Автоматическое управление. Открытый и замкнутый циклы. Преобразователи и сервомеханизмы

В 1788 г. Джеймс Уатт изобрел центробежный регулятор для поддержания постоянства хода паровой машины-вероятно, первый механизм, управляющий процессом автоматически. 80 лет спустя Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) создал математическую теорию регулятора-основу науки об автоматическом управлении современными машинами-от бытовых до сверхзвуковых лайнеров. Наивысшим достижением было бы создание андроида - электронно-механической копии человека. Но функции человеческого мозга столь сложны, а пути, по которым мозг и другие органы регулируют жизнедеятельность организма человека, столь запутанны, что даже самая примитивная механическая копия человека пока только мечта.

Центробежный регулятор, разработанный Уаттом в 1788 г. для управления ходом паровой машины. При вращении стержня [1] шары [2] под действием центробежной силы смещаются в стороны и вверх, а тяга [3] постепенно закрывает паровой клапан [4] между котлом и машиной, пока не будет достигнуто состояние равновесия. Если машина увеличивает ход, вращающиеся шары отклоняются еще дальше в стороны, перекрывая клапан пара и тем самым снижая ход [5]. Когда грузы перемещаются вниз и сближаются друг с другом [6], тяга [7] снова постепенно открывает клапан [8]. В результате ход машины почти не зависит от величины нагрузки.

Открытый и замкнутый циклы. Различают две категории автоматических систем управления-с открытым и замкнутым циклами [1]. Система с открытым циклом не имеет обратной связи-передачи информации с выхода устройства на вход основного компонента, управляющего работой всего устройства. Посудомоечные машины, механизмы для смены грампластинок, стиральные машины работают по заранее заданной программе в системе с открытым циклом, выполняя в определенной последовательности ряд операций в зависимости от целей.

В системах управления с открытым циклом обратной связи нет. В системе снабжения горячей водой [А] при изменении температуры холодной воды или давления газа изменится и поддерживаемая температура.

В системе с замкнутым циклом [Б] воды заданной температуры и холодной водой имеется устройство для обратной связи и поддержания постоянной температуры воды

В автоматических системах управления с замкнутым циклом обратная связь отрицательная. Она возвращает систему к стабильному режиму. Так, электрический терморегулятор «следит» за температурой электронагревателя: как только температура достигает установленной предельной величины, терморегулятор отключает ток. Положительная же обратная связь делает систему нестабильной.

Человеческий организм - система с множественными биологическими обратными связями. Благодаря гомеостазу в организме поддерживаются благоприятные условия для процессов жизнедеятельности и создается устойчивое состояние [5].

Сигналы об изменении температуры окружающей среды достигают гипоталамуса (участка мозга). Сигналы биологической обратной связи вызывают реакцию, поддерживающую стабильную температуру тела. Если человеку становится жарко, начинается потоотделение, к коже приливает больше крови, мышечная активность понижается. При переохлаждении тела начинается озноб

Системы с обратной связью нашли широкое применение в технике только в XX в., когда с изобретением триода и других типов электронных ламп появилась возможность усиливать слабые сигналы, вырабатываемые электронными преобразователями различных видов.

Преобразователи и сервомеханизмы. Сейчас создаются электронные схемы, способные обнаруживать самые незначительные изменения сигналов преобразователей, встроенных в приборы домашнего обихода, промышленное и медицинское оборудование: они регистрируют изменения яркости света, температуры (холодильники) [2], потока жидкости («искусственная почка»), давления газа (аппарат искусственного кровообращения), толщины (прокат) и цвета (производство красок). Усиливая и нормализуя сигналы «ошибка», «мало», «много», поданные преобразователями, и направляя их в управляемую линию, добиваются автоматизации управления.

Циркулирующий в холодильнике газ сжимается [1] и превращается в жидкость [2]. Клапан [3] поддерживает давление на нужном уровне. Точка кипения сжиженного газа выше точки его кипения при пониженном давлении, поэтому он испаряется, охлаждая внутренность холодильника, пока терморегулятор [4] не отключит компрессор. Постепенно терморегулятор согреется и включит компрессор снова

Сервомеханизмы, как и другие системы обратной связи, предназначены для автоматического управления. Это устройства, поддерживающие соосность двух разобщенных в пространстве валов. Они применяются в артиллерийских орудиях и ракетных установках с радарным управлением, для автоматического управления судами [3], в автопилотах [4] и механизмах с цифровым программным управлением.

Сервомеханизм [2], соединенный с судовым гирокомпасом [1], посылает сигнал ошибки при отклонении судна от курса. Сигналы поступают на сервоусилитель [3], который включает серводвигатель [4], действующий на преобразователь вращательного движения в линейное [5]. Руль [6] устанавливается в положение, исправляющее отклонение от курса. Как только он поворачивается, электромеханическая обратная связь [7] возвращает гирокомпас и его сервомеханизм в исходное состояние и сводит сигнал к нулю.

Схема автопилота подобна схеме автоматического управления движением судов, но гироскопических датчиков и связанных с ними сервоустановок три, и они используются для управления курсом, высотой и креном самолета. Из-за сложности системы на борту имеется ЭВМ, управляющая серводвигателями, которые корректируют параметры. Радионавигационное оборудование, связанное с ЭВМ, допускает управление самолетом с земли при автоматической посадке.

Сервомеханизмы обнаруживают самые незначительные изменения взаимного положения валов и также вырабатывают сигналы «ошибки», которые после усиления передаются к сервомотору для выравнивания валов. Чтобы преобразовать едва заметный сигнал ошибки в импульс, достаточный для вращения корректирующего устройства, необходимо значительное усиление. Сигнал радиолокатора, отраженный от цели, измеряется в микроваттах (мкВт), а мощность, необходимая для поворота ствола артиллерийского орудия, составляет киловатты (кВт).

Кибернетика и роботы. Кибернетика не имеет четко очерченной области применения-она касается управления и связи вообще, включая и технические, и биологические системы с обратной связью. Основывается она на различных аспектах математики, электротехники, вычислительной техники, физиологии и психологии.

Среди достижений прикладной кибернетики есть и самоуправляемые устройства, позволяющие инвалидам самостоятельно передвигаться. Англичанин Мередит Тринг (род. 1915) разработал ряд таких аппаратов, в частности подъемник, с помощью которого сидячий больной может двигаться по лестнице, и движущееся кресло для парализованных [6].

Движущееся кресло, сконструированное Трингом, позволяет парализованным больным поворачиваться кругом. Управление поворотом выполнено так, что больные могут им пользоваться, несмотря на тяжкий недуг

Идея создания робота занимала умы человечества с момента рождения инженерной мысли, но стала возможной сравнительно недавно благодаря применению микроминиатюрных интегральных схем.

Сейчас производятся машины и бытовые приборы, по своим действиям очень похожие на роботов, но сохраняющие привычные для человека внешний вид и габариты [7].

Автоматическая газонокосилка работает от электродвигателя, питаемого батареей [1]. Она снабжена поисковой катушкой [2] для слежения за кабелем, проложенным под дерном.

Рулевое управление газонокосилкой [3] регулируется электронной схемой так, чтобы косилка двигалась вдоль кабеля. При правильной прокладке кабеля машинка подстрижет газон и возвратится на прежнее место.

Привести в действие автоматически открываемые двери можно трояко: нажав педаль перед дверью [1]; прервав луч света, идущий параллельно двери в ее коробке [2], и просто нажав кнопку в стене [3]. Системы привода также различны: электрические, электромеханические и пневматические (от сжатого воздуха). Дверные створки могут раздвигаться или распахиваться в одну или обе стороны. Иногда рядом с автоматической дверью располагают простую (на случай поломки или отключения автоматики). Автоматическая дверь должна соответствовать противопожарным требованиям.

 





Дата добавления: 2022-01-31; просмотров: 275;


Поделитесь с друзьями:

Вы узнали что-то новое, можете расказать об этом друзьям через соц. сети.

Поиск по сайту:

Edustud.org - 2022-2024 год. Для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь | Конфиденциальность
Генерация страницы за: 0.01 сек.