ГЛАВА VII. СТАБИЛИЗАЦИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ СЕРВОМЕХАНИЗМОВ

Сервомеханизм можно определить как применяемый в системах автоматического регулирования усилитель мощности и момента, выходная величина которого должна воспроизводить с определенной точностью входную величину.

Рис. VII.1. Принципиальная схема сервомеханизма электрогидропнев-матического типа для копировально-фрезерного станка

Усиление мощности происходит за счет источника вспомогательной энергии, подключаемого к каждому каскаду усиления, по числу которых сервомеханизмы классифицируются на одно-, двух-, трех- и вообще многокаскадные. Сервомеханизм часто представляет устройство, охватываемое обратной связью непосредственно или через ряд промежуточных преобразовательных и усилительных звеньев, вплоть до выхода чувствительного элемента регулятора. В последнем случае сервомеханизм предназначен для усиления сигнала, снимаемого с

чувствительного элемента. Регуляторы с такого рода сервомеханизмами распространены и применяются для регулирования температуры, давления и других величин.

С точки зрения технического выполнения и вида вспомогательной энергии сервомеханизмы могут быть пневматического, гидравлического, электрического, а также пневмогидравлического, электрогидравлического и тому подобных типов. Пример пневмогидравлического сервомеханизма (см. рис. VI. 12) был рассмотрен в предыдущей главе. Характеристики элементов 1 и 3, управляющих включением энергии, имеют незначительные линейные участки, в связи с чем их можно рассматривать как релейные.

В качестве второго примера рассмотрим релейный электрогидропневматический сервомеханизм (рис. VII. 1). Он состоит из измерительного устройства 1 и двух релейных устройств управляющих каналами 5 включения сжатого воздуха.

Рис. VII.2. Структурная схема двухкаскадного сервомеханизма с релейным управлением и дополнительной скоростной обратной связью

Сжатый воздух, идущий к правой или левой полостям золотника перемещает последний в одно из крайних положений. В результате перемещения золотника открывается один из маслопроводов 7 серводвигателя. Происходит перемещение серводвигателя и связанного с ним суппорта станка с постоянной скоростью до тех пор, пока электромагнитное реле не сработает снова; На схеме показаны две обратные связи: жесткая 2 и гибкая (скоростная) 3. Типовые структурные схемы указанных сервомеханизмов изображены на рис. VII. 2 и VII. 3.

Частными случаями этих систем являются однокаскадные сервомеханизмы, а также сервомеханизмы, в которых одна из релейных характеристик заменена линейной характеристикой.

В связи с разработкой высококачественных систем автомата ческого регулирования возникает потребность в построении сервомеханизмов, обеспечивающих наибольшее быстродействие. Быстродействующим сервомеханизмом будем называть такой сервомеханизм, который обеспечивает установление нового равновесного режима — переход из одного положения в другое — в возможно

короткое время. С одной стороны этот переход должен протекать с максимально возможными скоростями, а с другой — для завершения перехода, без значительных колебаний сервомеханизм должен эффективно гасить эту скорость к моменту достижения заданного положения.

Рис. VII.3. Структурная схема двухкаскадного сервомеханизма с релейным управлением и со скоростной обратной связью при наличии жесткой обратной связи в первом каскаде

Сочетание, этих двух противоречивых требований приводит в основном к построению сервомеханизмов релейного и близкого к ним типов со специальными стабилизирующими устройствами. Целью настоящего раздела является рассмотрение теории таких устройств.

Движение быстродействующего релейного и близкого к ним сервомеханизмов в заданное положение можно разделить на три этапа (рис. VII. 4): разгон движение и торможение

Рис. VII.4. Переходные грани в быстродействующем релейном сервомеханизме

С целью увеличения быстродействия этап торможения должен быть возможно короче. Стремление наиболее эффективно использовать движущий момент, развиваемый исполнительным устройством сервомеханизма для накопления в процессе движения наибольшей скорости и, следовательно, увеличения его быстродействия, приводит к необходимости максимального форсирования разгона и достижения цаиболыней продолжительности действия движущего момента во все время переходного процесса.

Однако, если такой сервомеханизм оставить без специально предусмотренных средств стабилизации, то равновесное состояние его часто будет характеризоваться автоколебаниями. Автоколебательное состояние сервомеханизма при равновесном значении сигнала на его входе может в известных случаях быть источником возбуждения колебаний во всей системе автоматического регулирования в целом. Поэтому желательно иметь средства.

позволяющие, если не до конца снимать, то во всяком случае регулировать параметры автоколебательного процесса сервомеханизма.

Прекращения автоколебаний можно добиться изменением соотношения параметров. Последнее связано с переделкой сервомеханизма (например, с изменением скорости исполнительного механизма, влияющей на возникновение автоколебаний) или с его огрублением. Естественно, что устранять автоколебания за счет снижения качества сервомеханизма нерационально.

Изменение параметров конструкции, как известно, не всегда может быть осуществлено. Следует отметить, что появление автоколебаний часто связано с незначительным изменением его параметров внутри допуска или выходом за допуск (люфт, зазор в исполнительном механизме). Поэтому для конструктора весьма важно иметь такие средства, которые позволили бы воздействовать на возникающие автоколебания, не меняя в основном выходных параметров сервомеханизма и конструкцию его отдельных элементов.

Основными стабилизирующими средствами сервомеханизма могут служить различного рода обратные связи, введение вибрационного режима, линеаризирующего сервомеханизм, и демпфирование отдельных каскадов сервомеханизма. Обратными связями, применяемыми, в настоящее время для целей стабилизации сервомеханизмов, являются: жесткие обратные связи и обратные связи по первой и второй производным, а также изодромные обратные связи. Содержание настоящей главы составляет рассмотрение обратных связей с точки зрения их применения для стабилизации положения равновесия и управления автоколебательным режимом нелинейных сервомеханизмов.

Ввиду сложной нелинейной задачи совокупного исследования автоколебаний последние обычно изучаются в сервомеханизме отдельно от системы в предположении, что его статические и динамические характеристики (быстродействие, автоколебания по частоте и амплитуде и т. п.) заранее заданы в технических условиях на разработку сервомеханизма. Процесс же установления автоколебаний в общей цепи регулирования будет, естественно, иным, если вообще будет существовать.

Дать решение об автоколебаниях систем автоматического регулирования в общем случае весьма трудно. Однако всегда представляется возможным провести конкретный численный расчет переходного процесса для определенного вида характеристик (см. гл. VI и IX—XII).

Условия воспроизведения всей системой автоматического регулирования входной величины с определенной степенью точности не исключают наличия автоколебаний в сервомеханизме. Действительно, если регулируемая координата не должна выходить из заданной достаточно узкой области значений, то на другие

координаты системы таких ограничений не накладывается; например, выходная координата сервомеханизма иногда может иметь сравнительно большие отклонения в процессе автоколебаний. Отсюда становится понятным стремление к максимально возможному ослаблению связи в системе в режиме автоколебаний сервомеханизма. Идеальным в этом случае было бы такое положение, при котором система практически совсем не реагировала бы на автоколебания сервомеханизма.

Движение такой системы можно было бы разделить на два мало реагирующих друг на друга типа движений — воспроизведение входной величины и автоколебания. Такое разделение движений в реальной системе автоматического регулирования может быть произведено на основании качественных соображений об условиях взаимной связи нескольких систем. Здесь определяющими являются частотные и, в частности, амплитудные частотные характеристики системы.

Рис. VII.5. Амплитудная характеристика системы автоматического регулирования и сервомеханизма

Если область пропускания частот всей системы гораздо уже, чем область пропускания частот сервомеханизма, и притом амплитудная характеристика сервомеханизма в указанном диапазоне частот примерно постоянна (рис. VI 1.5), то такой сервомеханизм может обладать хорошими воспроизводящими качествами по отношению к собственным движениям системы (см. гл. XV и XVI кн. 1) и, наоборот, сама система будет обладать слабыми воспроизводящими свойствами по отношению к собственному движению сервомеханизма.

Кроме того, указанный вид амплитудных характеристик исключает весьма опасные режимы резонанса системы регулирования и автоколебаний сервомеханизма.

Следовательно, первым ограничением в отношении режима автоколебаний сервомеханизма является разграничение частот, из которых состоит воспроизводимое им движение, и частот его автоколебаний. Частоты автоколебаний сервомеханизма должны быть по возможности выше частот, из которых состоят воспроизводимые системой движения, и лежать за пределами области частот, где амплитудная характеристика системы существенно отличается от нуля. На практике добиться такого положения бывает трудно, так как указанное ограничение связано с весьма завышенными требованиями к быстродействию сервомеханизма. Поэтому вторым ограничением в отношении режима автоколебаний сервомеханизма является требование уменьшения амплитуды

автоколебаний сервомеханизма с последующей проверкой поведения всей системы в целом.

Таким образом, требования к автоколебательному режиму сервомеханизма со стороны систем автоматического регулирования не противоречат получению высококачественного процесса регулирования или слежения. Само наличие автоколебаний высокой частоты и весьма малой амплитуды существенно улучшает процесс регулирования в системе автоматического регулирования в целом, поскольку при этом, как известно, устраняется ряд вредных влияний со стороны таких нелинейностей, как зона нечувствительности, люфт, сухое трение и т. п. (более подробно об этом см. в четвертом разделе настоящей книги).