СЕРВОМЕХАНИЗМ

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.