8.2. Правила преобразования структурных схем

Последовательное соединение звеньев. Это такое соединение, когда выходная переменная каждого предыдущего звена является входным воздействием для последующего звена (и только для него одного) (рис. 8.6).

Передаточная функция последовательно соединённых звеньев равна произведению их передаточных функций:

.

Рис. 8.6

Параллельное соединение звеньев. Это такое соединение, когда на вход всех звеньев подается один и тот же сигнал, а выходная переменная равна сумме выходных переменных звеньев (рис. 8.7).

При параллельном соединении пзвеньев эквивалентная передаточная функция

.

Рис. 8.7

Встречно-параллельное соединение звеньев. При таком соединении звеньев на вход звена подается не только входная переменная, но и выходная переменная по цепи отрицательной обратной связи (рис. 8.8).

Рис. 8.8

Передаточная функция эквивалентного звена равна

.

Перенос узла суммирования через звено (рис. 8.9, а). В зависимости от направления переноса сумматора преобразованная структурная схема принимает следующий вид: рис. 8.9, б соответствует переносу сумматора «против хода сигнала», а рис. 8.9, в – «по ходу сигнала».

Рис. 8.9

Рис. 8.10

Перенос точки разветвления через звено (рис. 8.10, а). Данное преобразование иллюстрируется рисунком (переносу «против хода сигнала» соответствует схема на рис. 8.10, б, а «по ходу сигнала» – рис. 8.10, в).

8.3. Передаточные функции замкнутой системы

При анализе замкнутых систем часто полагают, что помеха (возмущение) отсутствует (например, при анализе устойчивости или точности при детерминированном воздействии). Это позволяет представить обобщённую структурную схему, изображённую на рис. 8.5, в виде схемы (рис. 8.11).

Рис. 8.11

Используя изложенные правила преобразования (последовательное и встречно-параллельное соединения звеньев), для передаточной функции замкнутой системы можем записать:

(8.4)

В ряде задач (например, при анализе точности при типовых воздействиях) необходимо знать передаточную функцию «от воздействия к ошибке», т. е.

Рассматривая последовательно соединённые звенья (рис. 8.11) как цепь обратной связи (ошибка e в данном случае является выходной переменной) и используя правило преобразования при встречно-параллельном соединении звеньев находим

(8.5)

Сравнивая выражения (8.4) и (8.5), замечаем, что между указанными передаточными функциями существует однозначное соответствие:

.(8.6)

При исследовании точности следящих систем при воздействии помех требуется знание передаточной функции «от помехи к ошибке»:

Для её нахождения преобразуем обобщённую схему (рис. 8.5) в схему (рис.8.12).

Рис. 8.12

На схеме (рис. 8.12) суммирующий узел заменён элементом сравнения, а коэффициент передачи дискриминатора взят с противоположным знаком. Это позволяет свести исходную схему (рис. 8.5) к схеме встречно-параллельного соединения звеньев (т. е. с отрицательной ОС). Звено с коэффициентом передачи, равным – 1, отображает элемент сравнения на входе системы (рис. 8.5) при условии, что воздействие отсутствует (х = 0).

В соответствии со схемой, представленной на рис. 8.12, искомая передаточная функция равна

^. (8.7)

При совместном воздействии на систему и полезного сигнала и помехи анализ проводится раздельно для каждой составляющей (сигнальной и шумовой) с использованием соответствующих передаточных функций, а результаты (в силу принципа суперпозиции) складываются. Например, результирующая ошибка равна сумме динамической ошибки, обусловленной инерционностью системы по отношению к воздействию, и шумовой ошибки.

В ряде случаев необходимо знание передаточной функции

позволяющей определить характеристики помехи на выходе системы (такая задача возникает, например, при оценке спектральной чистоты выходного сигнала системы ФАПЧ). Эта передаточная функция может быть определена на основе структурной схемы (рис. 8.12), если полагать, что выходная переменная – это y, а цепь обратной связи имеет коэффициент передачи k_д:

(8.8)

Приведенные выражения позволяют установить общее правило для нахождения передаточной функции замкнутой системы при любых точках приложения возмущения u (вход системы) и наблюдения реакции системы v (выход):

Здесь К_пр(р) – передаточная функция прямой цепи, т. е. разомкнутого участка цепи между точкой приложения воздействия и рассматриваемой выходной переменной; К_р (p) = k_д K(p) – передаточная функция разомкнутой системы (при разомкнутой обратной связи).