Типовые звенья САУ. Временные и частотные характеристики звеньев. Элементарные динамические звенья сау Типовые динамические звенья систем автоматического регулирования

Динамика большинства функциональных элементов САУ независимо от исполнения может быть описана одинаковыми по форме дифференциальными уравнениями не более второго порядка. Такие элементы называют элементарными динамическими звеньями. Передаточная функция элементарного звена в общем виде задается отношением двух полиномов не более чем второй степени:

Известно также, что любой полином произвольного порядка можно разложить на простые сомножители не более, чем второго порядка. Так по теореме Виета модно записать

D (p) = a o p n + a 1 p n - 1 + a 2 p n - 2 +. + a n = a o (p - p 1) (p - p 2). (p - p n), (4)

где p 1 , p2,., p n - корни полинома D (p). Аналогично

K (p) = b o pm + b 1 p m - 1 +. + bm = b o (p - p ~ 1) (p - p ~ 2). (p - p ~ m), (5)

где p ~ 1 , p ~ 2 ,., p ~ m - корни полинома K (p). То есть

Корни любого полинома могут быть либо вещественными p i = a i , либо комплексными попарно сопряженными p i = a i ± j i . Любому вещественному корню при разложении полинома соответствует сомножитель (p - a i). Любая пара комплексно сопряженных корней соответствует полиному второй степени, так как

(p - a i + j i) (p - a i - j i) = (p - ai) 2 + i 2 = p 2 - 2pa i + (a i 2 + i 2). (7)

Поэтому любую сложную передаточную функцию линеаризованной САУ можно представить как произведение передаточных функций элементарных звеньев. Каждому такому звену в реальной САУ, как правило, соответствует какой - то отдельный узел. Зная свойства отдельных звеньев можно судить о динамики САУ в целом.

В теории удобно ограничиться рассмотрением типовых звеньев, передаточные функции которых имеют числитель или знаменатель, равный единице, то есть

W (p) = 1/p, W (p) = p, W (p) = Tp+ 1, W (p) = k (9) (11)

Из них могут быть образованы все остальные звенья. Звенья, у которых порядок полинома числителя больше порядка полинома знаменателя, технически нереализуемы.

Структурная схема САУ в простейшем случае строится из элементарных динамических звеньев. Но несколько элементарных звеньев могут быть заменены одним звеном со сложной передаточной функцией. Для этого существуют правила эквивалентного преобразования структурных схем. Рассмотрим возможные способы преобразований:

1) Последовательное соединение - выходная величина предшествующего звена подается на вход последующего

Рисунок 4.1 - Последовательное соединение звеньев

2) Параллельно - согласное соединение - на вход каждого звена подается один и тот же сигнал, а выходные сигналы складываются. Тогда:

y = y1 + y2 +. + yn = (W1 + W2 +. + W3) yo = Wэкв yo, (12)

Рисунок 4.2 - Параллельно-согласное соединение звеньев

3) Параллельно - встречное соединение - звено охвачено положительной или отрицательной обратной связью. Участок цепи, по которому сигнал идет в противоположном направлении по отношению к системе в целом (то есть с выхода на вход) называется цепью обратной связи с передаточной функцией W ос. При этом для отрицательной ОС:

y = W п u; y 1 = W ос y; u = y o - y 1 , (13)

W экв = W п / (1 ± W п). (14)

Рисунок 4.3 - Параллельно-встречное соединение звеньев

Замкнутую систему называют одноконтурной, если при ее размыкании в какой либо точке получают цепочку из последовательно соединенных элементов. Участок цепи, состоящий из последовательно соединенных звеньев, соединяющий точку приложения входного сигнала с точкой съема выходного сигнала называется прямой цепью. Цепь из последовательно соединенных звеньев, входящих в замкнутый контур называют разомкнутой цепью. Исходя из приведенных выше способов эквивалентного преобразования структурных схем, одноконтурная система может быть представлена одним звеном с передаточной функцией: Wэкв = Wп/ (1 ± Wp) - передаточная функция одноконтурной замкнутой системы с отрицательной ОС равна передаточной функции прямой цепи, деленной на единицу плюс передаточная функция разомкнутой цепи. Для положительной ОС в знаменателе знак минус. Если сменить точку снятия выходного сигнала, то меняется вид прямой цепи. Так, если считать выходным сигнал y1 на выходе звена W1, то Wp = Wo W1. Выражение для передаточной функции разомкнутой цепи не зависит от точки снятия выходного сигнала. Замкнутые системы бывают одноконтурными и многоконтурной. Чтобы найти эквивалентную передаточную функцию для данной схемы нужно сначала осуществить преобразование отдельных участков.

Что такое динамическое звено? На предыдущих занятиях мы рассматривали отдельные части системы автоматического управления и называли их элементами системы автоматического управления. Элементы могут иметь различный физический вид и конструктивное оформление. Главное, что на такие элементы подается некоторый входной сигнал х( t ) , и как отклик на этот входной сигнал, элемент системы управления формирует некоторый выходной сигнал у( t ) . Далее мы установили, что связь между выходным и входным сигналами определяется динамическими свойствами элемента управления, которые можно представить в виде передаточной функции W(s). Так вот, динамическим звеном называется любой элемент системы автоматического управления, имеющий определенное математическое описание, т.е. для которого известна передаточная функция.

Рис. 3.4. Элемент (а) и динамическое звено (б) САУ.

Типовые динамические звенья – это минимально необходимый набор звеньев для описания системы управления произвольного вида. К типовым звеньям относятся:

    пропорциональное звено;

    апериодическое звено I-ого порядка;

    апериодическое звено II-ого порядка;

    колебательное звено;

    интегрирующее звено;

    идеальное дифференцирующее звено;

    форсирующее звено I-ого порядка;

    форсирующее звено II-ого порядка;

    звено с чистым запаздыванием.

Пропорциональное звено

Пропорциональное звено иначе еще называется безынерционным .

1. Передаточная функция.

Передаточная функция пропорционального звена имеет вид:

W (s ) = K где К – коэффициент усиления.

Пропорциональное звено описывается алгебраическим уравнением:

у(t ) = K · х(t )

Примерами таких пропорциональных звеньев могут служить, рычажный механизм, жесткая механическая передача, редуктор, электронный усилитель сигналов на низких частотах, делитель напряжения и др.



4. Переходная функция .

Переходная функция пропорциональное звена имеет вид:

h(t) = L -1 = L -1 = K · 1(t)

5. Весовая функция.

Весовая функция пропорционального звена равна:

w(t) = L -1 = K ·δ(t)



Рис. 3.5. Переходная функция, весовая функция, АФЧХ и АЧХ пропорционального звена.

6. Частотные характеристики .

Найдем АФЧХ, АЧХ, ФЧХ и ЛАХ пропорционального звена:

W(j ω ) = K = K +0 ·j

A(ω ) =
= K

φ(ω) = arctg(0/K) = 0

L(ω) = 20·lg = 20·lg(K)

Как следует из представленных результатов, амплитуда выходного сигнала не зависит от частоты. В действительности ни одно звено не в состоянии равномерно пропускать все частоты от 0 до ¥, как правило на высоких частотах, коэффициент усиления становится меньше и стремиться к нулю при ω → ∞. Таким образом, математическая модель пропорционального звена является некоторой идеализацией реальных звеньев .

Апериодическое звено I -ого порядка

Апериодические звенья иначе еще называются инерционными .

1. Передаточная функция.

Передаточная функция апериодического звена I-ого порядка имеет вид:

W (s ) = K /(T · s + 1)

где K – коэффициент усиления; T – постоянная времени, характеризующая инерционность системы, т.е. продолжительность переходного процесса в ней. Поскольку постоянная времени характеризует некоторый временной интервал , то ее величина должна быть всегда положительной, т.е. (T > 0).

2. Математическое описание звена.

Апериодическое звено I-ого порядка описывается дифференциальным уравнением первого порядка:

T · d у(t )/ dt + у(t ) = K ·х(t )

3. Физическая реализация звена.

Примерами апериодического звена I-ого порядка могут служить: электрический RC-фильтр; термоэлектрический преобразователь; резервуар с сжатым газом и т.п.

4. Переходная функция .

Переходная функция апериодического звена I-ого порядка имеет вид:

h(t) = L -1 = L -1 = K – K·e -t/T = K·(1 – e -t/T )


Рис. 3.6. Переходная характеристика апериодического звена I-го порядка.

Переходный процесс апериодического звена I-ого порядка имеет экспоненциальный вид. Установившееся значение равно: h уст = K. Касательная в точке t = 0 пересекает линию установившегося значения в точке t = T. В момент времени t = T переходная функция принимает значение: h(T) ≈ 0.632·K, т.е. за время T переходная характеристика набирает только около 63% от установившегося значения.

Определим время регулирования T у для апериодического звена I-ого порядка. Как известно из предыдущей лекции, время регулирования – это время, после которого разница между текущим и установившимся значениями не будет превышать некоторой заданной малой величины Δ. (Как правило, Δ задается как 5 % от установившегося значения).

h(T у) = (1 – Δ)·h уст = (1 – Δ)·K = K·(1 – e - T у/ T), отсюда е - T у/ T = Δ, тогда T у /T = -ln(Δ), В итоге получаем T у = [-ln(Δ)]·T.

При Δ = 0,05 T у = - ln(0.05)·T ≈ 3·T.

Другими словами, время переходного процесса апериодического звена I-ого порядка приблизительно в 3 раза превышает постоянную времени.

Передаточная функция звена в общем случае представляет собой отношение двух полиномов:

Полином произвольного порядка можно разложить на простые множители k 1 p ; (d 1 p + d 2 ); (d 1 p 2 + d 2 p + d 3 ), поэтому передаточную функцию можно представить как произведение простых множителей или простых дробей вида:

;
;
.

Звенья, передаточные функции которых имеют вид простых множителей или простых дробей, называют типовыми или элементарными звеньями. Элементарные множители, представляющие собой полиномы первого и второго порядка, преобразовываются к стандартному виду, принятому в теории автоматического управления:

;
,

    k (k  0) - коэффициент передачи ,

    T (T  0) - постоянная времени (имеет размерность единицы времени),

     - коэффициент демпфирования (затухания) .

Основные типы звеньев делятся на: позиционные, дифференцирующие и интегрирующие.

Позиционными з веньями называются такие звенья, в передаточной функции которых многочлены M (p ) и N (р ) имеют свободные члены.

У дифференцирующих звеньев в передаточной функции отсутствует свободный член числителя, т.е. для однократно дифференцирующих звеньев передаточная функция имеет вид:

, где M 1 (p ) - свободный член.

У интегрирующих звеньев в передаточной функции отсутствует свободный член знаменателя, т.е.:

.

1. Апериодическое звено . Стандартная форма записи уравнения звена:

А

а ) б )

Рисунок 13. Схемы реализации

апериодического звена

периодическими звеньями являютсяRC и RL цепи, входные и выходные величины которых показаны соответственно на рисунке 13, а и 13, б .

В операторной форме напряжение и ток на выходе для схемы (рис. 13, а ) соответственно равны:

и

.

Рисунок 14. Характеристики

апериодического звена первого порядка

Передаточная функция апериодического звена:

В общем случае передаточная функция апериодического звена имеет вид:

где: k = 1, T = RC .

Переходная функция апериодического звена (рис. 14,а ):

.

Весовая функция апериодического звена (рис. 14,б ):

Если характеристики этих функций получены экспериментально, по ним можно определить значения T и k и получить уравнение звена. За длительность переходного процесса принимают время, в течение которого выходная величина достигает 95% ее конечного значения.

Амплитудно-фазовая частотная характеристика (АФЧХ) апериодического звена (рис. 14,в ):

где:
,
.

Эта характеристика представляет собой полуокружность с радиусом k /2 и центром с координатами (k /2; j = 0) на действительной оси.

Амплитудно-частотная (АЧХ) апериодического звена:

Фазовая частотная характеристики (ФЧХ) апериодического звена:

Логарифмическая амплитудная частотная характеристика (ЛАЧХ) апериодического звена (рис. 14,г ):

Приближенно ЛАЧХ можно заменить двумя асимптотами, к которым она стремится при → 0 и → . Приближенная ЛАЧХ называется асимптотической .


Обе асимптоты пересекаются в точке, соответствующей = 1/T . Эта частота называется сопрягающей .

На фазовой частотной характеристике (ФЧХ) при →  значение φ изменяется от 0 до минус π/2.

2. Колебательное звено . Уравнение колебательного звена имеет вид:
.

Рисунок 15. Схема реализации

колебательного звена

Оно представляет собой последовательное соединение RLC элементов (рис. 15 ).

В операторной форме напряжение на выходе колебательного звена:

, где:
,
.

Принято обозначать Т 0 = Т , Т 1 = 2ξТ , тогда передаточная функция колебательного звена имеет вид:

Коэффициент ξ (дзета) называется коэффициентом демпфирования (затухания). Если 0 < ξ < 1, звено называется колебательным; если ξ = 0 (Т 1 = 0), звено называется консервативным , если ξ ≥ 1 - апериодическим звеном второго порядка.

А

Рисунок 16. Характеристики

колебательного звена

периодическое звено второго порядка можно представить как последовательное соединение двух апериодических звеньев первого порядка. Оно не относится к числу элементарных звеньев.

В общем случае амплитудно-фазовая частотная характеристика звена (рис. 16,а ):

где k = 1.

Умножив числитель и знаменатель на комплексно сопряженное знаменателю выражение, получим:

Отсюда вещественная и мнимая частотные характеристики колебательного звена:

и

Амплитудно-частотная характеристика колебательного звена (АЧХ):

Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) колебательного звена:

При малых значениях частоты ω<1/Т = ω с в выражении
можно пренебречь величинойТ 2 ω 2 , а при значениях частоты ω>1/Т в выражении
можно пренебречь единицей и слагаемым (2ξТω ) 2 . Тогда уравнение асимптотической ЛАЧХ колебательного звена можно записать:

Асимптотическая ЛАЧХ (рис. 16,б ) при ω<1/Т = ω с (ω с - сопрягаемая частота) параллельна оси частот, а при ω ≥ 1/Т имеет наклон минус 40 дБ/декаду. При значениях 0,5<ξ<1 характеристика близка к ломанной линии, если ξ<0,5, то получается заметный «горб», который уходит в бесконечность при ξ → 0. Роль постоянных времени Т 0 и Т 1 в уравнении колебательного звена следующая: постоянная Т 0 - «раскачивает» колебания, а Т 1 - демпфирует их.

Фазовая частотная характеристика (ФЧХ) (рис. 16,б ) изменяется монотонно в интервале от 0 до - :

Переходная функция колебательного звена (рис. 16,в ) при нулевых начальных условиях:

,

где:
;
;
.

При
переходная характеристика представляет собой график гармонических колебаний.

Весовая функция колебательного звена :

СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ЛИНЕЙНЫХ САУ

Типовые звенья линейных САУ

Любые сложные САУ могут быть представлены как совокупность более простых элементов (вспомним функциональные и структурные схемы ). Поэтому для упрощения исследования процессов в реальных системах они представляются в виде совокупности идеализированных схем , которые точно описываются математически и приближенно харак­теризуют реальные звенья систем в определенном диапазоне частот сигналов.

При составлении структурных схем вводятся некие типовые элементарные звенья (простые, далее не делимые), характеризующиеся только своими передаточными функциями , вне зависимости от их конструктивного исполнения, назначения и принципа действия. Классифицируют их по видам уравнений описывающих их работу. В случае линейных САУ различают следующие типы звеньев :

1.Описываемые линейными алгебраическими уравне­ниями относительно выходного сигнала :

а) пропорциональное (статическое, безынерционное);

б) запаздывающее .

2.Описываемые дифференциальными уравнениями первого порядка с постоянными коэффициентами :

а) дифференцирующее ;

б) инерционно-дифференцирующее (реальное дифферен­цирующее);

в) инерционное (апериодическое);

г) интегрирующее (астатическое);

д) интегро-дифференцирующее (упругое).

3.Описываемые дифференциальными уравнениями вто­рого порядка с постоянными коэффициентами :

а) инерционное звено второго порядка (апериодическое звено второго порядка, колебательное).

Используя математический аппарат, изложенный выше, рассмотрим передаточные функции , переходные и импульсные переходные (весовые) характеристики , а также частотные характеристики этих звеньев.

При­ведем формулы, которые будут использованы для этой цели.

1. Передаточная функция : .

2. Переходная характеристика : .

3. : или .

4. КЧХ : .

5. Амплитудная частотная характеристика : ,

где , .

6. Фазовая частотная характеристика : .

По этой схеме и исследуем типовые звенья.

Заметим, что хотя для некоторых типовых звеньев n (порядок производной выходного параметра в левой части уравнения) равняется m (порядок производной входного параметра в правой части уравнения), а не больше m , как говорилось ранее, однако при конструировании реальных САУ из этих звеньев условие m для всего САУ обычно всегда выполняется.

Пропорциональное (статическое , безынерционное ) звено . Это самое простое звено , вы­ходной сигнал которого прямо пропорционален входному сигналу :

где k - коэффициент пропорциональности или передачи звена.

Примерами такого звена являются: а) клапаны с линеаризованными характеристиками (когда изменение расхода жидкости пропорционально степени изменения положения штока ) в рассмотренных выше примерах систем регулирования; б) делитель напряжения; в) рычаж­ная передача и др.

Переходя в (3.1) к изображениям, имеем:

1. Передаточная функция : .

2. Переходная характеристика : , следовательно .

3. Импульсная переходная характеристика : .

4. КЧХ : .

6. ФЧХ: .

Принятое описание связи между входом и выходом справедливо только для идеального звена и соответствует реальным звеньям лишь при низких частотах , . При в реальных звеньях коэффициент передачи k начинает зависеть от частоты и при высоких частотах падает до нуля.

Запаздывающее звено . Это звено описывается уравне­нием

где – время запаздывания.

Примером запаздывающего звена служат: а) длинные электрические линии без потерь; б) длинный трубопровод и др.

Передаточная функция , переходная и импульсная переходная характеристика , КЧХ, а также АЧХ и ФЧХ этого звена:

2. , значит: .

На рис.3.1 изображены: а) годограф КЧХ запаздывающего звена ; б) АЧХ и ФЧХ запазды­вающего звена. Заметим, что при увеличении конец вектора описывает по часовой стрелке все возрас­тающий угол.

Рис.3.1 . Годограф (а) и АЧХ, ФЧХ (б) запаздывающего звена.

Интегрирующее звено . Это звено описывается уравне­нием

где - коэффициент передачи звена.

Примерами реальных элементов, эквивалентные схемы которых сводятся к интегрирующему звену , являются: а) электрический конденсатор, если считать входным сигналом ток, а выходным – напряжение на конденсаторе: ; б) вращающийся вал, если считать входным сигналом угловую скорость вращения, а выходным – угол поворота вала: ; и т.д.

Определим характеристики данного звена:

2. .

Воспользуемся таблицей преобразования Лапласа 3.1, получаем:

.

Умножаем на так как функция при .

3. .

4. .

На рис.3.2 показаны: а) годограф КЧХ интегрирующего звена; б) АЧХ и ФЧХ звена; в) переходная характеристика звена.

Рис.3.2 . Годограф (а), АЧХ и ФЧХ (б), переходная характеристика (в) интегрирующего звена.

Дифференцирующее звено . Это звено описывается урав­нением

где – коэффициент передачи звена.

Найдем характеристики звена:

2. , учитывая, что , находим: .

3. .

4. .

На рис.3.3 показаны: а) годограф звена; б) АЧХ и ФЧХ звена.

а ) б )

Рис. 3.3 . Годограф (а), АЧХ и ФЧХ (б) дифференцирующего звена.

Примером дифференцирую­щего звена являются идеальный конденсатор и индуктивность . Это следует из того, что напряжение u и ток i связаны для конденсатора С и индуктивности L соответственно следующими соотношениями:

Отметим, что реальная емкость обладает небольшой емкостной индуктивностью , реальная индуктивность имеет межвитковую емкость (которые особенно сильно проявляются на больших частотах), что приводит указанные выше формулы к следующему виду:

, .

Таким образом, дифференцирующее звено не может быть технически реализовано , так как порядок пра­вой части его уравнения (3.4) больше порядка левой части. А нам известно, что должно выполняться условие n > m или, в крайнем случае, n = m .

Однако можно прибли­зиться к этому уравнению данного звена , использовав инерционно-дифференцирующее (реальное дифференцирующее )звено .

Инерционно-дифференцирующее (реальное дифференцирующее ) звено описывается уравнением:

где k - коэффициент передачи звена, Т - постоянная времени.

Передаточная функция , переходная и импульсная переходная характеристики , КЧХ, АЧХ и ФЧХ этого звена определяются формулами:

Используем свойство преобразования Лапласа – смещение изображения (3.20), согласно которому: если , то .

Отсюда: .

3. .

5. .

6. .

На рис.3.4 приведены: а) график КЧХ; б) АЧХ и ФЧХ звена.

а ) б )

Рис.3.4 . Годограф (а), АЧХ и ФЧХ реального дифференцирующего звена.

Для того чтобы свойства реального дифференцирующего звена приближались к свойствам идеального , необходимо одновременно увеличивать коэффициент передачи k и уменьшать постоянную времени Т так, чтобы их произведение оста­валось постоянным:

kT = k д,

где k д – коэффициент передачи дифференцирующего звена.

Отсюда видно, что в размерность коэффициента передачи k д дифференцирующего звена входит время .

Инерционное звено первого порядка (апериодическое звено ) одно из самых распространен­ных звеньев САУ. Оно описывается уравнением:

где k – коэффициент передачи звена, Т – постоянная времени.

Характеристики данного звена определяются формулами:

2. .

Пользуясь свойствами интегрирования оригинала и смещением изображения имеем:

.

3. , т.к. при , то на всей временной оси данная функция равна 0 ( при ).

5. .

6. .

На рис.3.5 показаны: а) график КЧХ; б) АЧХ и ФЧХ звена.

Рис.3.5 . Годограф (а), АЧХ и ФЧХ инерционного звена первого порядка.

Интегро-дифференцирующее звено . Это звено описы­вается дифференциальным уравнением первого порядка в наиболее общем виде:

где k - коэффициент передачи звена, Т 1 и Т 2 - постоянные времени.

Введем обозначение:

В зависимости от значения t звено будет обладать раз­личными свойствами. Если , то звено по своим свойствам будет приближаться к интегрирующему и инерционному звеньям. Если , то данное звено по свойствам будет ближе к диф­ференцирующему и инерционно-дифференцирующему .

Определим характеристики интегродифференцирующего звена :

1. .

2. , отсюда следует:

Т.к. при t ® 0, то:

.

6. .

На рис.3.6. приведены: а) график КЧХ; б) АЧХ; в) ФЧХ; г) переходная характеристика звена.

а ) б )

в ) г )

Рис.3.6 . Годограф (а), АЧХ (б), ФЧХ (в), переходная характеристика (г) интегродифференцирующего звена.

Инерционное звено второго порядка . Это звено описывается дифференциальным уравнением второго порядка:

где (капа) – постоянная затухания; Т - постоянная времени, k - коэффициент передачи звена.

Реакция системы, описываемой уравнением (3.8), на единичное ступенчатое воздействие при представляет собой затухающие гармонические колебания , в этом случае звено еще называется колебательным . При колебания не возник­нут, и звено , описываемое уравнением (3.8) называется апериодическим звеном второго порядка . Если , то колебания будут незатухающими с частотой .

Примером конструктивного выполнения данного звена могут служить: а) электрический колебательный контур, содержащий емкость , индуктивность и омичес­кое сопротивление ; б) масса , подвешенная на пружине и имеющая демпфирующее устройство , и т.д.

Определим характеристики инерционного звена второго порядка :

1. .

2. .

Корни характеристического уравнения стоящего в знаменателе определяются:

.

Очевидно, что здесь возможно три случая:

1) при корни характеристического уравнения отрицательные вещественные разные и , тогда переходная характеристика определяется:

;

2) при корни характеристического уравнения отрицательные вещественные одинаковые :

3) при корни характеристического уравнения звена являются комплексно -сопряженными , причем

переходная характеристика определяется формулой:

,

т.е., как отмечалось выше, она приобретает колебательный характер .

3. Также имеем три случая:

1) ,

т.к. при ;

2) , т.к. при ;

3) , т.к. при .

5. .

На первом этапе проектирования САУ решаются задачи синтеза системы на основании данных о назначении системы и конструктивных особенностях объекта управления. При формировании структуры САУ на этом этапе используют функционально необходимые элементы систем, так называемые звенья САУ (датчики величин, преобразователи сигналов, регуляторы, исполнительные устройства и т.д.).

Вторым этапом проектирования САУ является анализ соответствия качественных характеристик проектируемой системы требуемым. Для проведения всех видов анализа САУ, рассмотренных в разделе 3, необходимо иметь ее модель в виде дифференциального уравнения вида (1) или передаточной функции вида (2).

Для получения моделей САУ вводят понятие типового элементарного звена . Под типовым элементарным звеном понимают совокупность элементов САУ, динамические процессы в которых описываются линейным дифференциальным уравнением вида (1) не выше второго порядка (n £ 2). Введение элементарных звеньев дает возможность свести все многообразие технических устройств к небольшому количеству типовых звеньев, что позволяет использовать общие методы анализа для любых САУ. Типы элементарных звеньев САУ приведены в Приложении 1.

Усилительное безынерционное звено

К звеньям этого типа относится любой элемент САУ, у которого в каждый момент времени существует пропорциональная зависимость между выходной величиной y (t ) и входным воздействием x (t ), т.е. это звено не только в статике, но и в динамике описывается алгебраическим уравнением вида:

y (t ) = k × x (t ),

где k – коэффициент статического преобразования (коэффициент усиления) звена.

Строго говоря усилительное звено не является динамическим, поскольку изменение y (t ) происходит мгновенно, сразу вслед за изменением x (t ). Говорят, что дифференциальное уравнение звена имеет нулевой порядок. Передаточная функция звена имеет вид W (p ) = k .

При подаче на вход единичной ступеньки x (t ) = 1(t ) на выходе мгновенно будет получен такой же сигнал, усиленный в k раз (рис. 35).

Рис. 35

Понятно, что ни одно реальное техническое устройство не может мгновенно преобразовывать входное воздействие, однако быстродействие некоторых элементов САУ столь велико (длительность переходного процесса составляет величину менее секунды), что их можно считать звеньями этого типа. Примерами таких элементов является потенциометр, рычаг, электронный усилитель. В первом приближении, без учета явления скручивания и люфта, усилительным безынерционным звеном можно считать редуктор.

В литературе встречаются и другие названия усилительного безынерционного звена: усилитель , идеальное усилительное или пропорциональное звено .

Апериодическое звено первого порядка

Звено этого типа (см. Приложение 1) описывается дифференциальным уравнением первого порядка:

,

где k – коэффициент статического преобразования (коэффициент усиления) звена; Т – некоторая постоянная, имеющая размерность времени (постоянная времени звена).

На рис. 36 показаны переходные характеристики апериодических звеньев первого порядка с k = 10 и разными постоянными времени Т . Видно, что при увеличении Т выходная величина звена y (t k , т.е. постоянная времени Т характеризует инерционность звена, и определяет время переходного процесса t p . В практических расчетах t p для апериодического звена первого порядки принимают приближенно равным 3×Т .

Рис. 36

.

Апериодическими звеньями первого порядка являются такие устройства САУ, как электрические RL - и RC -контуры (используются в качестве корректирующих устройств САУ), электрический генератор постоянного тока (используется в качестве управляющего устройства САУ), датчик температуры – термопара, проточный резервуар с жидкостью или газом (объекты управления в химико-технологических САУ) и многое другое.

Получим модель динамики RC -контура теоретическим способом: запишем уравнения входной и выходной цепей (рис. 37) по закону Кирхгофа:

Рис. 37

U вх (t ) и выходную – U вых (t ) переменные RC i (t

,

i (t ) в уравнение входной цепи:

.

Полученное уравнение соответствует дифференциальному уравнению апериодического звена первого порядка, для которого постоянная времени Т = R ×C , т.е. определяется номиналами резистора и конденсатора, используемых в RC -контуре; k = 1; y (t ) = U вых (t ); x (t ) = U вх (t ).

В литературе встречаются и другие названия апериодического звена первого порядка: инерционное звено первого порядка или релаксационное звено .

4.3. Апериодическое звено второго порядка и колебательное
устойчивое

Апериодическое звено второго порядка и колебательное устойчивое звено имеют общую форму дифференциального уравнения (см. Приложение 1):

,

но апериодическим второго порядка звено с таким уравнением называется при условии , а колебательным – при условии .

Общий вид передаточной функции для обоих звеньев:

.

Заметим, что при условии уравнение
будет иметь положительный дискриминант и, соответственно, действительные корни. Это позволяет разложить знаменатель передаточной функции апериодического звена второго порядка на множители вида:

где
.

Если учесть, что при последовательном соединении звеньев их передаточные функции перемножаются, то получается, что апериодическое звено второго порядка эквивалентно двум апериодическим звеньям первого порядка, включенным последовательно друг за другом, с общим коэффициентом статического преобразования k и постоянными времени Т 3 и Т 4 .

На рис. 38 показаны переходные характеристики двух апериодических звеньев второго порядка с k = 5 и разными постоянными времени Т 1 и Т 2 . Видно, что при увеличении Т 1 и Т 2 выходная величина звена y (t ) медленнее достигает установившегося значения, равного k , т.е. постоянные времени и для этого звена определяют время переходного процесса.

Важно! Обратите внимание: несмотря на визуальное сходство переходных характеристик апериодических звеньев первого и второго порядков они имеют принципиальные отличия. Характеристика 2-го порядка имеет точку перегиба: в нулевой момент времени скорость изменения y (t ) минимальна, затем она возрастает до точки перегиба, а после нее убывает. Начальный участок переходных характеристик звеньев второго порядка (для t от 0 до 0,5 секунд) показан на рис. 38 в выделенном увеличенном фрагменте. Там же для сравнения приведен аналогичный участок характеристик звеньев первого порядка, показанных на рис. 36. Видно, что для них скорость изменения y (t ) максимальна в момент времени t = 0. Далее, за время t р скорость изменения y (t ) убывает до нуля (см. рис. 36).

Интервал времени до точки перегиба переходной характеристики апериодического звена второго порядка рассчитывается по формуле:

.

При условии , т.е. для колебательного устойчивого звена, знаменатель передаточной функции
будет иметь отрицательный дискриминант и, соответственно, комплексно-сопряженные корни. Из теории дифференциальных уравнений известно, что свободное движение такой системы содержит гармонические составляющие (синус, косинус), что дает колебания выходной величины при изменении входного сигнала.

Передаточную функцию колебательного звена принято записывать в виде:

где Т – постоянная времени колебательного звена; x – коэффициент затухания (для колебательного устойчивого звена 0 < x < 1). Чем больше x, тем быстрее затухают колебания переходной характеристики звена. При x = 0 получается колебательное гармоническое звено, которое дает незатухающие колебания на выходе (см. Приложение 1). При x ³ 1 имеем апериодическое звено второго порядка.

На рис. 39 показаны переходные характеристики двух колебательных звеньев с одинаковыми k = 8 и постоянной времени Т = 1, и разными коэффициентами затухания x. Видно, что колебательность переходной характеристик и перерегулирование у звена с x = 0,25 больше, чем у звена с x = 0,5.

На рис. 40 показаны переходные характеристики двух колебательных звеньев с одинаковыми значениями коэффициента статического преобразования k = 8 и коэффициента затухания x = 0,3, и разными значениями постоянной времени Т . Видно, что время переходного процесса у звена с Т = 2 больше, чем у звена с Т = 1.

Рис. 39
Рис. 40

Колебательными или апериодическими звеньями второго порядка (в зависимости от значений технических характеристик, определяющих соотношение постоянных времени Т 1 и Т 2) являются такие устройства САУ, как электрический RLC -контур; двигатель постоянного тока (см. вывод модели динамики в разделе 2.3.1), упругие механические передачи, например для передачи вращательного движения с упругостью, моментом инерции и коэффициентом скоростного трения, дифманометр (датчик для измерения перепада давления) и другие устройства.

Получим модель динамики RLC -контура теоретическим способом: запишем уравнения входной и выходной цепей (рис. 41) по закону Кирхгофа:

Рис. 41

Целью моделирования является получение дифференциального уравнения вида (1), связывающего входную – U вх (t ) и выходную – U вых (t ) переменные RC -контура. Для этого нужно в уравнениях входной и выходной цепей избавиться от промежуточной внутренней переменной контура – тока i (t ). Продифференцируем уравнение выходной цепи:

,

и подставим результат выражения i (t ) в уравнение входной цепи:

Т 1 = R ×C и , т.е. определяются номиналами резистора, конденсатора и катушки индуктивности, используемых в RLC -контуре; k = 1; y (t ) = U вых (t ); x (t ) = U вх (t ). Конкретный тип звена – апериодическое второго порядка или колебательное – зависит от соотношения постоянных времени Т 1 и Т 2 ( или соответственно), т.е. в конечном счете определяется номиналами R , L и C . Примеры переходных характеристик RLC -контуров показаны на рис. 42.

Рис. 42

Получим модель динамики механической системы с линейным перемещением, параметрами механических элементов которой являются масса, демпфирование (трение) и упругость (рис. 43). Заметим, что в рассматриваемой системе движение происходит только в одном направлении, перемещение в поперечном направлении не допускается.

Рассмотрим действие внешней силы F (t ) на изолированные механические элементы по отдельности. Для массы М по второму закону Ньютона:

,

где v (t ) – скорость; а (t ) – ускорение, а s (t ) – выходное линейное перемещение (см. рис. 43).

Скорость перемещения поршня демпфера под действием силы F (t ) определяется следующим образом:

,

где G – коэффициент сопротивления (демпфирования).

Рис. 43

Для упругой пружины в соответствии с законом Гука уравнение движения имеет вид:

,

где H – коэффициент упругости пружины.

В системе в целом (см. рис. 43) на тело массы М действуют три силы – внешняя сила F (t ), сила трения и упругая сила, следовательно, для суммы сил справедливо:

Полученное уравнение динамики имеет второй порядок, однако для приведения к форме стандартного дифференциального уравнения колебательного или апериодического звена второго порядка (см. Приложение 1) постоянный коэффициент слагаемого s (t ) в левой части должен быть равен 1. Приведем уравнение динамики к типовому виду, разделив левую и правую часть на коэффициент упругости пружины H :

Полученное уравнение соответствует дифференциальному уравнению, для которого постоянные времени Т 1 = G / H и , т.е. определяются массой, а также величинами G и H ; k = 1 / Н ; y (t ) = s (t ); x (t ) = F (t ).

Т.о., мы показали, что механическая система вида, приведенного на рис. 43, также является колебательным или апериодическим звеном второго порядка. Конкретный тип звена зависит от соотношения постоянных времени Т 1 и Т 2 ( или соответственно), т.е. в конечном счете определяется величинами M , G и H . Рассмотренная механическая система может быть использована, например, в качестве звена модели тормозной системы автомобиля в расчете на одно колесо (кроме рассмотренного звена в такой модели требуется учет массы автомобиля и упругости шины).

Из рассмотренных примеров видно, что, несмотря на различие устройств САУ и их назначения, их математические модели имеют вид одного и того же дифференциального уравнения второго порядка. Рассмотренные типы звеньев в литературе иногда называют инерционными звеньями второго порядка .

Интегрирующие звенья

Идеальным интегрирующим звеном называется такое звено, выходная величина которого пропорциональна интегралу по времени от входной величины (см. Приложение 1):

,

где k – коэффициент статического преобразования (коэффициент усиления) идеального интегрирующего звена, равный отношению скорости изменения выходной величины к входной.

Передаточная функция звена имеет вид:

.

Переходная характеристика идеального интегрирующего звена имеет вид наклонной прямой, так как интеграл геометрически представляет собой площадь, ограничиваемую графиком ступенчатого входного воздействия x (t ), которая возрастает с течением времени t . Решение дифференциального уравнения идеального интегрирующего звена имеет вид:

,

откуда для единичной ступеньки (x (t ) = 1 при t ³ 0) при нулевых начальных условиях y (0) = 0 получаем линейно возрастающую переходную характеристику y (t ) = k ×t . На рис. 44 показаны переходные характеристики идеальных интегрирующих звеньев с различными значениями k .

Рис. 44

Простейший бытовой пример идеального интегрирующего звена – ванна, в которую набирается вода. Входное воздействие x (t ) для этого объекта это приток (расход) воды через кран, а выходная величина y (t ) – уровень воды в ванне. При поступлении воды уровень растет, т.е. система «накапливает» (интегрирует) входной сигнал.

Примерами идеальных интегрирующих звеньев являются такие устройства САУ, как операционный усилитель, используемый в режиме интегрирования (рис. 45–а ) и гидравлический демпфер (рис. 45–б ).

Уравнение операционного усилителя, используемого в режиме интегрирования, имеет вид:

,

что соответствует уравнению идеального интегрирующего звена, для которого k = 1/R ×C , U вх = x (t ), U вых = y (t ).

Рис. 45
а )
б )

Для гидравлического демпфера входным воздействием является сила F , действующая на поршень, а выходной величиной – перемещение поршня s . Так как скорость движения поршня пропорциональна приложенной силе:

,

где G – коэффициент сопротивления (демпфирования), то перемещение поршня будет пропорционально интегралу от приложенной силы:

.

Полученное уравнение соответствует уравнению идеального интегрирующего звена, для которого k = 1/G , F (t ) = x (t ), s (t ) = y (t ).

Рассмотренная разновидность интегрирующих звеньев называется идеальной , т.к. его уравнение не учитывает инерционность описываемого звеном устройства САУ. В литературе этот тип звена иногда называют астатическим звеном.

Все реальные устройства вносят некоторое замедление в работу, поэтому более точной моделью реальных интегрирующих устройств является интегрирующее звено с замедлением

,

т.е. представляет собой произведение передаточных функций идеального интегрирующего звена и апериодического звена первого порядка. Т.о., интегрирующее звено с замедлением можно представить последовательным соединением этих двух разновидностей типовых звеньев. Таким звеном может быть описан двигатель, если в качестве выходной величины рассматривать не угловую скорость, а угол поворота, являющийся интегралом от угловой скорости, а также демпфер, если более точно рассматривать его уравнение движения .

Дифференцирующие звенья

Идеальное дифференцирующее дает на выходе величину, пропорциональную производной входного сигнала, т.е. скорости изменения входного воздействия (см. Приложение 1):

,

где k – коэффициент статического преобразования (коэффициент усиления) идеального дифференцирующего звена. Передаточная функция звена имеет вид: .

Дифференцирующее звено реагирует не на изменение самой входной величины, а на изменение ее производной, то есть на тенденцию развития событий. Поэтому говорят, что дифференцирующее звено обладает упреждающим, прогнозирующим действием. С его помощью можно ускорить реакцию САУ на изменяющиеся входные воздействия.

Проанализируем форму переходной характеристики идеального дифференцирующего звена (см. Приложение 1). При подаче на вход звена единичной ступеньки x (t ) = 0 для t < 0 и x (t ) = 1 для t > 0. Производная постоянной величины равна нулю, следовательно, y (t ) = 0 для t < 0 и для t > 0. И только в момент непосредственного изменения входного воздействия с нуля на единицу, т.е. в момент времени t = 0, производная входного сигнала dx (t )/dt не равна нулю:

В результате переходная характеристика идеального дифференцирующего звена в момент времени t = 0 теоретически имеет форму импульса с бесконечно большой амплитудой и бесконечно малой длительностью. Понятно, что такую переходную характеристику невозможно получить с использованием реального устройства САУ. Поэтому идеальное дифференцирующие звено, а также звенья этого типа первого и второго порядков (см. Приложение 1) являются модельными и относятся к физически нереализуемым звеньям.

Приближенно в качестве идеального дифференцирующего звена может рассматриваться операционный усилитель, включенный в режиме дифференцирования (рис. 46–а ), и тахогенератор постоянного тока, если в качестве входной величины рассматривать угол поворота его ротора a(t ), а в качестве выходной – напряжение якоря U я (t ) (рис. 46–б ).

В тахогенераторе постоянного тока при неизменном потоке возбуждения напряжение якоря можно считать пропорциональным угловой скорости вращения. В свою очередь скорость вращения есть производная от угла поворота:

,

что соответствует дифференциальному уравнению идеального дифференцирующего звена с коэффициентом статического преобразования k , y (t ) = U я (t ); x (t ) = a(t ).

Практически дифференцирующие устройства САУ вносят некоторое замедление в работу (обладают инерционностью), поэтому более точной моделью реальных устройств является дифференцирующее звено с замедлением , передаточная функция которого имеет вид:

,

т.е. представляет собой произведение передаточных функций идеального дифференцирующего звена и апериодического звена первого порядка. Т.о., дифференцирующее звено с замедлением можно представить последовательным соединением этих двух разновидностей типовых звеньев. Примерами дифференцирующего звена с замедлением могут служить трансформатор, емкостной дифференцирующий контур (рис. 47–а ) и механическое дифференцирующее устройство, состоящее из пружины и демпфера (рис. 47–б ).

Рис. 47
а )
б )

Получим модель динамики емкостного дифференцирующегоконтура (см. рис. 47–а ). Запишем уравнения входной и выходной цепей по закону Кирхгофа:

Продифференцируем уравнение входной цепи:

,

и подставим в него ток i (t ), выразив его из уравнения выходной цепи:

Выведем передаточную функцию емкостного дифференцирующегоконтура:

Полученная W (p k = T = R ×C .

Получим модель динамики механического дифференцирующего устройства (см. рис. 47–б ) для y (t ) = s вых (t ); x (t ) = s вх (t ) в предположении, что элемент трения (демпфер) и упругости (пружина) имеют нулевую массу. Уравнение движение демпфера для данного случая имеет вид:

,

где G – коэффициент сопротивления (демпфирования). Для пружины с коэффициентом упругости H уравнение движения имеет вид:

,

следовательно, после подстановки:

Выведем передаточную функцию механического дифференцирующего устройства:

Полученная W (p ) соответствует передаточной функции дифференцирующего звена с замедлением, у которого k = T = G /H .

Рекомендуем почитать