- •3. Характеристики и модели типовых динамических звеньев линейных систем управления
- •3.1 Классификация звеньев
- •Значения коэффициентов уравнения (3.1) типовых звеньев
- •3.2. Безынерционное звено
- •3.3. Инерционное звено первого порядка
- •3.4. Инерционные звенья второго порядка
- •Передаточная функция колебательного звена
- •Афх колебательного звена (рис. 3.8,е) описывается функцией
- •3.5. Интегрирующие звенья
- •3.6. Дифференцирующие звенья
- •3.7. Звено запаздывания
- •Контрольные задания и вопросы
Афх колебательного звена (рис. 3.8,е) описывается функцией
(3.50)
ей соответствует АЧХ (рис. 3.8,в)
(3.51)
и ФЧХ (рис. 3.8,г)
(3.52)
АЧХ при частоте
(3.53)
имеет максимум (резонансный пик), равный
(3.54)
Максимум
существует, если
т.
е. если<0,707.
Из выражений (3.53) и (3.54) следует: чем меньше коэффициент , тем ближе резонансная частота р=м к собственной частоте незатухающих колебаний о=1/Т и тем больше резонансный пик.
Таким образом, по графику АЧХ (см. рис. 3.8,в) видно, что колебательное звено, как и все инерционные звенья, хорошо пропускает сигналы низкой частоты и плохо – сигналы высокой частоты; если частота гармонического входного сигнала близка к частоте собственных колебаний звена, то отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного больше передаточного коэффициента k.
Аналоговая модель инерционного звена второго порядка представлена на рис. 3.9. Коэффициенты аналоговой модели
![]()
(3.55)
Рис. 3.9. Модель инерционного звена второго порядка
Инерционными звеньями второго порядка являются обычно такие конструктивные элементы СУ, которые содержат два накопителя энергии или вещества. Если в одном из них накапливается потенциальная энергия, а в другом – кинетическая, то элемент системы может обладать колебательными свойствами. Колебательность элемента зависит от условий обмена энергии между указанными накопителями: если канал передачи энергии обладает существенным сопротивлением (электрическим или механическим), то в нём происходит заметное поглощение или рассеивание энергии, и элемент близок по своим свойствам к апериодическому звену второго порядка; если же потери энергии при обмене незначительны, то процесс обмена будет иметь колебательный характер.
Мерой потерь энергии в канале передачи служит коэффициент демпфирования : чем меньше потери, тем меньше ; в пределе, когда сопротивление канала равно нулю и потерь нет, коэффициент =0. При этом элемент сохраняет в себе неизменным первоначальный запас энергии, и колебательный процесс обмена энергией между накопителями не затухает.
Классическим примером инерционного звена второго порядка служит четырёхполюсник, состоящий из резистора r, индуктивности L и конденсатора C (см. рис. 3.10,а). Коэффициенты дифференциальных уравнений (3.34) и (3.44) для этого четырёхполюсника
(3.56)
П
риr=0
параметры T1=0
и =0
и четырёхполюсник становится идеальным
колебательным контуром.
Рис. 3.10. Инерционные звенья второго порядка
Другим распространённым примером инерционного звена второго порядка является электрический двигатель постоянного тока с независимым возбуждением (рис. 3.10,б). Если в качестве входной переменной рассматривать ЭДС eи, подводимую от источника регулируемого напряжения, а в качестве выходной – частоту вращения вала n (об/с), то двигатель по этому каналу описывается передаточной функцией
(3.57)
где
kд
– ПК двигателя по управляющему
воздействию, (об/с)/В; Тэ
– электромагнитная постоянная времени,
с;
– электромеханическая постоянная
времени, с.
Инерционность двигателя обусловлена процессами накопления электромагнитной энергии в индуктивности якорной цепи и кинетической – во вращающихся массах. Потери энергии происходят в активном сопротивлении якорной цепи.
Параметры
передаточной функции (3.57) для серийных
двигателей постоянного тока находятся
в пределах: kд=(0,01…0,03)
(об/с)/В; Тэ=(0,01…0,1)
с; Тм=(0,01…0,1)
с. Причём у двигателей средней и большой
мощности всегда
и коэффициент демпфирования
т. е. двигатель эквивалентен апериодическому
звену второго порядка.
В заключение отметим о б щ и е с в о й с т в а с т а т и ч е с к и х (п о-
з и ц и о н н ы х) з в е н ь е в, рассмотренных в разделах 3.2, 3.3 и 3.4.
В установившемся режиме выходная переменная узвена однозначно связана с входнойxуравнением статики
(3.58)
ПК звена связан с ПФ отношением
(3.59)
Звенья являются фильтрами низкой частоты (кроме безынерционного),
т. е. хорошо пропускают низкочастотные сигналы и плохо – высокочастотные; в режиме гармонических колебаний они создают отрицательные фазовые сдвиги.
