ОБЩИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТОВ И АВТОМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Основные понятия и определения

Классификация систем автоматического управления

Под автоматизацией производства в широком смысле понимается процесс, при котором функции измерения передаются приборам и автоматическим устройствам.

Автоматизация производства не означает безусловное, полное вытеснение человека автоматами, но направленность его действий, характер его взаимоотношения с машинами изменяются, труд приобретает новую качественную окраску, становится более сложным и содержательным. Центр тяжести в его трудовой деятельности перемещается на техническое обслуживание автоматов и на аналитически-распорядительную деятельность.

В настоящее время существует чрезмерно большое разнообразие автоматических систем, выполняющих те или иные функции по управлению самыми различными физическими процессами во всех областях техники. В этих системах сочетаются весьма разнообразные по конструкции механические, электрические и другие устройства, составляющие в общем сложный комплекс взаимодействующих друг с другом звеньев.

Современное развитие науки и техники вызвало необходимость создания уникальных инженерных сооружений: ускорителей элементарных частиц, высокоточных направляющих путей конвейерных линий большой протяженности, высотных сооружений башенного типа, мощных гидротехнических сооружений и др.

Сооружение и эксплуатация таких промышленных объектов потребовали разработки и создания новой методики высокоточных инженерно-геодезических измерений.

Выполнение комплекса подобных измерений на уникальных объектах часто сопряжено со значительными трудностями, т. к. по условиям работы требуется выполнять монтажные, котировочные и измерительные операции в ограниченные промежутки времени. Это обстоятельство требует высокой производительности измерений. Кроме того, часто на уникальных инженерных сооружениях не представляется возможным выполнять необходимый комплекс измерений общепринятыми методами по причине повышенной опасности для людей. Здесь в первую очередь следует отметить такие факторы, как радиоактивность, высокие температуры, сильные магнитные и электрические поля.

В этих условиях необходимо применять специальные методы, позволяющие процесс измерений вести дистанционно.

Практика высокоточных геодезических измерений на уникальных сооружениях показала, что дальнейшее повышение точности, существенное увеличение производительности труда прямо связаны с применением в инженерной геодезии современных автоматических измерительных систем.

Опыт создания и применения новых геодезических приборов, основанных на использовании достижений оптики, электроники, автоматики, физики показал их широкие возможности и перспективность.

Внедрение автоматизации в инженерно-геодезические работы позволило успешно решить следующие основные задачи:

• — повысить точность измерений;
• — осуществить дистанционное наблюдение за объектами;
• — повысить производительность труда;
• — существенно снизить затраты на выполнение работ.

Природа физических явлений, параметры которых подлежат измерению при выполнении инженерно-геодезических работ, чрезвычайно разнообразна: деформация сооружений и элементов конструкций, направляющих путей, рефракция и флуктуации оптического луча в атмосфере и пр.

Однако независимо от задач измерения построение любой автоматической измерительной системы выполняется в соответствии с определенными принципами. Изучение принципов построения автоматических измерительных систем осуществляют на основе теории автоматического управления (ТАУ).

Наиболее общим понятием в теории автоматического управления следует считать термин «система автоматического управления» (САУ).

Системы автоматического управления в широком смысле охватывают как замкнутые системы (с обратной связью), так и незамкнутые (с разомкнутой главной цепью). САУ включают в себя следящие системы, системы автоматического регулирования, автоматические измерительные системы и охватывают, кроме того, ряд систем, которые не могут быть отнесены полностью ни к следящим системам, ни к системам автоматического регулирования или к автоматическим измерительным системам.

При изучении основных положений теории автоматического управления основное внимание уделяется не техническим свойствам отдельных элементов, а функциям, которые они выполняют в системе управления, и характеру связей между ними, поэтому различают блок-схемы, функциональные и структурные схемы.

Блок-схема характеризует систему по составу входящих в нее отдельных конструктивных блоков (блок питания, блок вычитания и пр.).

Функциональная схема дает наглядное представление о функциях отдельных элементов САУ и характере связей между ними, а структурная схема получается из функциональной, если определены передаточные функции отдельных элементов, образующих функциональную схему.

Все автоматические системы можно условно разделить на два больших класса:

• — автоматы, выполняющие определенного рода операции, как одноразовые, так и многоразовые;
• — автоматические системы, которые в течение достаточно длительного времени нужным образом изменяют или поддерживают какие-либо физические величины в управляемом процессе.

Глава 1. Основные понятия и определения

Эти системы, в свою очередь, делятся на замкнутые и незамкнутые автоматические системы.

Общая функциональная схема незамкнутой системы приведена на рис. 1.1. Это простейшая полуавтоматическая система управления, т. к. источником воздействия в ней является человек.

Если источником воздействия является изменение каких-либо внешних условий (например, давления, температуры, освещенности), в которых работает данная система, то такая система управления является автоматической.

Характерно, что в любой незамкнутой автоматической системе процесс работы системы не зависит непосредственно от результатов ее воздействия на управляемый объект.

Рис. 1.1. Схема незамкнутой системы

Рис. 1.2. Схема замкнутой системы

Для получения замкнутой системы управления в разомкнутую систему на выходе включают контрольные приборы, результаты измерений которых подают на вход автоматической системы, причем величина воздействия определяется по тому, насколько отличаются измеренные величины на управляемом объекте от требуемых значений.

В наиболее компактной форме функциональная схема замкнутой системы представлена на рис. 1.2.

Рассмотрим работу развернутой функциональной схемы замкнутой системы (рис. 1.3). На объект управления (управляемый объект), находящийся под влиянием внешнего возмущающего воздействия F, поступает управляющее воздействие х_р, являющееся выходной величиной управляющей части автоматической системы. Устройство формирования команд (преобразующий элемент), усилительное устройство и исполнительное устройство образуют основной контур системы.

Замыкается контур управления подачей по цепи главной обратной связи, включающей в себя измерительное устройство и устройство предварительной обработки информации, управляемой величины.

Задающее воздействие х₃, поступающее на устройство сравнения, может отличаться от входной величины х_вх масштабом, содержать в себе наряду с полезным входным сигналом и случайные возмущения (помехи, шумы), которые могут быть связаны друг с другом определенной зависимостью.

Замкнутые автоматические системы существуют в технике и в виде различных автоматических систем управления: автоматического регулирования, следящих систем, вычислительных систем, компенсационных систем измерения и др.

Рис. 1.3. Развернутая схема замкнутой системы

Система автоматического регулирования (САР) представляет собой устройство автоматического управления, предназначенное для изменения по заданным условиям какой-либо величины с помощью специально для этой цели присоединяемых приборов — автоматических регуляторов.

В отличие от САР следящая система представляет собой устройство автоматического управления, предназначенное для воспроизведения величины, меняющейся по произвольному закону. Следящая система автоматически воспроизводит заданное воздействие, меняющееся по любому произвольному закону, заранее неизвестному (например, перемещение на заданную величину), как правило, без механической связи между задающим и исполнительным элементами.

Вне зависимости от структуры следящая система является замкнутой системой автоматического управления, т. е. системой, имеющей обратную связь.

Особенностью следящих систем является высокая точность передачи сигнала по цепи главной обратной связи. В следящей системе передача сигнала к элементу сравнения осуществляется с коэффициентом, равным единице. На функциональной схеме такая обратная связь изображается одной линией.

Классификацию автоматических систем можно производить по различным направлениям, что обусловлено сложной структурой, различной физической сущностью, назначением, областями применения и т. д.

Основным видом классификации, определяющим принцип построения системы, можно считать классификацию по общему назначению системы автоматического управления или по режиму автоматического управления.

Систему автоматического управления можно классифицировать по следующим основным режимам:

• — автоматического регулирования (система регулирования);
• — автоматического программного управления или регулирования (системы программного управления или регулирования);
• — автоматического слежения (следящие системы).

Можно проводить классификацию по типу характеристик отдельных звеньев системы в отношении их линейности. При этом все системы подразделяются на линейные системы и нелинейные.

В свою очередь, линейные системы можно подразделить на:

• — системы с постоянными параметрами (параметры системы не зависят ни от времени, ни от переменных воздействий на эту систему);
• — системы с переменными параметрами (параметры системы зависят от времени).

Нелинейной называется система, в которой хотя бы один из параметров является величиной, нелинейно зависящей от переменных, характеризующих поведение динамической системы.

Важным направлением является классификация по характеру отработки задаваемого входного воздействия. В этом случае системы могут быть разделены на:

• — системы с непрерывной отработкой входного воздействия;
• — системы с дискретной отработкой входного воздействия.

Одним из важнейших показателей качества работы системы является ее ошибка — как статическая, так и динамическая. Поэтому иногда САУ классифицируют по виду функции сигнала ошибки при определенном входном воздействии.

С этой точки зрения для линейных систем автоматического управления выделяют следующие категории систем с нулевой ошибкой:

• — в статическом состоянии (с ошибкой по скорости);
• — при постоянной скорости (с ошибкой по ускорению);
• — при постоянном ускорении (с ошибкой при изменении ускорения).

В теории автоматического управления существуют и другие виды классификации автоматических систем: по степени характеристического уравнения, по физической сущности системы или отдельных ее звеньев, по роду тока (системы переменного и постоянного тока), по областям применения, по мощности исполнительной части и др.

В автоматизации высокоточных инженерно-геодезических измерений в настоящее время нашли применение как полуавтоматические, так и автоматические системы, в том числе замкнутые и разомкнутые, следящие, измерительные компенсационные и др.

Наиболее широко в геодезических приборах используются измерительные компенсационные системы, т. к. они в сочетании с позиционно-чувствительными датчиками обеспечивают высокую точность измерения.