному рычагу, показывающий соотношение между элементарными угловыми перемещениями руля dδ и потребными для этого элементарными линейными перемещениями ручки dx.    Как уже отмечалось, величину kш определяет соотношение плеч рычагов и качалок в трассе управления. Величина kш нормируется Авиационными правилами, поскольку возможные перемещения ручки (или штурвала) и педалей, а также усилия на них определяются физиологическими возможностями летчика.    Из приведенной формулы ясно, что усилия на рычагах управления будут зависеть от аэродинамических сил на рулевой поверхности, т. е. будут отслеживать изменение скорости, высоты полета и перегрузки, поскольку определенному отклонению руля (и, как следствие, определенной силе на рулевой поверхности) будет соответствовать определенная перегрузка (см. раздел 7.2.1).    При проектировании системы управления для обеспечения приемлемых для летчика перемещений и усилий на рычагах управления можно изменять шарнирный момент руля за счет выбора положения оси вращения руля относительно центра давления руля (рис. 12.5).
Рис. 12.5. Положении оси вращения руля и шарнирный момент
   Так, если ось вращения руля проходит через точку 1 перед центром давления руля 2, в котором приложена аэродинамическая сила Rp, то это потребует от летчика усилий на преодоление возникающего на руле шарнирного момента, что соответствует подсознательным, рефлекторным действиям при пилотировании. Летчик в этом случае своими усилиями на рычагах управления «преодолевает» инерцию самолета при совершении маневра. Если ось вращения руля проходит через центр давления (точка 2), а тем более за центром давления (через точку 3), то это совершенно недопустимо в системах прямого управления.    В первом случае летчик не будет ощущать никаких усилий при перемещении рычагов управления, кроме сил трения в проводке.    Во втором случае на рычагах управления возникают усилия обратного знака (самолет как бы сам «ведет» рычаги в направлении, потребном для маневра), что нарушает привычные представления летчика о режиме полета и делает управление самолетом практически невозможным. Таким образом, выбором положения оси вращения рулевой поверхности можно привести шарнирный момент руля к потребным значениям.
Рис. 12.6. Аэродинамическая компенсация рулей
   Таким образом, дозируя отклонения серворуля, летчик может создавать балансирующие и управляющие силы на рулях.    Однако в этом случае нет обратной связи по усилиям на рулевых поверхностях и усилиям на рычагах управления, поэтому летчик «не чувствует самолет».    Эту обратную связь по усилиям приходится формировать искусственно.
В современном мире очень трудно найти технологический процесс, который не был бы автоматизирован. Автоматизация любого технологического процесса подразумевает его контроль, управление, регулирование, сигнализацию, защиту и блокировку. В этой статье рассмотрим основы автоматического управления и регулирования.
В окружающем нас мире повсюду протекают различные процессы управления. В управлении нуждается всё: физический или химический процесс, отдельная технологическая установка, производство в целом, промышленность и так далее. Даже общественные отношения. Управление на сегодняшний день является самым сложным видом человеческой деятельности.
Нет такой отрасли промышленности, где бы не применялись системы автоматического регулирования и управления. Эти системы разнообразны и по характеру решаемых ими задач и по исполнению.
Автоматическое регулирование
Регулирование – это поддержание постоянным значения некоторой заданной величины, характеризующей процесс, или изменение его по заданному закону, осуществляемое с помощью изменения состояния объекта или действующих на него возмущений и воздействия на регулирующий орган объекта.
Системы автоматического регулирования (САР) предназначаются для автоматического поддержания заданного режима технологического процесса или изменения его во времени по заранее заданному или задаваемому в зависимости от каких-то условий закону. При этом имеется в виду, что внешние условия нарушают заданный закон протекания процесса, а система автоматического регулирования стремится его выполнить, преодолевая влияние внешних факторов.
Под объектом регулирования понимают аппарат (станок, машину), в котором один или несколько физических параметров должны изменяться по заданным законам при любых возможных внешних условиях. Объектом регулирования могут быть:
нагревательная печь, в которой температура должна оставаться постоянной или изменяться по заданному закону;
бак, в котором должен поддерживаться заданный уровень жидкости при изменениях ее расхода из бака;
электрический двигатель, скорость которого должна оставаться постоянной при изменениях момента сопротивления.
Физические величины, закон изменения которых осуществляется автоматическим устройством, называются регулируемыми величинами. Устройство, автоматически поддерживающее заданный закон изменения регулируемой величины, называется автоматическим регулятором.
Заданный закон изменения регулируемой величины вырабатывается специальным задающим устройством (задатчиком). Воздействие задатчика на регулятор называется задающим воздействием.
Автоматический регулятор постоянно сравнивает текущее значение регулируемой величины с заданным (уставкой) и при наличии рассогласования вырабатывает регулирующее воздействие. Если регулируемая величина отклоняется от заданного значения, управляющий орган воздействует на исполнительный механизм так, чтобы рассогласование между заданным и действительным протеканием процесса было ликвидировано. Человек в эту систему непосредственно вмешаться не может, возможно только косвенное участие – посредством изменения уставки.
Нарушение заданного закона протекания технологического процесса происходит в основном из-за внешних воздействий на объект, которые называют возмущающими воздействиями. К ним относятся изменения момента сопротивления на валу двигателя, расхода воды из бака, качества топлива или массы нагреваемых изделий в печи и т. д.
Чаще всего устройства автоматического регулирования — системы замкнутые (управление по отклонению). Сигнал, появившись в любой точке замкнутого контура, проходит все звенья системы и возвращается в место своего возникновения (в преобразованном виде). Но бывают и разомкнутые системы (управление по возмущению).
В результате этого в системах регулирования могут возникать колебания, в том числе колебания регулируемой величины. Если колебания возрастают, система называется неустойчивой и является неработоспособной. Поэтому первое требование к системам автоматического регулирования — обеспечение устойчивости регулирования, т. е. обеспечение затухания колебаний, возникающих в системе.
Необходимо также, чтобы выведенная из состояния равновесия возмущающими воздействиями система регулирования вернулась к заданному положению равновесия возможно точнее и возможно быстрее. Пути построения систем, отвечающих перечисленным требованиям, определяет теория автоматического регулирования.
Системы автоматического регулирования делятся по характеру задающего воздействия. Когда регулируемая величина должна быть постоянна, то систему называют системой автоматической стабилизации (или просто системой регулирования). Сюда относятся системы сохранения уровня воды в баке, скорости вращения двигателя и др.
Если регулируемая величина изменяется и заранее известен закон (программа) изменения задающего воздействия, система называется системой программного регулирования. Она может, например, осуществлять автоматическое изменение температуры в печи по заранее заданной программе.
Если регулируемая величина изменяется, но заранее не известен закон изменения задающего воздействия, систему регулирования называют следящей системой. К следящим системам в известном смысле можно отнести автоматические потенциометры и мосты.
В автоматическом потенциометре реверсивный двигатель через ползунок реохорда воздействует на измерительный мост так, чтобы напряжение на выходе позднего изменялось соответственно всем изменениям термо-э. д. с. Очевидно, что термо-э. д. с. изменяется по закону, неизвестному заранее, иначе не нужен был бы сам измерительный прибор.
Характер воздействия регулирующего органа на объект бывает непрерывным и прерывистым. Последнее происходит, когда в системе регулирования применяются реле или специальные импульсные устройства.
Простейшими регуляторами прерывистого действия являются двухпозиционные регуляторы. Такое название они получили потому, что их регулирующий орган может занимать только два положения (позиции). Очень часто эти позиции соответствуют максимальной и минимальной подаче сырья или энергии в объект.
При так называемом трехпозиционном регулировании регулирующий орган может занижать три положения, соответствующие трем значениям регулируемой величины: «мало», «норма», «больше».
Для регулирования непрерывных процессов наиболее часто используют физические или программные ПИД-регуляторы.
Автоматическое управление
Управление – это процесс выработки управляющих воздействий по переводу объекта управления в желаемое состояние.
Более полное определение: это осуществление совокупности воздействий, выбранных из множества возможных на основании определенной информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с целью управления. Эти последние слова в данной ситуации являются ключевыми.
Система автоматического управления отличается от системы автоматического регулирования тем, что при одних и тех же значениях входных величин, т.е. при одной и той же исходной информации воздействие, которое вырабатывает система может быть различно в зависимости от того, какая цель или какой критерий управления в нее заложен.
Назначение систем автоматического управления (САУ) — исключить участие человека в управлении технологическим процессом. Функции человека сводятся к осуществлению пускового импульса. Все остальные операции по управлению процессом, по изменению режимов работы производятся автоматическим устройством.
Устройства автоматического управления воздействуют на исполнительные механизмы, приводы рабочих агрегатов, которые изменяют подачу сырья, энергии в аппараты, производят перемещения обрабатываемых изделий и т. д.
При автоматическом управлении автоматическое устройство обеспечивает необходимую последовательность, начало и окончание отдельных операций, составляющих рабочий процесс. Подача командного импульса на управляющий орган осуществляется человеком. Управляющий орган воздействует на исполнительный механизм, который подает сырье или энергию в аппарат или производит определенную серию механических перемещений, операций, поддерживая тем самым заданный режим работы установки.
Автоматизированная система управления (АСУ) – совокупность математических методов, технических и программных средств, организационных комплексов, а также управленческого и обслуживающего персонала, которые совместно осуществляют рациональное управление объектом управления в соответствии с поставленной целью.
Эта система обычно содержит большое количество датчиков, позволяющих измерять различные параметры, большое количество исполнительных устройств, причем их количество необязательно должно совпадать с количеством датчиков.
Основным элементом этой системы является управляющее устройство (контроллер), в который заложена программа обработки, информации получаемой с датчиков и критерий управления, исходя из которого система управления и вырабатывает различные управляющие воздействия. При одном и том же значении контролируемых параметров управляющее воздействие в данном случае может быть различным.
В то время электрические реле являлись наиболее распространенными элементами электроавтоматики. Они применялсь во всех схемах автоматического контроля, защиты, управления и регулирования.
Основная особенность реле — возможность управления достаточно большими мощностями в исполнительных механизмах с помощью незначительных управляющих сигналов от датчиков. Коэффициент усиления реле по мощности может достигать значений десятков тысяч.
По мере того, как технологические процессы усложнялись, количество регуляторов на объектах автоматизации росло и системы становились очень громоздкими и тяжелыми в обслуживании, поэтому после появления компьютерных систем управления (микроконтроллеры, микропроцессоры, программируемые логические контроллеры) системы автоматического регулирования стали замещаться системами автоматического управления.
Обучение построению автоматических систем регулирования и управления
Курс по программированию контроллеров:
Дополнение Михаила Алексеева (FB)
В сети можно встретиться с таким определением: Автоматическое регулирование – поддерживание на постоянном уровне или изменение по заданному закону отдельных регулируемых параметров (температура, давление, расход и т.д.) в объекте управления. Система автоматического регулирования (САР) является подсистемой систем автоматического управления.
А Википедия конкретизирует, что САР включает следующие системы:
Загрузочное устройство(ЗУ)предназначено для создания летчику приемлемых характеристик управляемости самолетом по усилиям во всем диапазоне режимов полета. Кроме того, на загрузочное устройство часто возлагаются функции по ограждению непроизвольного вывода самолета летчиком на недопустимые по условиям безопасности полета режимы(и^, а>х, ^max тах»
Загрузочные устройства могут быть различной степени сложности в зависимости от особенностей структуры системы управления и требований, предъявляемых к самолету. Ниже рассматриваются, в основном, на примере продольного управления основные принципы построения ЗУ и их конструктивные особенности.
К числу важнейших показателей управляемости относятся АР/Апу, APJAcdx…9 т. е. производные, характеризующие уровень усилий для создания единицы перегрузки или угловой скорости крена при маневре с постоянной скоростью. Показатель АР/Апу можно представить в виде(для случаев без СУ У или со статической СУУ)
dP _ dP йХв d d пу dXB d& ‘ d
С точки зрения характеристик управляемости желательно иметь величину РПу мало меняющуюся (РП:У
const) по режимам полета. Однако практически реализация значения РПу=const связана с существенным усложнением ЗУ. В нормах НЛГС и ARP-842B №1 задан диапазон изменения РПу и ограничено минимально допустимое значение РПу. Например, согласно НЛГС РПу должен быть не менее 10 кг (при штурвале).
Обеспечение удовлетворительных характеристик управляемости по усилиям возможно регулированием параметров Р>Хв и dS/dXB. Поскольку этих параметров два, то фактически могут иметь место три основные группы загрузочных устройств С9И:
—в первой группе ЗУ производится непосредственно регулирование Р* в;
—во второй группе ЗУ производится регулирование Кищ а градиент загрузки Рх* реализуется постоянным;
—к третьої группе ЗУ относятся устройства, в которых одновременно производится регулирование РХв и dS/dXe.
Следует отметить, что при регулировании d^/dXBi, наряду с обеспечением характеристики РПу, изменяется также показатель управляемости dXjdny=XSy
который должен быть не менее 40 мм/ед. перегр.
Загрузочное устройство является функциональным элементом НБУ, от которого зависит надежная работа НБУ. Если вероятность отказа НБУ без перехода на НРУ должна быть не менее Р^ 1 * 10“9 на час полета, то ЗУ, как элемент НБУ, должно иметь еще более высокую надежность. ЗУ должно быть малочувствительным к отказам, при возникновении отказов не должны возникать рывки или скачки усилий, недопустимые по условиям безопасности.
В связи с очень высокими требованиями к надежности ЗУ его структуру целесообразно строить так, чтобы она содержала постоянную часть загрузки, не зависящую от вычислителей и систем питания (обычно для этого используется простая пружина), и переменную корректируемую часть, которая должна изменяться в зависимости от режимов полета (например, Н, М…), рис.7.3.В этом случае обеспечивается разнородное резервирование как наиболее эффективное средство обеспечения высокой надежности.
15″=-20с полная перекладка) примерно в темпе изменения режимов полета, по которым эта коррекция производится (например, V, Q, Н…), Примером конструктивного решения такого ЗУ является изменение длины кинематического плеча механизма передачи сигнала летчика к рулям(см. рис.7.4).Для повышения надежности ЗУ на случай отказа вычислителя должна предусматриваться прямая цепь ручного управления исполнительным устройством ЗУ (в обход вычислителя) с управлением от отдельного тумблера по специальному указателю.
Корректирующая часть ЗУ обычно выполняется дублированной. Это обеспечивает сохранение неизменной характеристики загрузки после одного отказа, после второго отказа корректирующее устройство выходит из строя. После этого может обеспечиваться ручное управление коррекцией загрузки, если остаются работоспособными исполнительные механизмы корректирующей части ЗУ. В худшем случае остается простая пружинная загрузка, при которой могут накладываться ограничения на действия летчика при пилотировании самолета.
ЗУ не’должно искажать динамические характеристики системы управления ниже уровня, который рассматривается как неприемлемый. Например, если ЗУ находится в контуре управления самолетом, то характеристики контура с учетом ЗУ должны оцениваться летчиком положительно.
Максимальное усилие, создаваемое ЗУ, не должно превышать
35 кг, как это оговорено в НЛГС. Это требование относится также
к триммерному механизму ЗУ, если он применяется. Выбранный диапазон триммирования должен гарантировать безопасность завершения полета с уровнем усилий, указанных в НЛГС, в случае возможного увода триммерного механизма в крайнее положение. Если это требование не выполняется, то триммерный механизм должен иметь резервирование, которое гарантирует практическую невероятность его отказа.
ЗУ, в функции которого входит создание усилий на рычагах управления для ограждения выхода самолета на запредельные режимы полета в случае непроизвольных действий летчика, должно создавать четко различимое летчиком дополнительное усилие на рычагах управления. Обычно это усилие накладывается на основную загрузочную характеристику в виде ступеньки усилий, имеющей величину 12 «Н5 кг.
В связи с особенностями характеристик управляемости некоторых самолетов вблизи предельных режимов полета (больших а) возможно применение в ЗУ ограничителей активного типа, предназначенных для принудительного увода самолета с опасных режимов. Такие устройства обычно называются толкателями. Например, на самолете Боинг767 имеется такой толкатель, воздействующий на штурвальную колонку с усилием
16 кг при достижении предельного угла атаки.
Следует отметить, что ограничение предельных режимов может осуществляться путем воздействия непосредственно на рули самолета, если система управления позволяет осуществить надежную отработку сигналов системы ОПР на рули. Это наиболее просто может быть сделано при наличии электродистанционного управления (например, А320). Однако использование ОПР в рамках ЗУ имеет целью прежде всего оказать воздействие на летчика, предупреждая его через усилия об ошибках пилотирования и тем самым препятствуя их дальнейшему развитию. Такого типа ОПРы могут использоваться в неавтоматизированных системах бустерного управления.
В настоящее время на большинстве пассажирских самолетов осуществляется регулирование градиента загрузки, рис.7.5. Регулирование Рхъ производится пропорционально скоростному
www. vokb-la. spb. ru — Самолёт своими руками?!
напору и обратно пропорционально степени продольной статической устойчивости самолета тгу(бп)которая определяется центровкой самолета. В качестве сигнала о центровке используется сигнал балансировочного положения триммируемого стабилизатора. Эти ЗУ получили название автоматов усилий. Автоматы усилий установлены на большинстве пассажирских самолетов, например, Ил-86, самолетах Боинг, А300.А310 и др. В основном это автоматы усилий гидромеханического и электромеханического типа(рис.7.б) СЮЗ.
Достоинством указанных автоматов усилий является высокая степень отказобезопасности. Возникающие отказы в автоматах усилий практически не создают возмущений в движении самолета. Рост градиента с увеличением скорости полета служит хорошим признаком о приближении к скоростным режимам, на которых летчик должен проявлять определенную осторожность при пилотировании самолета. —
нолное возушное давление;
Рс„т — статическое давление воздуха; Ред-сливное давление гидросистемы;
/*и-давление нагнетания гидросистемы; — регулируемое давление в цилиндре.
Другая группа загрузочных устройств строится на регулировании коэффициента передачи Кшв = й$/й Хв пропорционально степени продольной статической устойчивости и обратно пропорционально скоростному напору. При этом загрузка на рычагах управления создается простой пружиной (рис.7.7). На некоторых самолетах используются две пружины, с помощью которых создаются взлетно-посадочная (одна пружина) и полетная (две пружины) загрузки. Реализация автомата услий с dP/dXB= const характерно для самолетов, имеющих автоматизированную систему управления, в которой применяется высоконадежная система СУУ с дифференциальным сервоприводом. При обеспечении заданного РПу сигнал летчика смешивается с сигналами СУУ. Это обычно требует увеличения ходов сервопривода. Подобный способ
www. vokb-la. spb. ru — Самолёт своими руками?!
регулирования загрузки осуществлен на самолете Ту-154,который имеет 3-х кратно резервированную СУУ, сохраняющую работоспособность после одного отказа till.
Рис.7.7. Схема загрузки штурвальной колонки с простой пружиной и регулятором К ш
С расширением использования автоматизации для улучшения характеристик устойчивости и управляемости, включая переход к электродистанционному управлению рулями, этот способ создания усилий получает все большее применение. По такому принципу, в частности, формируются усилия современных самолетов Ту-204, А320, АЗЗО, А340…. Электрические сигналы, используемые для формирования усилий, имеют 3^4-х кратное резервирование.
Третья из перечисленных выше группа загрузочных устройств построена на регулировании двух параметров Кит и Рхв по режимам полета(4Ч Н—)9 рис.7.8.Совмещение функций регулирования загрузки и коэффициента передачи Kw основано на том факте, что с увеличением скоростного напора необходимо увеличение градиента загрузки рхв
и уменьшение коэффициента передачи Кш в. Такие ЗУ не нашли применения в дозвуковой пассажирской авиации.
Следует отметить, что место установки ЗУ в системе управления имеет принципиальное значение. При наличии механической проводки наиболее целесообразно устанавливать ЗУ как
можно ближе к рулевым приводам. Этим достигается:
—устранение влияния люфтов в проводке управления на работу системы СУУ. Загрузочное устройство является упругой опорой с предварительным затягом, которая отсекает люфты в большей части проводки;
—в случае рассоединения или разрушения проводки на участке от рычагов управления до ЗУ рули будут удерживаться ЗУ в балансировочном положении. Используя триммерный механизм, можно осуществлять аварийное управление самолетом;
—наличие длинной упругой проводки между рычагами управления и ЗУ может давать благоприятный эффект увеличения Ктъ при управлении самолетом.
Рис.7.8. Схема загрузки штурвальной колонки при одновременном изменении загрузки и Кш
К числу отрицательных эффектов от установки ЗУ в хвостовой части самолета следует отнести некоторое увеличение трения от проводки из-за нагружения ее шарниров усилием ЗУ и некоторое уменьшение градиента ступеньки дополнительной загрузки ОПР из-за упругости проводки.
Особое место среди загрузочных. устройств занимают электрогидравлические ЗУ, работающие по сигналам датчиков усилий. В отличие от ранее рассмотренных ЗУ, эти ЗУ являются следящими
устройствами, работающими по замкнутому контуру. В состав ЗУ входят: датчик усилий, устанавливаемый на штурвале или в проводке управления; вычислитель, формирующий заданный закон работы ЗУ, электрогидравлический сервопривод, отрабатывающий сигналы ЗУ и создающий загрузку рычагов управления; аварийная загрузка в виде простой пружины, используемая при полном отказе электрогидравлического ЗУ или при рассоединении механической проводки между штурвалом и сервоприводом. На рис.7.9 показана принципиальная схема этого ЗУ [12].
Формирование загрузки осуществляется следующим образом. Усилие на штурвальной колонке можно представить в виде
где Сд-жесткость датчика усилий, а АХ-деформация упругого элемента датчика.
Выходное напряжение с датчика усилий будет равно
где Кд— коэффициент передачи датчика усилий.
Выходное напряжение с датчика обратной связи сервопривода имеет аналогичное выражение
где Кос —коэффициент передачи датчика обратной связи,. — Хсп —перемещение штока сервопривода.
Скорость перемещения штока сервопривода пропорциональна рассогласованию между входным и выходным сигналами
где Ксп —коэффициент передачи сервопривода.
Для состояния равновесия имеем
Тогда, используя полученные ранее соотношения, можем написать
Для перехода к перемещениям штурвала (АХВ) обозначим ААв _ |у-
и подставим в предыдущее выражение
Из этого выражения получим соотношение для градиента загрузки
Здесь Сд, Кх —обычно имеют постоянные значения. Изменение градиента Рх в может осуществляться путем изменения коэффициентов Кос И к л. Однако при изменении коэффициента Кос происходит также изменение динамических характеристик сервопривода; ДЛЯ уменьшения Р*в необходимо уменьшать Кос, что ведет к снижению собственной частоты сервопривода, а это нежелательно. Поэтому регулирование может производиться путем изменения коэффициента Кй по заданной программе в зависимости от режимов полета и других сигналов
