Автоматты құрылғылар және сервожүйелер

Кіріспе

Автоматты құрылғы

Механикалық және басқару инженериясында сервомеханизм (сондай-ақ сервожүйе немесе жай ғана серво деп аталады) – механикалық жүйенің орнын және оның жылдамдық сияқты уақыт бойынша өзгеруін басқару жүйесі. Ол көбінесе сервомоторды қамтиды және тұрақты күйдегі қателерді азайту және динамикалық жауапты жақсарту үшін жабық циклды басқаруды пайдаланады. Жабық циклды басқаруда механизмнің әрекетін түзету үшін қате сезіміне негізделген кері байланыс қолданылады. Орынды басқаруға бағытталған қолданбаларда, шығыс қажетті нәтижеге жететінін қамтамасыз ету үшін көбінесе енкодер немесе басқа да орындық кері байланыс механизмі болады. Белгіленген қозғалыс траекториясын орындау серволау деп аталады, онда "серво" сөзі етістік ретінде қолданылады. "Серво" префиксі латын тіліндегі *servus* сөзінен шыққан, ол "құл" деген мағынаны білдіреді. Мысалы, автомобильдегі электр терезелерді басқару сервомеханизм емес, себебі орынды басқаруға автоматты кері байланыс қарастырылмаған – оператор оны көзбен бақылап орындайды. Ал, керісінше, автомобильдің круиздік басқаруы жабық циклды кері байланыс пайдаланады, сондықтан ол сервомеханизм болып саналады.

Орналасуды басқару

Сервоның кең таралған түрі позицияны басқаруды қамтамасыз етеді. Көбінесе серволар электрлік, гидравликалық немесе пневматикалық болады. Олар теріс кері байланыс принципі бойынша жұмыс істейді, онда басқару сигналы механикалық жүйенің шығысында орналасқан түрлендіргіш арқылы өлшенген нақты позициясымен салыстырылады. Нақты және қажетті мәндер арасындағы кез келген айырмашылық ("қате сигналы") күшейтіліп (және түрлендіріліп), жүйені қателікті азайту немесе жою үшін қажетті бағытта итермелеу үшін пайдаланылады. Бұл процедура – басқару теориясының жиі қолданылатын тәсілдерінің бірі. Типтік серволар бұрылыстық (бұрыштық) немесе сызықтық шығыс бере алады.

Жылдамдықты басқару

Сервомеханизмнің тағы бір түрі – жылдамдықты реттеу. Бу машинасы механикалық реттегіштерді пайдаланады; алғашқы қолданылудың бірі – су доңғалақтарының жылдамдығын реттеу болды. Екінші дүниежүзілік соғысқа дейін ұшақтарды маневрлеу үшін қозғалтқыштың жылдамдығын басқаруға арналған тұрақты жылдамдықты перне жасалды. Газ турбиналық қозғалтқыштардың отынды басқару жүйесі гидромеханикалық немесе электрондық реттеуді қолданады.

Басқалар

Орындылық сервомеханизмдер алғаш рет әскери отты басқару және теңіз навигациялық жабдықтарында қолданылды. Бүгінде сервомеханизмдер автоматты станоктарда, спутниктік іздеу антенналарында, қашықтан басқарылатын ұшақтарда, қайықтар мен ұшақтардың автоматты навигациялық жүйелерінде және зениттік артиллерияны басқару жүйелерінде қолданылады. Басқа мысалдар – ұшақтардағы сым арқылы басқару жүйелері, олар ұшақтың басқару беттерін іске қосу үшін серволарды пайдаланады, сондай-ақ осы мақсатта RC серволарын қолданатын радиобасқарылатын модельдер. Көптеген автофокус камералары линзаны дәл жылжыту үшін сервомеханизмді қолданады. Қатты дискіде микрометрден де кішкентай дәлдікке ие магниттік сервожүйе бар. Өнеркәсіптік машиналарда серволар көптеген қолданыстарда күрделі қозғалыстарды орындау үшін қолданылады.

Сервомотор

Сервомотор – сервомеханизм құру үшін ротациялық энкодер немесе потенциометрмен біріктірілген қозғалтқыштың нақты түрі. Бұл құрастырма өз кезегінде тағы бір сервомеханизмнің бөлігі болуы мүмкін. Потенциометр жай ғана позицияны көрсету үшін қарапайым аналогтық сигнал береді, ал энкодер позицияны және көбінесе жылдамдық туралы ақпаратты кері байланыс ретінде ұсынады, бұл PID контроллерін қолдану арқылы позицияны дәл басқаруға және осылайша тұрақты позицияға (белгілі бір мотор қуаты үшін) жылдам жетуге мүмкіндік береді. Температура өзгергенде потенциометрлер дрейфке ұшырайды, ал энкодерлер тұрақтырақ және дәл болады. Сервомоторлар жоғары деңгейдегі және төмен деңгейдегі қолдануларда қолданылады. Жоғары деңгейдегілер – ротациялық энкодерді пайдаланатын жоғары дәлдікті өнеркәсіптік компоненттер. Төмен деңгейдегілер – радиобайланыс арқылы басқарылатын модельдерде қолданылатын арзан радио басқару серволары (RC серволары), олар еркін жұмыс істейтін моторды және кіріктірілген контроллері бар қарапайым потенциометрлік позиция сенсорын пайдаланады. «Сервомотор» термині көбінесе жоғары деңгейдегі өнеркәсіптік компонентті білдіреді, ал «серво» термині көбінесе потенциометрді қолданатын арзан құрылғыларды сипаттау үшін қолданылады. Степерлік моторлар сервомоторлар деп есептелмейді, бірақ олар да ірі сервомеханизмдерді құру үшін қолданылады. Степерлік моторлар өз құрылысының есесінен бұрыштық позицияға ие, және бұл әдетте кері байланыссыз ашық цикл режимінде қолданылады. Олар көбінесе орташа дәлдікті қажет ететін қолдануларда қолданылады. RC серволары автомобильдің рульдік басқаруы, ұшақтың басқару беттері немесе қайықтың рулі сияқты әртүрлі механикалық жүйелерді іске қосу үшін қолданылады. Олардың қолжетімділігі, сенімділігі және микропроцессорлармен басқарудың қарапайымдығы оларды кішкентай масштабтағы робототехникалық қолдануларда жиі қолдануға мүмкіндік береді. Стандартты RC қабылдағыш (немесе микроконтроллер) сервоға импульс енінің модуляциясы (PWM) сигналдарын жібереді. Сервоның ішіндегі электроника импульстің енін позицияға аударады. Сервоны айналдыру командасы берілген кезде, потенциометр командаланған позицияға сәйкес келетін мәнге жеткенге дейін мотор қуаттандырылады.

A servomotor is a specific type of motor that is combined with a rotary encoder or a potentiometer to form a servomechanism. This assembly may in turn form part of another servomechanism. A potentiometer provides a simple analog signal to indicate position, while an encoder provides position and usually speed feedback, which by the use of a PID controller allow more precise control of position and thus faster achievement of a stable position (for a given motor power). Potentiometers are subject to drift when the temperature changes whereas encoders are more stable and accurate. Servomotors are used for both high end and low end applications. On the high end are precision industrial components that use a rotary encoder. On the low end are inexpensive radio control servos (RC servos) used in radio controlled models which use a free running motor and a simple potentiometer position sensor with an embedded controller. The term servomotor generally refers to a high end industrial component while the term servo is most often used to describe the inexpensive devices that employ a potentiometer. Stepper motors are not considered to be servomotors, although they too are used to construct larger servomechanisms. Stepper motors have inherent angular positioning, owing to their construction, and this is generally used in an open loop manner without feedback. They are generally used for medium precision applications. RC servos are used to provide actuation for various mechanical systems such as the steering of a car, the control surfaces on a plane, or the rudder of a boat. Due to their affordability, reliability, and simplicity of control by microprocessors, they are often used in small scale robotics applications. A standard RC receiver (or a microcontroller) sends pulse width modulation (PWM) signals to the servo. The electronics inside the servo translate the width of the pulse into a position. When the servo is commanded to rotate, the motor is powered until the potentiometer reaches the value corresponding to the commanded position.

Тарих

Джеймс Уотттың бу машинасының реттегіші, әдетте, алғашқы қуатпен жұмыс істейтін кері байланыс жүйесі деп есептеледі. Жел тірменінің фантайлы – автоматты басқарудың ертерек мысалы, бірақ күшейткіші немесе күшеюі болмағандықтан, ол көбінесе сервомеханизм деп саналмайды. Бірінші кері байланыс позициялық басқару құрылғысы – кемелердің рульдік механизмдері, ол үлкен кемелердің рульдерін кеме дөңгелегінің орналасуына сәйкес орналастырды. Джон Макфарлен Грей – пионер болды. Оның патенттелген дизайны 1866 жылы SS Great Eastern кемесінде қолданылды. Жозеф Фаркот кері байланыс тұжырымы үшін де бірдей құрметке лайық болуы мүмкін, өйткені ол 1862 мен 1868 жылдар аралығында бірнеше патент алған. Телемоторды 1872 жылы Эндрю Беттс Браун ойлап тапты, бұл басқару бөлмесі мен қозғалтқыш арасындағы күрделі механизмдерді едәуір жеңілдетуге мүмкіндік берді. Бумен басқарылатын рульдік механизмдер қазіргі заманғы сервомеханизмдерге тән қасиеттерге ие болды: кіріс, шығыс, қате сигналы және қате сигналын нөлге жақындату үшін теріс кері байланысқа қолданылатын қате сигналын күшейту мүмкіндігі. Рагоннеттің қуатты кері механизмдері 1909 жылы патенттелген, сызықтық қозғалыс үшін қолданылатын, ауамен немесе бумен жұмыс істейтін серво-күшейткіштердің жалпы мақсаттағы түрі болды. Электрлік сервомеханизмдер 1888 жылдан бастап Элиша Грейдің "Телавтографында" қолданылды. Электрлік сервомеханизмдерге қуат күшейткіші қажет. Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде электрлік отты басқару сервомеханизмдері пайда болды, олар қуат күшейткіші ретінде амплидин қолданды. UNIVAC I компьютері үшін UNISERVO магниттік таспа жетегінде вакуумдық шам күшейткіштері қолданылды. Корольдік теңіз күштері 1928 жылы HMS Champion кемесінде қашықтықтан басқаруды (RPC) сынақтан өткізе бастады және 1930 жылдардың басында RPC-ді іздеу шамдарын басқару үшін қолдана бастады. Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде RPC қаруларды және қару бағыттағыштарын басқару үшін пайдаланылды. Қазіргі заманғы сервомеханизмдер әдетте MOSFET немесе тиристорлық құрылғылардан құралған қатты күйдегі қуат күшейткіштерін пайдаланады. Кішкентай серволар қуат транзисторларын қолдануы мүмкін. Сөздің шығу тегі француз тіліндегі "Le Servomoteur" немесе "құл қозғалтқыш" деген сөзден келгені саналады, алғаш рет 1868 жылы J. J. L. Farcot кемелерді басқаруда қолданылатын гидравликалық және бу машиналарының сипаттамасы ретінде қолданған. Ең қарапайым серволар "қосқан-өшірген" басқаруды қолданады. Күрделірек басқару жүйелері пропорционалды басқаруды, PID басқаруды және күй кеңістігі басқаруын қолданады, олар заманауи басқару теориясында зерттеледі.

James Watt's steam engine governor is generally considered the first powered feedback system. The windmill fantail is an earlier example of automatic control, but since it does not have an amplifier or gain, it is not usually considered a servomechanism. The first feedback position control device was the ship steering engine, used to position the rudder of large ships based on the position of the ship's wheel. John McFarlane Gray was a pioneer. His patented design was used on the SS Great Eastern in 1866. Joseph Farcot may deserve equal credit for the feedback concept, with several patents between 1862 and 1868. The telemotor was invented around 1872 by Andrew Betts Brown, allowing elaborate mechanisms between the control room and the engine to be greatly simplified. Steam steering engines had the characteristics of a modern servomechanism: an input, an output, an error signal, and a means for amplifying the error signal used for negative feedback to drive the error towards zero. The Ragonnet power reverse mechanism was a general purpose air or steam powered servo amplifier for linear motion patented in 1909. Electrical servomechanisms were used as early as 1888 in Elisha Gray's Telautograph. Electrical servomechanisms require a power amplifier. World War II saw the development of electrical fire control servomechanisms, using an amplidyne as the power amplifier. Vacuum tube amplifiers were used in the UNISERVO tape drive for the UNIVAC I computer. The Royal Navy began experimenting with Remote Power Control (RPC) on HMS Champion in 1928 and began using RPC to control searchlights in the early 1930s. During WW2 RPC was used to control gun mounts and gun directors. Modern servomechanisms use solid state power amplifiers, usually built from MOSFET or thyristor devices. Small servos may use power transistors. The origin of the word is believed to come from the French "Le Servomoteur" or the slavemotor, first used by J. J. L. Farcot in 1868 to describe hydraulic and steam engines for use in ship steering. The simplest kind of servos use bang–bang control. More complex control systems use proportional control, PID control, and state space control, which are studied in modern control theory.