3. Временные характеристики объектов управления.
Исследование временных характеристик объектов проводится с целью определения их инерционных свойств (времени переходных процессов, постоянных времени и чистого временного запаздывания). Инерционное запаздывание во многих объектах обусловлено наличием в них накопителей энергии (тепловой, механической, электромагнитной), так называемых емкостей.
Переходной характеристикой объектов (по управлению или по возмущению) называется реакция объекта на единичное ступенчатое воздействие или . Во время переходных процессов происходит энергетический, информационный ил имматериальный обмен между отдельными элементами (емкостями) объекта и между внешней средой и объектом. В процессе этого обмена потоки энергии, сигналы, несущие информацию или вещество, встречают сопротивления различной физической природы, что приводит к появлению инерционного запаздывания. Например, в процессе теплопередачи потоки тепловой энергии встречают тепловое сопротивление элементов конструкции объекта; в электрических цепях энергетическому обмену препятсвуют реактивные сопротивления; в механических системах момент инерции механизмов препятствует изменению их пространственного положения; в человеко-машинных системах инерционные свойства человека-оператора определяются физиологическими особенностями человеческого организма.
Кроме инерционного запаздывания в некоторых объектах имеется еще чистое (транспортное) временное запаздывание, обусловленное самой конструкцией объекта. Например, конвейерные линии, транспортеры, трубопроводы, системы дальней космической связи и другие. В таких объектах входная величина задерживается (запаздывает) на время распространения по каналу передачи.
Необходимо отметить, что инерционные свойства объектов существенно влияют на качественные показатели процесса управления. Поэтому изучение временных характеристик объектов управления является одной из главных задач их идентификации.
Временные характеристики объектов могут определяться аналитическими и экспериментальными методами. Аналитические методы используются в тех случаях, когда известен оператор объекта (дифференциальное уравнение, передаточная функция и т.д.).
Наиболее распространен экспериментальный метод получения временных характеристик объектов. На вход объекта подаются ступенчатые или импульсные управляющие или возмущающие воздействия, и фиксируется реакция на эти воздействия, т.е. записываются переходные или весовые характеристики. При этом контрольно-измерительная аппаратура должна быть возможно более высокого класса точности, а ее инерционность значительно меньше инерционности самого объекта. Момент приложения ступенчатого воздействия и момент начала записи должны быть синхронизированы во времени. Для достижения результатов эксперимента необходимо стабилизировать условия работы объекта и повторять эксперимент несколько раз.
Если объект подвержен случайным возмущениям, то переходная (или весовая) характеристики будет представлять собой некоторую функцию, состоящую из полезного и случайного сигналов. Для выделения полезного сигнала используются различные методы усреднения и сглаживания. Наиболее простым из них является метод скользящего усреднения. Несмотря на большое разнообразие объектов управления, их временные характеристики могут быть отнесены к нескольким характерным группам. В табл. 2 приведены переходные характеристики некоторых простых устойчивых и нейтральных объектов.
Явление самовыравнивания в объектах объясняется наличием связи между регулируемой величиной и стоком или притоком энергии. Объекты, в которых сток или приток энергии не связан с регулируемой величиной, не имеют самовыравнивания и без регуляторов работать не могут. Более сложными являются двух- и многоемкостные объекты, включающие в себя несколько накопителей энергии. Характер переходных процессов в таких объектах определяется коэффициентом демпфирования (затухания), который в свою очередь зависит от соотношения параметров объекта. В многоемкостных объектах также может появиться чистое временное запаздывание, являющееся следствием процессов, протекающих внутри самого объекта. Для анализа таких объектов иногда бывает удобнее выделить чистое запаздывание и отнести его к условному звену.
Объекты, не допускающие ступенчатое воздействие, часто исследуются путем подачи на вход короткого импульса с допустимыми параметрами.
Для некоторых объектов бывает необходимо исследовать их реакцию на воздействие (см. табл. 2). Например, для следящего электропривода эти воздействия являются наиболее характерными.
Одним из эффективных способом проверки точности математического описания объекта является решение составленного уравнения на АВМ или ЦВМ с последующим сравнительным анализом с экспериментальными данными.
Таблица №2. Переходные характеристики некоторых
простых объектов.
