Обратная связь
В случае если разглядывать ветхие паровые машины, каковые стимулировали появление первых работ по теории управления, то возможно заметить, что неприятности, которые связаны с отсутствием сенсорного устройства для подтверждения действия управляющего сигнала, появляются, в то время, когда существует некое внешнее изменяющееся влияние на всю совокупность. К примеру, нужно, дабы выходное колесо паровой машины трудилось с постоянной скоростью.
До тех пор до тех пор пока нагрузка на колесо не изменяется, возможно было «.бы поставить рычаг, что регулирует мощность автомобили, в заданное положение. Достигнув определенной скорости, машина, возможно, продолжала бы трудиться с той же скоростью.
При повышении мощности и машина увеличит скорость. Необходимо отметить положения регулятора рычага, соответствующие разным полным скоростям. Но что, в случае если нагрузка на машину начнет изменяться либо изменится давление пара, в случае если бойлер будет нагреваться?
Разумеется, отмеченные «безотносительные скорости» утратят суть.
В то время, когда происходит возмущение, управление без обратной связи ведет к аварии. Джеймс Уатт решил эту проблему при помощи регулятора (рис. 28), что складывается из двух тяжелых шаров, подвешенных на валу и вращающихся с той же скоростью, что и машина.
Чем стремительнее движется машина, тем больше сдвигаются шары под действием центробежной силы. Наряду с этим они тянут вверх муфту, связанную с рычагом, управляющим энергией, подводимой к машине.
Совокупность устроена так, что чем стремительнее движется машина, тем больше раздвигаются шары и понижается уровень поступления энергии (либо напротив, чем медленнее движется машина, тем меньше отклоняются шары и тем выше поднимается регулятор пара). Возможно машинально компенсировать трансформации нагрузки на машину, увеличивая либо уменьшая поступление энергии, требуемой для поддержания нужной скорости.
Рис. 1. Принцип действия ре-связанный гулятора Уатта с машиной
Управляемая совокупность с наличием и замкнутым контуром обратной связи продемонстрирована на рис. 2. Все сервомеханизмы владеют одними и теми же особенностями независимо от того, являются ли они чисто механическими устройствами, как регулятор Уатта, либо электронными совокупностями, применяемыми в роботах.
Эффект достигается за счет применения детектора рассогласования, возвращающего сигнал, что пропорционален различию требуемого фактической величины и значения параметра (которое отслеживается и отсылается обратно в совокупность, формируя, так, замкнутую «петлю» в концептуальном ходе управления). В случае если обратная сообщение не употребляется, управляющий контур разомкнут, понижаются точность и чувствительность совокупности.
На рис. 3 приводится обобщенная несложная совокупность управления с обратной связью, которая может использоваться на каждом узле робота.
Преобразователь принимает требуемое состояние (к примеру, положение либо скорость) и преобразует данные в подходящую для совокупности автоматического регулирования форму (к примеру, электрическое напряжение на выходе преобразователя прямо пропорционально положению узла). Сигнал обратной связи вычитается из входного сигнала (требуемое положение).
Так, создается сигнал рассогласования, что по окончании усиления до нужного уровня руководит аккуратной совокупностью робота. В случае если же сигнал и входной сигнал обратной связи однообразны, то сигнал рассогласования равен нулю, так, состояние совокупности не изменяется.
В случае если два сигнала неодинаковы, то усиленный сигнал рассогласования будет руководить узлом, дабы опять довести сигнал до нуля. На практике совокупности применяют отрицательную обратную сообщение.
Совокупность, применяющая хорошую обратную сообщение, в которой сигнал рассогласования вынуждает совокупность функционировать так, что она дает еще больший по величине сигнал рассогласования, непременно, неприемлема.
Рис. 2. Последовательность процесса обратной связи, применяемой в регуляторе Уатта
Рис. 3. Обобщенная несложная совокупность управления с обратной связью
Сущность управления с обратной связью в том, что совокупность может быть в неустойчивом состоянии и скорее колебаться около желаемого значения, чем практически достигать его. Такая ной и-реакция совокупности продемонстрирована на рис.
4, а, где совокупность достигает, но проскакивает желаемое «устойчивое состояние» и колеблется относительно точки с уменьшающейся амплитудой, стремясь к нужному состоянию. Противоположная задача появляется в передемпфированных совокупностях (рис.
4,б), где совокупность достигает устойчивости лишь спустя долгое время.
Совокупность с критическим демпфированием (рис. 4, в) разрешает стремительнее и без каких-либо колебаний достигнуть устойчивого состояния, но однако еще достаточно медлительно.
В настоящих совокупностях в большинстве случаев выбирается уровень демпфирования, которое приводило бы к легкому, но допустимому проскакиванию (как продемонстрировано на рис. 4, г) и снабжало стремительную реакцию совокупности.
До сих пор разглядываемые устройства обратной связи применяли аналоговую обратную сообщение, где совокупность действующий при сравнении разных размеров сигналов. В робототехнических совокупностях употребляется второй тип обратной связи, именуемый цифровой обратной связью, где все сигналы представлены в форме
бинарных импульсов. При аналоговой обратной связи информация о положении представляется величиной электрического напряжения, при цифровой обратной связи информацию о положении передаются эквивалентно потоку дискретных электрических импульсов, цифровой компаратор сравнивает число импульсов обратной связи с начальным значением и дает сигнал рассогласования.
Пример совокупности, включающей обратную сообщение по скорости и положению, продемонстрирован на рис. 5. Совокупность представляет собой сложное устройство обратной связи и включает управление как положением, так и скоростью.
Во многих роботосистемах управление скоростью значительно, в случае если для конечного позиционирования требуется поддерживать большие уровни точности. В отечественном примере совокупности автоматического регулирования управляются аналоговым электрическим напряжением.
Рис. 4. Разные формы реакции совокупности: а — недодемпфированная; б —передемпфированная; в —критическое демпфиррва-ние; г — рациональное демпфирование
Рис. 5. Совокупность, включающая обратную сообщение по скорости и положению
Так, дабы преобразовать импульсный сигнал рассогласования в аналоговое напряжение, перед тем как он будет усилен до последующей обработки, в схему включают аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). В отличие от преобразователя положения, что выдает цифровой сигнал, преобразователь скорости (тахометр) продемонстрирован как аналоговое устройство, и его сигнал, пропорциональный скорости перемещения узла, отсылается обратно чтобы преобразовать существующий выходной сигнал от первого управляющего усилителя.
Без контура обратной связи по скорости позиционная обратная сообщение практически обеспечит контроль предельной скорости, поскольку чем посильнее сигнал рассогласования (соответствующий громадному расстоянию между желаемой и фактической позициями), тем больше будет напряжение, управляющее силовой совокупностью узла. Следовательно, в случае если рука все больше отстает от сигнала команды, то мотор, управляющий узлом, машинально увеличит скорость.
Но таковой контроль скорости снабжает довольно малую его характеристики и реакцию характерны контролю позиционной обратной связи. Включение промежуточного контура обратной связи по скорости разрешает скоро корректировать трансформации скорости и стабилизирует всю совокупность автоматического регулирования.
Выбор каждого усилителя в совокупности с многими обратными связями очень сильно воздействует на реакцию совокупности. К примеру, в случае если коэффициент второго усилителя велик, то не сильный сигнал неточности обратной связи по скорости может привести к большим изменениям в сигнале к мотору и соответственно в скорости мотора.
Подобно этому, в случае если через чур громадна мощность первого усилителя, то естественное демпфирование в совокупности возможно подавлено и совокупность будет колебаться около требуемого положения.
На практике должны быть подобраны оптимальные значения точности позиционирования, быстроты реакции и диапазон регулирующих колебаний.
Выяснить скорость и положение движущегося узла возможно или по положению сервомотора, или применяя прямую обратную сообщение, в то время, когда преобразователь устанавливает как раз положение движущегося узла. Легко подметить, что первый метод не дает правильных данных из-за мёртвых ходов и люфтов узла.
Но второй метод, являясь более правильным, обходится дороже, исходя из этого довольно часто применяют непрямую обратную сообщение.
