Инерционное звено первого порядка (апериодическое)
Уравнение динамики инерционного звена первого порядка:
или
Тру + у = ки.
Это уравнение динамики, называемое иногда кривой разгона, имеет вид экспоненты. Передаточная функция:
Переходная характеристика может быть получена с помощью формулы Хевисайда:
где p1 = - 1/Т - корень уравнения D(p) = Тр + 1 - 0; D'(p1) = Т.
Переходная характеристика имеет вид экспоненты (рис.4.5а), по которой можно определить передаточный коэффициент к, равный установившемуся значению h (ассимтота), и постоянную времени Т0 по времени t, соответствующему точке пересечения касательной к кривой в начале координат с ее асимптотой. При достаточно больших Т0 звено на начальном участке может рассматриваться как интегрирующее, при малых Т звено приближенно можно рассматривать как безынерционное.
Пример апериодического звена - четырехполюсник из сопротивления R и емкости С (рис.4.5б).
Рисунок 4.5 - Инерционное звено первого порядка (апериодическое).
У экспоненты есть свойство: если к любой ее точке провести касательную, а затем точку касания и точку пересечения касательной с асимптотой, к которой с течением времени приближается экспонента, спроецировать на ось времени t, то получают одну и ту же величину времени - «постоянную времени» Т0, которая характеризует инерционные свойства объекта.
Ордината асимптоты, к которой стремится экспонента, по величине равна коэффициенту k в передаточной функции апериодического звена. Таким образом, по графику кривой разгона можно найти оба коэффициента- к и Т0 впередаточной функции апериодического звена.
Еще одним примером реализации апериодического звена может быть установка - емкость равного по высоте сечения, которая изображена на рис. 4.6. Бак на входе заполняет поток воды с расходом Q1, из бака вытекает свободно поток с расходом Q2
Рисунок 4.6 - Пример реализации апериодического звена при наполнении и истечении емкости с равным расходом.
Регулируемый параметр Хвых - уровень Н в баке. При «единичном скачке» Q1 уровень Н повышается, увеличивается гидростатическое давление, возрастает Q2 и затем уровень Н стабилизируется (экспонента приближается к асимптоте). Эта способность самостоятельно восстанавливать равновесие, присущая объектам, аппроксимируемым апериодическим ТДЗ за счет наполнения или опорожнения энергии или вещества, называется самовыравниванием.
Самовыравнивание количественно определяется коэффициентом самовыравнивания, который равен обратной величине коэффициента к передаточной функции звена:
С= 1/ к
4.2.4. Инерционные звенья второго порядка
Уравнение инерционного звена второго порядка.
Т12р2у + Т2ру + у = ки.
Передаточная функция:
Решение уравнения зависит от соотношения постоянных времени T1 и Т2, которое определяет коэффициент затухания
Можно записать
где Т=Т1
Если г ≥1, то знаменатель W(p) имеет два вещественных корня р1 и р2 и раскладывается на два сомножителя: Тр2 + 2rTp + 1 = Т2 (р - p1)(p – p2).
Такое звено можно разложить на два апериодических звена первого порядка, поэтому оно не является элементарным.
Рисунок 4.7 - Переходная характеристика инерционного звена второго порядка: А1; А2- амплитуда колебаний в разное время t; TK- период колебаний; l(t) - единичная функция; h(t) - переходная характеристика.
При r<1 корни полинома знаменателя W(p) комплексно сопряженные: P1,2 = α±j ω
Переходная характеристика представляет собой выражение, характеризующее затухающий колебательный процесс (рис.4.7а), с затуханием αи частотой ω(рис.4.7). Такое звено называется колебательным.
При r = 0 колебания носят незатухающий характер. Такое звено является частным случаем колебательного звена и называется консервативным.
Примерами колебательного звена могут служить пружина, имеющая успокоительное устройство (рис,4.7б), электрический колебательный контур с активным сопротивлением (рис.4.7в) и т.п. Зная характеристики реального устройства можно, определить его параметры как колебательного звена. Передаточный коэффициент k равен установившемуся значению переходной функции.
4.2.5. Дифференцирующее звено
Различают идеальное и реальное дифференцирующие звенья. Уравнение динамики идеального звена:
или
Здесь выходная величина пропорциональна скорости изменения входной величины. Передаточная функция: W(p)=kp.
При k=1 звено осуществляет чистое дифференцирование W(p) =p. Переходная характеристика: h(t) = k1΄V(t) = d(t).
Идеальное дифференцирующее звено реализовать невозможно, так как величина всплеска выходной величины при подаче на вход единичного ступенчатого воздействия всегда ограничена. На практике используют реальные дифференцирующие звенья, осуществляющие приближенное дифференцирование входного сигнала.
Его уравнение:
Тру + у = кТри
Передаточная функция:
При малых Т звено можно рассматривать как идеальное дифференцирующее. Переходную характеристику можно вывести с помощью формулы Хевисайда:
здесь p1=-1/T - корень характеристического уравнения D(p) = Тр + 1=0; кроме того, D'(p1) = Т.
По переходной характеристике, имеющей вид экспоненты (рис.4.8а), можно определить передаточный коэффициент k и постоянную времени Т. Примерами таких звеньев могут являться четырехполюсник из сопротивления и емкости (рис.4.8б) и демпфер, (рис.4.8.в). Дифференцирующие звенья являются главным средством, применяемым для улучшения динамических свойств САУ.
При подаче на вход единичного ступенчатого воздействия выход оказывается ограничен по величине и растянут во времени (рис.4.8а).
Рисунок 4.8 - Разновидность типовых дифференцирующих звеньев САР.
Дата добавления: 2015-04-21; просмотров: 5287;