Незначительная обратная связь цикла
Обратная связь с малым контуром — это классический метод, используемый для разработки стабильных и надежных систем управления с линейной обратной связью с использованием контуров обратной связи вокруг подсистем внутри общего контура обратной связи. [1] этот метод иногда называют синтезом малых петель . В учебниках для колледжей [1] [2] некоторые правительственные документы. [3]
Метод подходит для проектирования графическими методами и использовался до того, как стали доступны цифровые компьютеры. Во время Великой Отечественной войны этот метод использовался при проектировании систем управления наводкой орудий . [4] Он до сих пор используется, но не всегда упоминается по имени. Это часто обсуждается в контексте методов построения диаграмм Боде . Незначительную обратную связь по контуру можно использовать для стабилизации операционных усилителей. [5]
Пример [ править ]
Сервопривод положения телескопа [ править ]
Этот пример немного упрощен (нет передач между двигателем и нагрузкой) из системы управления телескопа Харлана Дж. Смита в обсерватории Макдональда . [6] На рисунке показаны три контура обратной связи: контур регулирования тока, контур регулирования скорости и контур регулирования положения. Последний цикл является основным. Два других — второстепенные петли. Прямой путь, если рассматривать только прямой путь без второстепенной обратной связи по контуру, имеет три неизбежных этапа фазового сдвига. Индуктивность двигателя и сопротивление обмотки образуют фильтр нижних частот с полосой пропускания около 200 Гц. Ускорение до скорости является интегратором , а скорость до положения является интегратором. Это будет иметь общий фазовый сдвиг от 180 до 270 градусов. Простое подключение обратной связи по положению почти всегда приводит к нестабильному поведению.
Текущий контур управления [ править ]
Самый внутренний контур регулирует ток в моментном двигателе . Этот тип двигателя создает крутящий момент, который почти пропорционален току ротора , даже если он вынужден вращаться назад. Из-за действия коммутатора бывают случаи, когда на две обмотки ротора одновременно подается напряжение. Если бы двигатель приводился в движение источником напряжения, управляемым напряжением, ток примерно удвоился бы, как и крутящий момент. Измеряя ток с помощью небольшого чувствительного резистора (RS ) и подавая это напряжение обратно на инвертирующий вход усилителя возбуждения, усилитель становится источником тока, управляемым напряжением. При постоянном токе, когда две обмотки находятся под напряжением, они делят ток, и изменение крутящего момента составляет порядка 10%.
Контур управления скоростью [ править ]
Следующий самый внутренний контур регулирует скорость двигателя. Сигнал напряжения от тахометра (небольшого генератора постоянного тока с постоянными магнитами) пропорционален угловой скорости двигателя. Этот сигнал подается обратно на инвертирующий вход усилителя регулирования скорости (KV ) . Система контроля скорости делает систему «жестче» при изменении крутящего момента, например, при ветре, движении вокруг второй оси и пульсациях крутящего момента от двигателя.
Контур управления положением [ править ]
Крайняя петля, основная петля, регулирует положение груза. В этом примере обратная связь по фактическому положению нагрузки представлена поворотным энкодером , который выдает двоичный выходной код. Фактическое положение сравнивается с желаемым с помощью цифрового вычитателя, который управляет ЦАП ( цифро-аналоговый преобразователь ), который управляет усилителем управления положением (K P ). Управление положением позволяет сервоприводу компенсировать провисание и небольшую пульсацию положения, вызванную шестернями (не показаны) между двигателем и телескопом.
Синтез [ править ]
Обычная процедура проектирования заключается в разработке самой внутренней подсистемы (контура управления током в примере с телескопом) с использованием локальной обратной связи для линеаризации и выравнивания усиления. Стабильность обычно обеспечивается методами графика Боде . Обычно полосу пропускания делают максимально широкой. Затем проектируется следующий контур (контур скорости в примере с телескопом). Пропускная способность этой подсистемы установлена в 3–5 раз меньше, чем полоса пропускания закрытой системы. Этот процесс продолжается, при этом пропускная способность каждого контура меньше, чем пропускная способность закрытой системы. Пока полоса пропускания каждого контура меньше полосы пропускания закрытой подсистемы в 3–5 раз, фазовым сдвигом закрытой системы можно пренебречь, т. е. подсистему можно рассматривать как простой плоский коэффициент усиления. . Поскольку пропускная способность каждой подсистемы меньше пропускной способности системы, которую она включает, желательно сделать пропускную способность каждой подсистемы как можно большей, чтобы в самом внешнем контуре было достаточно пропускной способности. Система часто выражается как График потока сигналов и его общая передаточная функция могут быть рассчитаны по формуле усиления Мэйсона .
Ссылки [ править ]
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Куо, Бенджамин К. (1991), Системы автоматического управления , Прентис-Холл, ISBN 978-0-13-051046-4
- ^ Браун, Гордон С.; Кэмпбелл, Дональд П. (1948), Принципы сервомеханизмов , John Wiley & Sons
- ^ Лейнингер, Гэри, Применение метода проектирования MNA к нелинейному турбовентиляторному двигателю (PDF) , получено 18 марта 2011 г.
- ^ Беннетт, Стюарт, Краткая история автоматического управления (PDF) , стр. 20, заархивировано из оригинала (PDF) 7 октября 2011 г. , получено 18 марта 2011 г.
- ^ Лундберг, Внутренняя и внешняя компенсация операционных усилителей: руководство, ориентированное на управление , получено 18 марта 2011 г.
- ^ Диттмар, Дэвид (1–5 марта 1971 г.). Конференция по проектированию больших телескопов, материалы конференции ESO (Европейская южная обсерватория)/CERN (Европейский совет по ядерным исследованиям) . Женева, Швейцария (опубликовано в июне 1971 г.). п. 383.
Внешние ссылки [ править ]
- Ли, Юньфэн и Роберто Горовиц. « Мехатроника электростатических микроактюаторов для двухступенчатых сервосистем компьютерных дисководов ». Транзакции IEEE/ASME по мехатронике , Vol. 6 № 2. Июнь 2001 г.
- Доусон, Джоэл Л. « Системы обратной связи ». Массачусетский технологический институт.
- Конференция по Большим Телескопам 1971 года содержит полный текст презентации Диттмара.