Типовые динамические звенья САУ. Показатели качества

Автоматические системы состоят из различного числа элементов, взаимосвязанных между собой. Все элементы, независимо от их назначения, конструкции и принципа действия можно в зависимости от их динамических свойств (изменение выходной величины во времени) разделить на ограниченное число звеньев, называемых типовыми.

Характер изменения выходной величины зависит от свойств самого элемента и от параметров входного сигнала. Динамические свойства элементов оцениваются по их реакции на скачкообразные изменения входного сигнала.

В зависимости от характера протекания переходного процесса различают следующие типовые звенья систем автоматического регулирования: дифференцирующее, усилительное, интегрирующее, апериодическое, колебательное и звено чистого запаздывания.

Дифференцирующим звеном называют элемент, у которого скорость изменения выходного сигнала пропорциональна скорости изменения входного сигнала, т. е. пропорциональна первой произ­водной от скорости изменения входного сигнала по времени.

Переходная функция звена на единичное входное воздействие показана на рис. 2.11, а. К числу устройств, осуществляющих дифференцирование, относятся тахометр, спидометр, дифференцирующие операционные усилители, индукционные датчики и т. д.

Усилительным звеном является звено, позволяющее пропорционально изменять заданную величину в какое-то число раз (рис. 2.11, 6). При этом выходной сигнал без запаздывания повторяет входной сигнал.

Примером усилительных звеньев являются редукторы, трансформаторы, усилители и другие элементы, выходной сигнал которых практически мгновенно следует за изменением входного с определенным коэффициентом k.

Рисунок 2.11 - Графики переходных режимов типовых звеньев

Интегрирующим звеном считают такое звено, выходная величина которого пропорциональна интегралу по времени от входной.

В качестве примера интегрирующего звена можно назвать любой двигатель вращения, у которого угол поворота выходного вала пропорционален входному сигналу, например напряжению на якоре двигателя постоянного тока. Переходная функция показана на рис. 2.11, в.

В апериодическом звене выходная величина изменяется по экспоненциальному закону, стремясь к определенному предельному значению.

Апериодическое звено образуется из элемента, накапливающего энергию (например, индуктивность, емкость), и элемента, рассеивающего эту энергию (например, электрическое сопротивление). Различают устойчивое (кривая 1 рис. 2.11, г) и неустойчивое (кривая 2) апериодические звенья. Примером таких звеньев могут быть инерционные датчики (термопары), магнитные усилители, ДПТ с независимым возбуждением, LC и RC четырёхполюсники и д.р.

В колебательном звене переходная функция имеет форму колебаний, расходящихся (кривая 2 на рис. 2.11, д) для неустойчивого и затухающих (кривая 1 на рис. 2.11, д) для устойчивого звена. Колебательное звено, так же как и апериодическое, содержит элементы, накапливающие энергию, и элементы, рассеивающие ее. К колебательным звеньям можно отнести маятник, электрический контур RC, центробежный тахометр, поплавковый уровнемер.

Звено с чистым запаздыванием - это звено, в котором выход­ная величина идеально повторяет входную, но с отставанием на постоянный отрезок времени (рис. 2.11, е).

Показатели качества

Основным условием существования САР является её устойчивость. Понятие устойчивости системы регулирования связано с ее способностью возвращаться в состояние равновесия после исчезновения внешних сил, которые вывели ее из этого состояния.

Требования к качеству процесса регулирования в каждом случае могут быть самыми разнообразными, однако из всех качественных показателей можно выделить несколько наиболее существенных, которые с достаточной полнотой определяют качество почти всех автоматических систем регулирования.

Основными показателями качества является:

- время регулирования t_р – называется время, в течении которого, начиная с момента приложения воздействия на систему отклонения регулируемой величины от ее установившегося значения будут не более 5% от заданной величины. Таким образом, время регулирования определяет длительность (быстродействие) переходного процесса.

- перерегулированием s называется максимальное отклонение регулируемой величины от установившегося значения, выраженное в процентах.

- колебательность системы характеризуется числом колебаний регулируемой величины за время регулирования t_р. Если за это время переходный процесс в системе совершает число колебаний меньше заданного, то считается, что система имеет требуемые качеством регулирования в части ее колебательности;

- установившаяся ошибка - установившееся значение регулируемой величины в окончании переходного процесса зависит от астатизма n системы. В статических системах (n=0) – установившаяся ошибка при постоянной величине входного воздействия не равна 0 и следовательно, установившееся значение регулируемой величины будет отличаться от ее заданного значения на величину установившейся ошибки.

Важным показателем качества САУ является их надежность.