Звенья второго порядка.
В общем случае описываются уравнением
Перейдем к изображениям по Лапласу:
Отсюда определяем передаточную функцию:
Однако общепринята запись передаточной функции звеньев второго порядка в другом виде:
где
Звенья второго порядка, таким образом, характеризуются тремя параметрами. Это коэффициент передачи, постоянная времени и коэффициент демпфирования . В зависимости от величины коэффициента демпфирования различают типы звеньев: колебательное (0<<1), консервативное (=0) и апериодическое второго порядка (1).
Рассмотрим свойства колебательного звена. Выражения для его частотных функций имеют следующий вид:
Асимптотическая ЛАЧХ строится тем же приемом, что и для апериодического звена. В области низких частот T<<1 и в подкоренном выражении всеми членами, кроме 1, можно пренебречь. Тогда низкочастотная асимптота G()нч принимает вид
G()нч 20lgk.
В области высоких частот ( и в подкоренном выражении можно оставить лишь , пренебрегая остальными членами. Высокочастотная асимптота G()вч описывается формулой:
G()вч20lgk20lg(T)2=20lgk40lgT.
Эта асимптота имеет наклон минус 40 дБ/дек. Сопрягаются асимптоты на частоте , как показано на рис.2.17.
G() Точная ЛАЧХ
Асимптотическая ЛАЧХ
20lgk
40 дБ/дек
0 lg
lg 1/T
Рис.2.17
Точная ЛАЧХ несколько отличается от асимптотической . Максимальная ошибка - в районе около сопрягающей частоты. Для упрощенных расчетов можно считать, что наибольшая ошибка будет при :
В районе точная ЛАЧХ идет ниже асимптотической при и выше - при . При значениях ошибка становится существенной (более трех децибел) и ее необходимо учитывать, используя приведенную выше формулу либо поправочные кривые из справочной литературы.
Представление о динамических свойствах звена можно получить из переходной характеристики, представленной на рис.2.18.
h(t)
k
0 t
Рис.2.18
Примером звена второго порядка может служить колебательный контур (см. схему на рис.2.5 и вывод передаточной функции в примере 2.4).
Консервативное звено - частный случай колебательного звена, когда отсутствует демпфирование. Если обратиться к приведенному выше примеру (см. рис.2.5), то должны отсутствовать потери в контуре (выполняться условие R=0). В этом случае колебания стали бы незатухающими, и переходная характеристика описывалась бы выражением:
На сопрягающей частоте ЛАЧХ консервативного звена имеет всплеск бесконечной амплитуды, т.е. претерпевает разрыв, а ЛФЧХ из нулевого значения скачком достигает значения минус .
При 1 передаточную функцию звена второго порядка можно преобразовать следующим образом:
где
То есть апериодическое звено второго порядка не является типовым или элементарным, так как его можно представить двумя последовательно соединенными более простыми звеньями - апериодическими первого порядка.