СЕРВОМЕХАНИЗМ

Содержание статьи

• Работа сервомеханизма.
• Динамические характеристики.
• Проектирование.

СЕРВОМЕХАНИЗМ, следящая система автоматического регулирования, которая работает по принципу обратной связи и в которой один или больше системных сигналов, сформированных в управляющий сигнал, оказывают механическое регулирующее воздействие на объект. Термин «серво-» (от лат. servus – слуга) используется для обозначения механизмов и систем, выходная величина которых поступает на вход, где сравнивается с задающим воздействием. Сервосистемы обладают, как правило, двумя особенностями: способностью усиливать мощность и информационной обратной связью. Усиление необходимо потому, что требуемая на выходе энергия обычно велика (берется от внешнего источника), а на входе незначительна. Обратная связь представляет собой замкнутый контур, в котором рассогласование сигналов входа и выхода используется для управления. Следовательно, в прямом направлении контур передает энергию, а в обратном обеспечивает информацию, необходимую для точного управления. См. также АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ И РЕГУЛИРОВАНИЕ.

Хотя данное выше определение сервосистемы считается общепринятым, некоторые авторы не включают в него положение об усилении мощности, пренебрегая, таким образом, отличием сервосистем от систем управления с обратной связью, которые, вообще говоря, не осуществляют усиления мощности.

Сервомеханизмы заставляют выходную величину воспроизводить входную, как и стабилизирующие системы автоматического регулирования. Но у стабилизирующих систем входная величина задана и постоянна. В противоположность этому задающее воздействие сервомеханизма может изменяться произвольно и зачастую непрерывно. При этом задача проектирования состоит в том, чтобы непрерывно отслеживать выход и сравнивать его со входом. В качестве примеров сервомеханизмов можно назвать автоматические следящие антенны и копировальные станки.

Работа сервомеханизма.

Действие сервомеханизма можно проанализировать на каком-либо типичном примере. Рассмотрим функциональную схему сервомеханизма, показанную на рисунке. Сервомеханизм служит для воспроизведения углового положения одного вала (командного) другим (управляемым), находящимся на удалении. Положение командного вала может изменяться произвольно и в любой момент определяется по стрелке на лимбе (круговой шкале) измерительного прибора. Положение этого вала с помощью потенциометра преобразуется в напряжение, которое пропорционально повороту вала и для управляемого вала является задающим воздействием. Положение управляемого вала (также определяемое по стрелке на лимбе), который должен воспроизводить положение командного, тоже преобразуется потенциометром в пропорциональное ему напряжение. Управляющая команда, т.е. сигнал, приводящий систему в действие, формируется на основе разности между двумя напряжениями и является реакцией системы управления на рассогласование между положениями двух валов. Это управляющее напряжение подается на усилитель и прилагается к одной из обмоток возбуждения двухфазного управляющего электродвигателя; вал этого двигателя связан с управляемым валом системой шестерен. Когда на входе усилителя имеется напряжение, двигатель поворачивает управляемый вал до тех пор, пока входное напряжение не станет равно нулю.

Динамические характеристики.

Чтобы исследовать характеристики этой системы, рассмотрим поведение управляемого вала для двух тестовых сигналов на входе. Для простоты предположим, что система первоначально находится в покое, когда на обоих лимбах нули. Затем командный вал, в первом случае, неожиданно принимает новое положение; здесь задающее воздействие является ступенчатой функцией времени. Управляющий серводвигателем сигнал немедленно принимает значение, отвечающее новому положению. Однако управляемый вал принимает новое положение не сразу, что обусловлено его инерцией и запаздыванием серводвигателя. Но большое напряжение от усилителя уже приложено к серводвигателю, и он постепенно поворачивает вал в положение, которое отвечает положению командного вала. Когда положения двух валов совпадают, сигнал рассогласования обращается в нуль. Однако в большинстве случаев инерция ротора серводвигателя и управляемого вала приводит к тому, что последний проскакивает нужное положение. Поскольку теперь напряжение рассогласования оказывается отрицательным, вращающий момент двигателя стремится повернуть обратно управляемый вал, который при этом сначала замедляется, затем останавливается и, поворачиваясь в обратную сторону, достигает положения, соответствующего нулевому управляющему сигналу. В этой точке снова проявляется некоторая инерция, и система снова промахивается. Этот колебательный процесс продолжается до тех пор, пока управляемый вал не примет требуемого положения. Хотя в теории эти колебания могут продолжаться бесконечно, на практике они затухают, и управляемый вал через какое-то время достигает конечного состояния.

Другой тестовый входной сигнал, который мы рассмотрим, – это ступенчатая функция скорости, когда командный вал, находившийся в состоянии покоя, вдруг начинает вращаться с постоянной угловой скоростью. Как и в предыдущем случае, инерция не позволяет управляемому валу сразу следовать за командным. Вращающий момент, развиваемый серводвигателем, заставляет управляемый вал вращаться быстрее, чтобы догнать командный вал. Когда управляемый вал при этом обгоняет командный, рассогласование, а следовательно, и вращающий момент серводвигателя изменяют знак на противоположный. Наконец, когда управляемый вал вращается с той же скоростью, что и командный, вырабатывается постоянный сигнал ошибки установившегося режима. Этот сигнал служит для создания вращающего момента, который обеспечивает постоянство угловой скорости вращения управляемого вала.

Реакция системы на воздействие двух стандартных входных сигналов, рассмотренных выше, зависит от ее параметров. Поэтому исследование динамических характеристик управляемой системы имеет решающее значение для качества управления. Например, если система очень чувствительна, то она лучше реагирует на управляющие сигналы, но и более подвержена колебаниям. Осцилляции имеют место и на высокочастотных составляющих колебательного процесса. Если демпфирование системы, т. е. воздействие на нее восстанавливающей силы, возрастает, то колебания затухают быстрее. При увеличении коэффициента усиления система будет требовать меньшего рассогласования для создания того же вращающего момента. Но при высоком коэффициенте усиления система более подвержена колебаниям, промахи (перерегулирование) становятся больше, а частота колебаний возрастает. На практике различные параметры, такие, как коэффициент усиления, чувствительность, запаздывание и демпфирование, подбираются так, чтобы получить нужные отклики системы на различные тестовые входные сигналы.

В только что рассмотренной системе при синусоидальном изменении напряжения сигнала ошибки вращающий момент серводвигателя и, следовательно, движение управляемого вала тоже изменяются синусоидально. Из-за инерции системы выходной сигнал отстает от сигнала рассогласования, и его амплитуда, зависящая от величины тех или иных параметров системы, также будет отличаться. По мере роста частоты напряжения сигнала рассогласования выходной сигнал все больше отстает от него; при этом его амплитуда быстро уменьшается. При некоторой частоте напряжения сигнала рассогласования выходной сигнал будет запаздывать точно на половину периода. Если при этом напряжение выходного сигнала по амплитуде точно равно напряжению сигнала ошибки, то система может перейти в режим автоколебаний. Если эта амплитуда окажется больше амплитуды сигнала ошибки, то колебания будут нарастать, пока система не выйдет из строя. В обоих последних случаях говорят, что система неустойчива, и она перестает функционировать как система управления. Устойчивая система, сохраняя чувствительность к управляющему сигналу, эффективно демпфирует колебания. Реакция системы на возмущение для разных частот различна по амплитуде и запаздыванию. Амплитудные и фазовые характеристики системы могут быть представлены на графике как функции частоты. Такие графики оказывают значительную помощь проектировщику сервосистемы.

Проектирование.

Инженеры, занимающиеся проектированием сервомеханизмов и сервосистем, вынуждены решать исключительно разнообразные проблемы. На практике такой инженер всегда сталкивается с проблемой синтеза, которую можно сформулировать следующим образом. Заданы конкретные элементы некоторой сервосистемы. Как спроектировать другие элементы, чтобы сервосистема в целом удовлетворяла заданным требованиям? Эта проблема неизменно оказывается сложной, и ее решение достигается посредством комбинирования расчетов, конструирования и испытаний.

В типичном случае проектировщик выбирает для системы тип силового привода – обычно электродвигатель переменного (постоянного) тока или гидравлическую (пневматическую) систему, – основываясь на энергетических требованиях к системе, исходя из ее назначения, а также учитывая ограничения, которые налагаются на характеристики, размеры и стоимость системы. Используя предварительные расчеты необходимого усиления сигнала рассогласования, подбирают подходящий усилитель. Этот выбор зависит от типа силового привода. Затем выбираются датчики, преобразователи, переключатели и другие компоненты системы управления.

Сервомеханизм составляет ядро системы, и на каждом этапе его проектирования должна рассматриваться работа системы в целом. Например, в типичном случае, описанном в общих чертах выше, проектировщик после выбора элементов системы приступает к построению рабочей модели с электрическими усилителями и механическими устройствами, чтобы определить динамические характеристики системы в целом. Если определенные таким образом динамические характеристики не отвечают поставленным требованиям, можно обратиться к тем или иным методам и средствам их улучшения. К ним относятся схемы компенсации и дополнительные контуры обратной связи.

Нужный компромисс между точностью управления и устойчивостью может быть достигнут путем использования комбинации простых схем опережения и задержки (дифференцирующих и интегрирующих цепочек), которые генерируют необходимые характеристики управляющего сигнала для сервопривода. Дополнительные схемы обратной связи, включая генераторы производных сигнала, могут быть использованы также не только для получения требуемых динамических характеристик системы, но и для компенсации нарушений в ее работе. После динамического моделирования системы с использованием реалистичных входных сигналов, убедившись, что модель системы имеет удовлетворительные характеристики, проектировщик переходит от экспериментальной стадии к разработке прототипа, а затем к окончательному производственному образцу сервосистемы.