Представь себе, что разность потенциалов между двумя движками подается на вход усилителя, выходной ток которого управляет вращением двигателя антенны. Если твой усилитель сделан хорошо и правильно пропускает постоянную составляющую, твоя проблема частично уже решена.
Н. — Чудесно! Я немедленно отправлюсь к своему приятелю устанавливать эту систему и…
Л. — И поссоришься с ним до конца своих дней! Если ты установишь эту систему без специальных мер предосторожности, то будешь пренеприятно удивлен зрелищем судорожно дергающейся антенны; антенна будет непрерывно дергаться до тех пор, пока не разрушится сама или не выйдет из строя двигатель, или не произойдет одновременно и то и другое.
Н. — Ты верен себе. Сначала описываешь заманчивое решение, а затем, не объясняя причин, заявляешь, что воспользоваться им нельзя!
Л. — He горячись, нужно просто внести в первоначальную схему небольшие усовершенствования, и она станет пригодной для практического использования. Колебания, о которых я тебе говорил, действительно могут произойти. Они вызываются тем, что при автоматическом управлении антенна и двигатель ведут себя точно так же, как и при испытанном тобой ручном.
Когда двигатель приводит в движение антенну, чтобы привести ее в заданное положение, он приобретает определенную инерцию. В момент прихода антенны в нужное положение двигатель обесточивается, но инерция заставит его проскочить заданное положение, в результате чего напряжение на его выводах переменится и двигатель начнет вращаться в обратную сторону. Возможно, что возникшие таким образом колебания успокоятся и все сооружение войдет в состояние устойчивого равновесия, но также возможно, что колебательные движения будут продолжаться бесконечно. В этот момент должна включиться система гашения колебаний.
Н. — Я знаю, как вызвать затухание колебаний в контуре, но не представляю, как остановить колебательные движения двигателя?
Л. — И тем не менее используемые в обоих случаях способы весьма сходны. Чтобы вызвать затухание колебаний в контуре, к его выводам подключают сопротивление, вызывающее рассеяние энергии на этом сопротивлении. А для остановки двигателя в качестве верного решения я советую тебе расположить на его оси систему с высокой вязкостью. Это своеобразный тормоз — чем выше скорость, тем больший создается тормозной момент.
Подобный результат можно получить с помощью очень простого устройства (рис. 141), состоящего из медного диска, помещенного в межполюсный зазор мощного магнита. Наводимые в массе диска токи (токи Фуко) порождают силы, тормозящие вращение диска; чем выше частота вращения диска, тем эффективнее воздействуют на него силы торможения. В этих условиях приблизившаяся к заданному положению антенна не сможет значительно проскочить предназначенную точку и после нескольких колебаний с небольшой амплитудой окончательно установится в нужном месте.
Рис. 141. Вращающийся в межполюсном зазоре магнита диск тормозится токами Фуко; чем выше скорость, тем больше сила торможения.
Н. — Да, это решение осуществимо, но оно мне совершенно не нравится, ибо, используя его, мы в значительной мере ограничиваем скорость двигателя. Это очень хорошо, когда антенна почти подошла в заданное положение, но не очень полезно, когда антенна находится еще далеко от предназначенной ей точки. Твоя система значительно увеличивает время, необходимое для установки антенны в рабочее положение.
Л. — Вызываемая задержка несколько меньше, чем ты думаешь. Не забывай, что чем дальше находится антенна от места, куда она должна прийти, тем больше напряжение между ползунками потенциометров. Поэтому подаваемое на двигатель напряжение увеличивается по мере увеличения предстоящего антенне пути. Следовательно, при большом пути двигатель может вращаться довольно быстро, несмотря на торможение; воздействие последнего становится преобладающим, когда антенна находится недалеко от заданной точки. А теперь я готов согласиться с тобой в том, что рассмотренное нами решение небезупречно.
Н. — Было бы очень хорошо иметь такой тормоз, который вступал в действие только в тот момент, когда антенна приближается к заданному положению, и лишь в том случае, если в этот момент двигатель вращается слишком быстро.
Л. — Незнайкин, ты стоишь на совершенно верном пути. Для решения сформулированной тобой задачи нужно наряду с напряжением между движками потенциометров ввести в усилитель, управляющий двигателем, напряжение, пропорциональное частоте вращения двигателя. Наиболее простой способ осуществления этой идеи заключается в механическом подключении к двигателю динамомашины, которую в подобных системах называют тахометрическим генератором. Этот генератор дает напряжение, пропорциональное частоте вращения двигателя, которое вычитают из разности потенциалов между движками потенциометров (рис. 142).
Рис. 142. В этом сервомеханизме напряжение, выдаваемое тахометрическим генератором, вычитается из напряжения погрешности (разности потенциалов между движками двух потенциометров). В этих условиях двигатель может вращаться быстро лишь при большом напряжении погрешности; когда управляемый потенциометр приближается к заданному положению, двигатель уже не может вращаться так быстро, как раньше, таким образом тахометрический генератор замедляет вращение двигателя при подходе к заданной точке и тем самым устраняет проскакивание ее и колебательные движения всего подвижного сооружения относительно заданной точки.
Н. — Но зачем понадобилось спаривать динамомашину с двигателем? Ведь совсем недавно ты объяснил мне, что двигатель постоянного тока и динамомашина одно и то же. Я еще до сих пор не забыл, что во время работы двигатель вспоминает, что он еще и динамомашина, и это проявляется в возникновении противо-э. д. с. Нельзя ли ею воспользоваться?
Л. — Отчасти ты прав, но использовать эту э. д. с. не всегда удобно. В самом деле, напряжение на зажимах двигателя представляет собой сумму э. д. с. и падения напряжения, вызываемого прохождением тока по обмотке якоря, обладающей определенным сопротивлением. Имеются схемы, позволяющие воспользоваться напряжением на зажимах двигателя для получения напряжения, пропорционального частоте, которое затем используется для демпфирования всего устройства. Однако эти схемы отличаются большой сложностью, и я не советую тебе ими увлекаться. Ведь не следует забывать, что наш двигатель подключен к выходу усилителя и что поэтому тебе не так легко будет определить напряжение на его зажимах. А при спаренном с двигателем тахометрическом генераторе ты получишь пропорциональное частоте вращения напряжение на двух не соединенных с корпусом проводах, которое можно очень легко вычесть из разницы потенциалов между движками потенциометров. В случае необходимости ты даже можешь с помощью диодов или аналогичных им приборов ограничить даваемое динамомашиной напряжение. Таким образом, удается ограничить соответствующее скорости торможение, что позволяет при значительной разнице в положении движков потенциометров получить очень высокие частоты вращения системы двигатель — тахометрический генератор.
Н. — Решение в самом деле очень изящное, но воспользоваться им будет довольно трудно, так как все механические элементы системы управления антенной уже смонтированы, и я не знаю, хватит ли мне места уместить тахометрический генератор.