Лекция 5. Передаточные функции. Определение передаточной функции. Примеры типовых звеньев

Определение передаточной функции

Преобразование ДУ по Лапласу дает возможность ввести удобное понятие передаточной функции, характеризующей динамические свойства системы.

Лекция 5. Передаточные функции. Определение передаточной функции. Примеры типовых звеньев - №1 - открытая онлайн библиотека

Например, операторное уравнение

 
  Лекция 5. Передаточные функции. Определение передаточной функции. Примеры типовых звеньев - №2 - открытая онлайн библиотека

можно преобразовать, вынеся X(s) и Y(s) за скобки и поделив друг на друга:

Полученное выражение называется передаточной

Лекция 5. Передаточные функции. Определение передаточной функции. Примеры типовых звеньев - №3 - открытая онлайн библиотека (2.4)

Передаточной функцией называется отношение изображения выходного воздействия Y(s) к изображению входного X(s) при нулевых начальных условиях.

Лекция 5. Передаточные функции. Определение передаточной функции. Примеры типовых звеньев - №4 - открытая онлайн библиотека

Передаточная функция является дробно-рациональной функцией комплексной переменной:

Передаточная функция имеет порядок, который определяется порядком полинома знаменателя (n).

Из (2.4) следует, что изображение выходного сигнала можно найти как

Y(s) = W(s)*X(s).

Так как передаточная функция системы полностью определяет ее динамические свойства, то первоначальная задача расчета АСР сводится к определению ее передаточной функции.

Примеры типовых звеньев

Звеном системы называется ее элемент, обладающий определенными свойствами в динамическом отношении. Звенья систем регулирования могут иметь разную физическую природу (электрические, пневматические, механические и др. звенья), но описываться одинаковыми ДУ, а соотношение входных и выходных сигналов в звеньях описываться одинаковыми передаточными функциями. В ТАУ выделяют группу простейших звеньев, которые принято называть типовыми. Статические и динамические характеристики типовых звеньев изучены достаточно полно. Типовые звенья широко используются при определении динамических характеристик объектов управления. Например, зная переходную характеристику, построенную с помощью самопишущего прибора, часто можно определить, к какому типу звеньев относится объект управления, а следовательно, его передаточную функцию, дифференциальное уравнение и т.д., т.е. модель объекта. Типовые звенья. Любое сложное звено может быть представлено как соединение простейших звеньев.

К простейшим типовым звеньям относятся:

· усилительное,

· инерционное (апериодическое 1-го порядка),

· интегрирующие (реальное и идеальное),

· дифференцирующие (реальное и идеальное),

· апериодическое 2-го порядка,

· колебательное,

· запаздывающее.

1) Усилительное звено.

Лекция 5. Передаточные функции. Определение передаточной функции. Примеры типовых звеньев - №5 - открытая онлайн библиотека

Звено усиливает входной сигнал в К раз. Уравнение звена у = К*х, передаточная функция W(s) = К. Параметр К называется коэффициентом усиления.

Выходной сигнал такого звена в точности повторяет входной сигнал, усиленный в К раз (рис. 1.18). у = Kx.

При ступенчатом воздействии h(t) = K.

Примерами таких звеньев являются: механические передачи, датчики, безынерционные усилители и др.

2) Интегрирующее.

2.1) Идеальное интегрирующее.

Лекция 5. Передаточные функции. Определение передаточной функции. Примеры типовых звеньев - №6 - открытая онлайн библиотека

Лекция 5. Передаточные функции. Определение передаточной функции. Примеры типовых звеньев - №7 - открытая онлайн библиотека

Выходная величина идеального интегрирующего звена пропорциональна нтегралу входной величины:

.При подаче на вход звена ступенчатого воздействия x(t) = 1 выходной сигнал постоянно возрастает (рис. 1.19):

h(t) = Kt.

Это звено астатическое, т.е. не имеет установившегося режима.

Примером такого звена может служить емкость, наполняемая жидкостью. Входной параметр – расход поступающей жидкости, выходной - уровень. Изначально емкость пуста и при отсутствии расхода уровень равен нулю, но если включить подачу жидкости, уровень начинает равномерно увеличиваться.

2.2) Реальное интегрирующее.

Лекция 5. Передаточные функции. Определение передаточной функции. Примеры типовых звеньев - №8 - открытая онлайн библиотека Передаточная функция этого звена имеет вид (рис. 1.20)

Лекция 5. Передаточные функции. Определение передаточной функции. Примеры типовых звеньев - №9 - открытая онлайн библиотека

 
  Лекция 5. Передаточные функции. Определение передаточной функции. Примеры типовых звеньев - №10 - открытая онлайн библиотека

Переходная характеристика в отличие от идеального звена является кривой

Примером интегрирующего звена является двигатель постоянного тока с независимым возбуждением, если в качестве входного воздействия принять напряжение питания статора, а выходного - угол поворота ротора. Если напряжение на двигатель не подается, то ротор не двигается и угол его поворота можно принять равным нулю. При подаче напряжения ротор начинает раскручиваться, а угол его поворота сначала медленно вследствие инерции, а затем быстрее увеличиваться до достижения определенной скорости вращения.

3) Дифференцирующее.

3.1) Идеальное дифференцирующее.

Выходная величина пропорциональна производной по времени от входной:

 
  Лекция 5. Передаточные функции. Определение передаточной функции. Примеры типовых звеньев - №11 - открытая онлайн библиотека

При ступенчатом входном сигнале выходной сигнал представляет собой импульс (d-функцию): h(t) = Kδ(t).

3.2) Реальное дифференцирующее.

Лекция 5. Передаточные функции. Определение передаточной функции. Примеры типовых звеньев - №12 - открытая онлайн библиотека

Лекция 5. Передаточные функции. Определение передаточной функции. Примеры типовых звеньев - №13 - открытая онлайн библиотека

Идеальные дифференцирующие звенья физически не реализуемы. Большинство объектов, которые представляют собой дифференцирующие звенья, относятся к реальным дифференцирующим звеньям, передаточные функции которых имеют вид

Лекция 5. Передаточные функции. Определение передаточной функции. Примеры типовых звеньев - №14 - открытая онлайн библиотека Переходная характеристика (рис. 1.21):

Пример звена: электрогенератор. Входной параметр – угол поворота ротора, выходной – напряжение. Если ротор повернуть на некоторый угол, то на клеммах появится напряжение, но если ротор далее не вращать, напряжение снизится до нуля. Резко упасть оно не может вследствие наличия индуктивности у обмотки.

4) Апериодическое (инерционное).

 
  Лекция 5. Передаточные функции. Определение передаточной функции. Примеры типовых звеньев - №15 - открытая онлайн библиотека

Этому звену соответствуют ДУ и ПФ вида

Определим характер изменения выходной величины этого звена при подаче на вход ступенчатого воздействия величины Хо.

 
  Лекция 5. Передаточные функции. Определение передаточной функции. Примеры типовых звеньев - №16 - открытая онлайн библиотека

Изображение ступенчатого воздействия: X(s) =Хо / s Тогда изображение выходной величины:

Лекция 5. Передаточные функции. Определение передаточной функции. Примеры типовых звеньев - №17 - открытая онлайн библиотека

Разложим дробь на простые:

Оригинал первой дроби по таблице:

Лекция 5. Передаточные функции. Определение передаточной функции. Примеры типовых звеньев - №18 - открытая онлайн библиотека

 
  Лекция 5. Передаточные функции. Определение передаточной функции. Примеры типовых звеньев - №19 - открытая онлайн библиотека

Оригинал второй дроби по таблице:

Лекция 5. Передаточные функции. Определение передаточной функции. Примеры типовых звеньев - №20 - открытая онлайн библиотека

Тогда окончательно получаем

 
  Лекция 5. Передаточные функции. Определение передаточной функции. Примеры типовых звеньев - №21 - открытая онлайн библиотека

Постоянная Т называется постоянной времени. Большинство тепловых объектов являются апериодическими звеньями. Например, при подаче на вход электрической печи напряжения ее температура будет изменяться по аналогичному закону (рис. 1.22).

Лекция 5. Передаточные функции. Определение передаточной функции. Примеры типовых звеньев - №22 - открытая онлайн библиотека 5) Звенья второго порядка (рис. 1.23)

Звенья имеют ДУ и ПФ вида.

При подаче на вход ступенчатого воздействия амплитудой Хо переходная кривая будет иметь один из двух видов: апериодический (при Т1 ≥ 2Т2) или колебательный (при Т1 < 2Т2).

В связи с этим выделяют звенья второго порядка:

· апериодическое 2-го порядка (Т1 ≥ 2Т2),

· инерционное (Т1 < 2Т2),

· консервативное (Т1 = 0).

6) Запаздывающее.

Если при подаче на вход объекта некоторого сигнала он реагирует на этот сигнал не моментально, а спустя некоторое время, то говорят, что объект обладает запаздыванием.

Запаздывание – это интервал времени от момента изменения входного сигнала до начала изменения выходного.

Запаздывающее звено – это звено, у которого выходная величина у в точности повторяет входную величину х с некоторым запаздыванием t:

y(t) = x(t - t).

 
  Лекция 5. Передаточные функции. Определение передаточной функции. Примеры типовых звеньев - №23 - открытая онлайн библиотека

Передаточная функция звена:

Примеры запаздываний: движение жидкости по трубопроводу (сколько жидкости было закачано в начале трубопровода, столько ее выйдет в конце, но через некоторое время, пока жидкость движется по трубе), движение груза по конвейеру (запаздывание определяется длиной конвейера и скоростью движения ленты) и т.д.