Инерционное звено второго порядка

Инерционное звено второго порядка – это звено, зависимость между выходным и входным сигналами которого описывается следующим дифференциальным уравнением:

где k, T – соответственно коэффициент усиления и постоянная времени звена; - коэффициент демпфирования.

Операторное уравнение звена:

Передаточная функция звена:

. (2.51)

Примерами реализации инерционного звена второго порядка являются RLC-контур, со­стоящий из катушки индуктивности, резистора и конден­сатора, или физический маятник.

Амплитудно- и фазо-частотная характеристики:

A(ω) ; . (2.52)

В зависимости от значения коэффициента демпфирования свойства инерционного звена второго порядка изменяются настолько существенно, что при различных значениях это звено имеет различные названия: консервативное, колебательное или апериодическое звено второго порядка.

1) Консервативное звено: , передаточная функция (2.51) принимает вид:

. (2.53)

При этом ее полюса чисто мнимые: .

В соответствии с (2.15) и (2.23) выражения переходной функции и функции веса консервативного звена:

; = .

2) Колебательное звено: , полюса передаточной функции (2.51) – комплексно-сопряженные числа. С учетом (2.52) логарифмическая амплитудно-частотная характеристика звена примет вид:

.

Кусочно-асимптотическая ЛАЧХ звена состоит из двух участков. На низкочастотном участке до частоты сопряжения уравнение горизонтальной асимптоты:

,

а в диапазоне частот много больше частоты сопряжения уравнение высокочастотной асимптоты:

Последнее уравнение – это уравнение прямой с наклоном -40 дБ/дек.

В окрестности частоты сопряжения график ЛАЧХ колебательного звена при имеет амплитудный всплеск («горб»), величина которого тем больше, чем меньше коэффициент демпфирования . У консервативного звена при амплитудный всплеск вырождается в разрыв непрерывности.

Выражения переходной функции и функции веса колебательного звена:

;

= ;

где .

3) Апериодическое звено второго порядка: , полюса передаточной функции (2.51) – действительные числа, поэтому переда­точную функцию звена можно представить в следующем виде:

. (2.54)

Очевидно, что между коэффициентами передаточных функций (2.51) и (2.54) существуют следующие зависимости:

и .

Уравнения логарифмических амплитудно- и фазо-частотной характеристик:

;

.

Выражения для временных характеристик апериодического звена второго порядка:

;

= .

Графики логарифмических амплитудно- и фазочастотной характеристик инерционного звена второго порядка для различных значений коэффициента демпфирования приведены на рис. 2.18; графики временных характеристик – на рис. 2.19.

Звено чистого запаздыва­ния

Звено чистого запаздыва­ния – это звено, выходной сигнал которого полностью совпадает по форме с входным сигналом, но отстает от него на время , т.е.

.

На основании теоремы запаздывания (2.11): . Следовательно, передаточная функ­ция звена имеет вид:

,

где – время запаздывания.

Частотные характеристики для звена чистого запаздыва­ния:

cos(ω) – j sin (ω);

т.е. P(ω) = cos(ω) и Q(ω)= – sin (ω);

A(ω) = 1, ω , .

На рис.2.20 приведен график переходной функции звена, на рис.2.21 – годограф АФХ, а на рис. 2.22 – логарифмические амплитудно- и фазо-частотные характеристики.

Интегро-дифференцирующее звено

Интегро-дифференцирующее звено порядка – это звено, зависимость между выходным и входным сигналами которого описывается следующим дифференциальным уравнением:

Операторное уравнение звена:

.

Переда­точная функция звена

.

Частотные характеристики:

; ; ; (2.55)

Выполнив несложные преобразования, можно представить АФХ звена в виде функции, связывающей вещественную и мнимую частотные характеристики:

, (2.56)

где ; .

Согласно (2.55) – (2.56) годограф АФХ интегро-дифференцирующего звена имеет вид полуокружности с радиусом , центр которой находится на действительной положительной полуоси в точке . При этом годограф расположен в первом квадранте, если T₁ > T₂ (рис. 2.32, а), и в четвертом квадранте, если T₁ <T₂ (рис. 2.32, б).

Вид всех остальных характеристик интегро-дифференцирующего звена также определяется соотношением между постоянными времени T₁ и T₂:

A(ω)= = ;

;

.

Графики логарифмической амплитудно- и фазо-частотной характеристик приведены на рис. 2.24. Очевидно, что при > в среднечастотном диапазоне преобладают дифференцирующие свойства звена (наклон ЛАХ +20дБ/дек), а при < – интегрирующие свойства (наклон ЛАХ -20 дБ/дек).

Воспользуемся формулой разложения (2.15) для получения выражение переходной функции интегро-дифференцирующего звена.

Изображение по Лапласу переходной функции:

В соответствии с выражением (2.15):

; ; ;

; ; ; ;

и

Следовательно, переходная функция интегро-дифференцирующего звена (рис. 2.25) имеет вид:

Пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор)

Пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор) – это звено, зависимость между выходным и входным сигналами которого описывается следующим дифференциальным уравнением:

Операторное уравнение звена:

.

Переда­точная функция звена

.

Следовательно, изображение по Лапласу сигнала на выходе звена представляет собой сумму двух составляющих, одна из которых пропорциональна входному сигналу, а вторая – пропорциональна интегралу от входного сигнала, что и определяет название данного звена:

.

Частотные характеристики ПИ-регулятора:

; ;

; ;

.

Графики логарифмических амплитудно- и фазо-частотной характеристик звена приведены на рис.2.26.

Переходная функция звена (рис. 2.27):

.

Неминимально-фазовые звенья

Мы рассмотрели наиболее часто встречающиеся на практике типы минимально-фазовых звеньев. В отличие от них передаточная функция любого неминимально-фазового звена имеет хотя бы один «правый» ноль или полюс. Приведем пример такой передаточной функции:

.

Здесь имеется положительный полюс (корень знаменателя):

.

Частотные характеристики такого звена:

; ,

так как при входной и выходной гармонические сигналы находятся в противофазе.

В то же время для обычного апериодического звена имеем:

Разница между ними, как видим, в величине фазы, амплитудные же характеристики одинаковы. Оказывается, что из всех возможных звеньев с одинаковыми амплитудными характеристиками минимально-фазовые типовые звенья обладают наименьшими по абсолютному значению фазовыми характеристиками. В этом и состоит смысл введенных терминов.

Важным свойством минимально-фазовых звеньев является однозначное соответствие амплитудной и фазовой частотных характеристик. Другими словами, по заданной амплитудно-частотной характеристике всегда можно определить амплитудно-фазовую и наоборот. Этим же свойством обладают вещественная и мнимая части амплитудно-фазовой характеристики минимально-фазовых звеньев.

Заметим, что для данного неминимально-фазового звена переходная функция будет расходящейся, вместо обычной затухающей.

2.6. Эквивалентные преобразования структурных схем линейных САУ

В САУ встречаются три вида соединений звеньев: последовательное, параллельное и соединение звеньев по схеме с обратной связью.

В системе, состоящей из n последовательно соединенных звеньев (рис. 2.28) выходной сигнал предыдущего звена равен входному сигналу последующего.

Изображения по Лапласу выходных сигналов этих звеньев равны:

x_вых1(p) = W₁(p)x_вх(p); x_{вых 2} (p) = W₂(p) x_{вых 1} (p); … x_вых(p) = W_n(p)x_вых(n)(p).

 

Откуда

x_вых x_вх(p).

Следовательно, передаточная функция системы примет вид:

. (2.57)

Таким образом, передаточная функция последова­тельно соединенных звеньев равна произведению пере­даточных функций этих звеньев.

Частотные характеристики последовательно соеди­ненных звеньев:

где A(ω) = A₁(ω)A₂(ω)…A_n(ω); .

Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика звеньев, соединенных последовательно:

. (2.58)

Следовательно, логарифмические амплитудно- и фазо-частотная характеристики системы, состоящей из последовательно сое­диненных звеньев, равны сумме ЛАХ и ФЧХ отдельных звеньев. Это существенно упрощает построение логарифмических частотных характеристик, по сравнению с обычными характеристиками.

Передаточная функция минимально-фазовой системы в общем случае может быть записана в виде:

. (2.59)

В выражении (2.59) сомножители в числителе определяют нули передаточной функции, а именно:

· сомножитель соответствует нулевому нолю кратности ,

· сомножитель – действительному нолю кратности l,

· сомножитель – паре комплексно-сопряженных нолей кратности .

Аналогичные сомножители в знаменателе выражения (2.59) определяют полюса передаточной функции, а именно:

· сомножитель соответствует нулевому полюсу кратности ,

· сомножитель – действительному полюсу кратности ,

· сомножитель – паре комплексно-сопряженных полюсов кратности .

Очевидно, что в зависимости от соотношения s и передаточная функция (2.59) может иметь только один тип особенностей: либо нулевые ноли, либо нулевые полюса. Кроме того, предполагается, что в (2.59) для коэффициентов демпфирования выполняются неравенства: 0 < ζ < 1.

Формально передаточная функция (2.59) представляет собой произведение нескольких сомножителей, что соответствует последовательному соединению звеньев, и для вычисления можно воспользоваться выражением (2.58). При этом построение ЛАХ системы осуществляется без предварительного построения ЛАХ отдельных звеньев по следующим правилам.

На оси частот в порядке возрастания указываются все частоты сопряжения ЛАХ, определяемые соответствующими постоянными времени: = 1/ .

Построение ЛАХ начинается на частотах, меньших самой малой частоты сопряжения .

Если при этом в выражении (2.59) выполняется равенство s = = 0 (система не имеет нулевых полюсов и нолей), то первая низкочастотная асимптота ЛАХ проводится параллельно оси частот на уровне 20 lg k до частоты

Если в выражении (2.59) s , а = 0, то уравнение низкочастотной асимптоты:

, (2.60)

т.е. ЛАХ до наименьшей частоты сопряжения проводится с наклоном (+20∙ s) дБ/дек.

Если в выражении (2.48) s = , а , то уравнение низкочастотной асимптоты:

, (2.61)

и наклон ЛАХ до наименьшей частоты сопряжения равен -20∙ дБ/дек.

Для построения низкочастотной асимптоты ЛАХ необходимо для произвольной частоты меньшей или равной по выражениям (2.60) или (2.61) рассчитать величину и через точку с координатами (; ) провести ЛАХ с необходимым наклоном.

На частоте производится излом ЛАХ с изменением ее наклона, величина которого определяется видом сомножителя в выражении (2.59), которому соответствует сопрягающая частота . Наклон ЛАХ на частоте изменяется по отношению к предыдущему наклону на +20∙ l, если соответствует постоянной времени T из сомножителя вида в числителе передаточной функции (2.59).

Если сомножитель вида , соответствующий присутствует в знаменателе (2.59), то изменение наклона составляет -20∙ .

В случае, когда соответствует постоянной времени T из сомножителя вида , происходит изменение предыдущего наклона на +40∙ h, если указанный сомножитель присутствует в числителе , и на -40∙ , если он присутствует в знаменателе.

Таким же образом характеристика продолжается в сторону увеличения частоты, претерпевая соответствующие изломы на каждой сопрягающей частоте . При необходимости вид построенной ЛАХ уточняется путем введения поправок для колебательных звеньев.

Примеры построения ЛАХ по различным передаточным функциям приведены на рис. 2.29.

В системе, состоящей из n параллельно соединенных звеньев (рис. 2.30), на вход каждому из звеньев подается один и тот же сигнал x_вх(p), а их выходные сигналы суммируются:

.

Так как

;

;

……………………………

,

то

x_вых(p) = x_{вых 1} (p) +x_{вых 2} (p)+…+x_вых(n)(p) = .

Таким образом, передаточная функция параллельно соединенных звеньев равна сумме передаточных функ­ций отдельных звеньев:

W(p) = . (2.62)

Очевидно, что в случае, когда выходной сигнал какого-либо из параллельно соединенных звеньев поступает в сумматор со знаком «минус», передаточная функция этого звена входит в (2.62) также со знаком «минус».

Рассмотрим структуру системы с обратной связью (рис. 2.31). На вход звена, охваченного обратной связью, подается сигнал рассогласования, равный:

.

Поскольку , то

Изображение выходного сигнала:

x_вых(р)=

откуда

.

Следовательно, передаточная функция замкнутой системы (в замкнутом состоянии) описывается следующим выражением:

Ф(p) = . (2.63)

Передаточная функция (2.63) найдена для случая от­рицательной обратной связи. Если обратная связь поло­жительная, то

Ф(p) = . (2.64)

При анализе и синтезе CАУ, наряду с передаточной функцией (2.63) – (2.64), используются передаточная функция разомкнутой системы и передаточная функция по ошибке.

Передаточная функция разомкнутой системы (замкнутой системы в разомкнутом состоянии):

W(p) = . (2.65)

Передаточная функция по ошибке:

Ф_x(p) =

. (2.66)