5.20 Servomechanizmy
Servomechanizmy sú zvláštnym prípadom regulačných obvodov, ktoré slúžia pre riadenie polohy a rýchlosti. Sú to zariadenia, ktorými je možné zmenu polohy – vstupnú veličinu (napr. natočenie hriadeľa alebo mechanické posunutie), pre ktorú je treba vynaložiť nepatrné sily, previesť na zodpovedajúcu zmenu polohy – výstupnú veličinu – ktorá predstavuje veľkú záťaž. Cieľom činnosti servomechanizmov je presné a rýchle sledovanie zmien vstupnej veličiny veličinou výstupnou. Preto hodnota výstupnej veličiny sa neustále zrovnáva s hodnotou veličiny vstupnej a ich rozdielom je ovládaná činnosť servomechanizmov tak, aby bol tento rozdiel minimálny. Servomechanizmus je charakterizovaný prítomnosťou riaditeľného zdroja energie a prítomnosťou spätnej väzby. Má teda všetky znaky regulačného obvodu.
Vplyv na rozvoj servomechanizmov mali vojenské aplikácie , ale rovnako i aplikácie vo výrobných strojoch, letectve, stavebných strojoch, prístrojovej technike atď.
Ukážka polohového servomechanizmu kopírovacieho zariadenia sústruhu je na obr. 5.35. a servomechanického zapisovača na obr. 5.36..
U servomechanizmov v porovnaní z regulačným obvodom (obr. 5.37.) nerozlišujeme regulovanú sústavu a regulátor nesleduje sa u neho vplyv poruchových veličín. Výstupná veličina φ2 zodpovedá regulovanej veličine y a vstupná veličina φ1 žiadanej veličine w. Odchýlke servomechanizmov φ = φ1 – φ2 zodpovedá regulačná odchýlka e = w-y klasického regulačného obvodu. Z uvedeného je zrejmá analógia servomechanizmu a regulačného obvodu.
Pre riešenie dynamických vlastností servomechanizmu platia rovnaké všeobecné pravidlá ako pre regulačné obvody.
U servomechanizmov zavádzame značenie prenosu.
Obr. 5.37. Bloková schéma regulačného obvodu (a) a servomechanizmu (b)
prenos otvorenej slučky, vzniknutý odpojením spätnoväzbovej slučky:
,
(1)
prenos uzavretej slučky, určený pomerom obrazov výstupného signálu
,
(2)
prenos odchýlky, daný pomerom obrazov odchýlky ku vstupnému signálu:
.
(3)
Prenos uzavretej slučky i prenos odchýlky možno vyjadriť pomocou prenosu rozpojenej slučky
,
(4)
(5)
V prenosoch (4 a 5) je v menovateli znova tzv. charakteristický polynóm respektíve charakteristická rovnica uzavretého obvodu (po úprave):
1 + G0(s) = 0
Podľa tvaru prenosu rozpojenej slučky servomechanizmu G0(s) rozlišujeme základné typy servomechanizmov, často využívanými tvarmi G0(s) sú:
resp.
Tvar je vyjadrený pomerom dvoch polynómov a j zhodný s tvarom prenosu rozpojeného regulačného obvodu. Mocnina sq vyjadruje rád astatizmu regulačného obvodu. U servomechanizmov koeficient q určuje typ servomechanizmu ,matematicky q vyjadruje počet nulových koreňov menovateľa prenosu G0(s).
Pri q=0 hovoríme o servomechanizme 0. typu
q=1 hovoríme o servomechanizme 1. typu
q=2 hovoríme o servomechanizme 2. typu.
Pri riešení dynamických vlastností servomechanizmov sa zaoberáme:
1.) vyšetrovaním stability ,
2.) vyšetrovaním akosti regulácie a to:
podľa priebehu regulačného pochodu
podľa odchýlky v ustálenom stave.
Vyšetrovanie stability sa prevádza podľa rovnakých kritérií stability ako u klasický regulačných obvodov.
Vyšetrovanie akosti regulácie, vyšetrovanie presnosti riadenia (regulácie) sa prevádza rovnakým spôsobom ako u klasických regulačných obvodov:
a.) Vyšetrovanie podľa priebehu regulačného pochodu (napr. integrálne kritéria akosti regulačného pochodu) je zhodné pre regulačné obvody i pre servomechanizmy.
b.) Vyšetrovanie podľa odchýlky v ustálenom stave alebo vyšetrovanie presnosti regulácie má u servomechanizmov zvýšený význam. Žiadame, aby výstup sledoval vstupný signál čo najpresnejšie. Musí teda výstupný signál servomechanizmu sledovať bez odchýlok vstupný signál (dráhu), ale i jeho deriváciu (rýchlosť, zrýchlenie atď.). Požadujeme teda, aby odchýlka servomechanizmu v ustálenom stave bola nulová nielen pre skokovú dráhu vstupného signálu, ale i pre skokovú rýchlosť, skokové zrýchlenie atď.
Z uvedeného je zrejme, že:
1.) Servomechanizmus typu 0 je schopný sledovať iba skok polohy a to s trvalou odchýlkou v ustálenom stave. Ak zväčšujeme zosilnenie servomechanizmu, odchýlka sa zmenšuje. Je však nutné vyšetrovať stabilitu (či servomechanizmus) bude stabilný. Skoky rýchlosti alebo zrýchlenia nie je schopný tento servomechanizmus sledovať, alebo odchýlka v ustálenom stave rastie nad všetky medze (do nekonečna).
2.) Servomechanizmus typu 1 sleduje skok polohy bez odchýlky v ustálenom stave, skok rýchlosti s trvalou regulačnou odchýlkou v ustálenom stave, ktorej veľkosť závisí od veľkosti zosilnenia. Nie je schopný sledovať skok zrýchlenia.
3.) Servomechanizmus typu 2 sleduje skok polohy i rýchlosti bez odchýlky v ustálenom stave. Skok zrýchlenia sleduje s trvalou odchýlkou ktorej veľkosť je závisí od veľkosti zosilnenia servomechanizmu.
Je nutné zdôrazniť, že zvyšovanie presnosti servomechanizmu, t.j. zmenšovanie odchýlky v ustálenom stave, vyvoláva zmenšovanie stability servomechanizmu.
Použitím korekčných členov u servomechanizmov môžeme docieliť jednak zlepšenie vlastností servomechanizmov z hľadiska presnosti, t.j. dosadenie určitého typu servomechanizmu, poprípade i zlepšenie akosti prechodového deja.
Korekciou servomechanizmu je teda nutné upraviť prenos rozpojenej slučky tak, aby charakteristická rovnica uzavretej slučky vyhovovala podmienkam stability a akosti prechodového deja (regulácie) a aby prenos otvorenej slučky mal požadovaný počet nulových pólov G0(s), podľa žiadaného typu servomechanizmu.
Základnými typmi korekcie sú:
korekcia sériovým členom,
korekcia spätnoväzbovou slučkou,
predkorekcia
Ako bolo uvedené v úvodnej časti, servomechanizmy majú široké uplatnenie. Je treba zdôrazniť, že napr. tzv. servomotor akčných členov parných i vodných turbín majú vlastnosti servomechanizmov a sú členom regulačných obvodov uhlovej rýchlosti týchto energetických strojov. Náročnosť na dynamické vlastnosti i presnosť činnosti servomechanizmov je vysoká. Voľba korekčných členov, ich zosilnenia a určenia časových konštánt je náplňou vlastnej syntézy servomechanizmov.
Všeobecná štruktúra servomechanizmov je zrejmá z obr. 5.38.. Takže syntéza servomechanizmu sa vzťahuje na blok predzosilňovača s korekčnými členmi, ktorý sa navrhuje. Pre ostatné bloky servomechanizmu sa obvykle využívajú štandardné prvky.
