Servomehanizam

Servomehanizam je kontrolni sistem (sistem automatskog upravljanja) sa povratnom spregom (vezom) koji upravlja sa pozicijom ili kretanjem objekta. On dakle kontroliše poziciju ili kretanje nekog dijela sistema kojim se upravlja.^[1]

Primjer servomehanizma. 1-elektromotor, 2-mjerač pozicije (potenciometar), 3-zupčanički prenos, 4-pokretana ručica (izvršni organ).

Servomehanizmi su često dijelovi nekog drugog kontrolnog sistema. Robotska ruka može sadržavati više servomehanizama, po jedan za svaki zglob u ruci.^[1]

Servomehanizam ili kontrolni sistem?

Nema teoretske razlike između servomehanizma i kontrolnog sistema sa zatvorenom petljom. Međutim, pošto je servo kontrola i procesna kontrola evoluirala posebno, terminologija i metode dizajna se ponekad razlikuju. Uz to, servomehanizmi obično uključuju relativno brze procese — često kraće od jedne sekunde. Procesna kontrola uključuje najčešće znatno sporije procese, sa vremenskim konstantama reda dekundi, minuta, ili čak sati. Komponente u servomehanizmu su obično dobro matematički definisane, pa se kontroler može napraviti tako da su kasnija podešavanja minimalna. Procese je teže definisati matematički, pa su obično potrebna podešavanja na stvarnom sistemu da bi se dobila optimalna funkcionalnost.^[2]

Primjeri servomehanizama

Servomehanizmi se koriste u svim složenijim sistemima upravljanja. U robotima se koriste za održavanje pozicije ekstremiteta, kod modela aviona za pomjeranje krilaca, kod RNU mašina za upravljanje kretanjem alata. Automobilski sistem kontrole skretanja preko volana je servomehanizam.

Razmatranje

Nema teoretske razlike između servomehanizma i kontrolnog sistema sa zavtorenom petljom povratne sprege, iste metode analize su primjenjive na oba. Međutim, zbog posebnog razvoja, svaki ima različitu terminologiju. Servomehanizmi obično uključuju brze pojave i vrijeme reakcije - 1 sekunda ili manje. Kontrola procesa se obično bavi dužim procesima sa reakcionim vremenima reda više sekundi, minuta ili sati.

Praktičan primjer

Analogni kontrolni sistem za održavanje položaja brodskog kormila.

Kao praktičan primjer servomehanizma možemo uzeti sistem koji upravlja sa pozicijom brodskog kormila. Pretpostavimo da želimo da držimo kormilo pod određenim uglom.

Ako primijenimo sistem otvorene petlje (bez povratne sprege), i samo inicijalno podesimo poziciju, otpor vode će polako pomjeriti kormilo od zadate pozicije, i brod će otići u pogrešnom smjeru. Dakle jedino zatvoreni sistem sa povratnom spregom (provjerom greške) dolazi u obzir.

Kormilo pokreće jednosmjerni električni motor, a povratna sprega (očitavanje pozicije) se vrši potenciometrom od 10 kilooma sa mrtvom zonom od 20°. Napon senzora (klizač potenciometra) se mijenja od -V do +V pri rotaciji kormila od pozicije +170° do -170°.

Korištene skraćenice:

Rf - otpor povratne sprege kod operacionog pojačavača
Rin - ulazni otpori kod operacionog pojačavača
SP - napon željene tačke ili željeni napon
Pm - napon klizača potenciometra na stvarnoj trenutnoj poziciji
Vop - napon na izlazu operacionog pojačavača
Vpw - napon na izlazu pojačavača snage

Operacioni pojačavač je spojen kao detektor greške pozicioniranja, sa pojačanjem

Rf/Rin.

Izlaz pojačavača je suma napona željene tačke SP i napona izmjerene pozicije Pm:

Izlazni napon operacionog pojačavača Vop = -(Rf/Rin) * (SP + Pm).

Pojačavač snage, koji pokreće motor za pozicioniranje antene, pojačava i napon za faktor pojačanja G.

Izlaz pojačavača snage Vpw = G * Vop.

Pojačavač snage je spojen direktno sa armaturom (rotorom) jednosmjernog elektromotora. Brzina motora je proporcionalna naponu primijenjenom na armaturu, a smjer je takav da kad je napon armature pozitivan, motor vrti kormilo ka -V, a kad je napon armature negativan, motor okreće kormilo ka +V.

Rezultat toga jest da motor pokreće kormilo i senzor pozicije (klizač potenciometra) u smjeru koji čini da se suma (SP + Pm) približava nuli (minimizacija greške). Spoj sumiranja kod operacionog pojačavača je detektor greške, a član (SP + Pm) je signal greške pozicioniranja.

Negativna povratna sprega u ovom primjeru je postignuta sa tim što je znak napona pozicionog senzora suprotan znaku napona željene tačke SP.