- Понятие передаточной функции, типовые динамические звенья и их передаточные функции.
В общем случае передаточная функция
представляет собой отношение
выходной координаты к величине
входного воздействия. Во временном
пространстве это отношение двух
временных функций. Однако и
математическое описание, и
передаточная функция являют собой
дифференциальные уравнения и
представляют определенные трудности
для исследования свойств движения.
Наиболее распространенным методом и описания и анализа АСУ является операционный метод (метод операционного исчисления), в основе которого лежит прямое интегральное преобразования Лапласа для непрерывных функций. Преобразование Лапласа переводит функцию вещественного переменного x(t) в функцию комплексного переменного Х(р) (или X(s)): Х(р) = (интеграл)x(t) e^(-pt)*dt, где Х(р) - изображение по Лапласу временной функции x(t): оригинала.
Обратное преобразование Лапласа от изображения к оригиналу осуществляется согласно выражения
Передаточная функция преобразования по Лапласу W(p) представляет собой отношение изображения выходной координаты к изображению входной:
· W(p) = Х(р) / U(p) - передаточная функция по управляющему воздействию;
· W(p) = Х(р) / F(p) - передаточная функция по возмущающему воздействию.
· В преобразованиях по Лапласу изображения всех функций обозначаются большими (заглавными) буквами.
Передаточная функция
В ТАУ часто используют операторную форму записи дифференциальных уравнений. При этом вводится понятие дифференциального оператора p = d/dt так, что, dy/dt = py, а pn = dn/dtn. Это лишь другое обозначение операции дифференцирования. Обратная дифференцированию операция интегрирования записывается как 1/p. В операторной форме исходное дифференциальное уравнение записывается как алгебраическое:
aop(n)y + a1p(n-1)y + ... + any = (aop(n) + a1p(n-1) + ... + an)y = (bop(m) + b1p(m-1) + ... + bm)u
Не надо путать эту форму записи с операционным исчислением хотя бы потому, что здесь используются непосредственно функции времени y(t), u(t) (оригиналы), а не их изображения Y(p), U(p), получаемые из оригиналов по формуле преобразования Лапласа. Вместе с тем при нулевых начальных условиях с точностью до обозначений записи действительно очень похожи. Это сходство лежит в природе дифференциальных уравнений. Поэтому некоторые правила операционного исчисления применимы к операторной форме записи уравнения динамики. Так оператор p можно рассматривать в качестве сомножителя без права перестановки, то есть pyyp. Его можно выносить за скобки и т.п.
Поэтому уравнение динамики можно записать также в виде:
Дифференциальный оператор W(p) называют передаточной функцией. Она определяет отношение выходной величины звена к входной в каждый момент времени: W(p) = y(t)/u(t), поэтому ее еще называют динамическим коэффициентом усиления. В установившемся режиме d/dt = 0, то есть p = 0, поэтому передаточная функция превращается в коэффициент передачи звена K = bm/an.
Знаменатель передаточной функции D(p) = aopn + a1pn - 1 + a2pn - 2 + ... + an называют характеристическим полиномом. Его корни, то есть значения p, при которых знаменатель D(p) обращается в ноль, а W(p) стремится к бесконечности, называются полюсами передаточной функции.
Числитель K(p) = bopm + b1pm - 1+ ... + bm называют операторным коэффициентом передачи. Его корни, при которых K(p) = 0 и W(p) = 0, называются нулями передаточной функции.
Звено САУ с известной передаточной функцией называется динамическим звеном. Оно изображается прямоугольником, внутри которого записывается выражение передаточной функции. То есть это обычное функциональное звено, функция которого задана математической зависимостью выходной величины от входной в динамическом режиме. Для звена с двумя входами и одним выходом должны быть записаны две передаточные функции по каждому из входов. Передаточная функция является основной характеристикой звена в динамическом режиме, из которой можно получить все остальные характеристики. Она определяется только параметрами системы и не зависит от входных и выходных величин. Например, одним из динамических звеньев является интегратор. Его передаточная функция Wи(p) = 1/p. Схема САУ, составленная из динамических звеньев, называется структурной.
3.4. Элементарные динамические звенья
Динамика большинства функциональных элементов САУ независимо от исполнения может быть описана одинаковыми по форме дифференциальными уравнениями не более второго порядка. Такие элементы называют элементарными динамическими звеньями. Передаточная функция элементарного звена в общем виде задается отношением двух полиномов не более чем второй степени:
Известно также, что любой полином произвольного порядка можно разложить на простые сомножители не более, чем второго порядка. Так по теореме Виета модно записать
D(p) = aopn + a1pn - 1 + a2pn - 2 + ... + an = ao(p - p1)(p - p2)...(p - pn),
где p1, p2, ..., pn - корни полинома D(p). Аналогично
K(p) = bopm + b1pm - 1+ ... + bm = bo(p - p~1)(p - p~2)...(p - p~m),
где p~1, p~2, ..., p~m - корни полинома K(p). То есть
Корни любого полинома могут быть либо вещественными pi = ai , либо комплексными попарно сопряженными pi = ai ± ji . Любому вещественному корню при разложении полинома соответствует сомножитель (p - ai ). Любая пара комплексно сопряженных корней соответствует полиному второй степени, так как
(p - ai + ji )(p - ai - ji ) = (p - ai)2 + i 2 = p2 - 2pai + (ai 2 + i 2).
То есть
Поэтому любую сложную передаточную функцию линеаризованной САУ можно представить как произведение передаточных функций элементарных звеньев. Каждому такому звену в реальной САУ, как правило, соответствует какой - то отдельный узел. Зная свойства отдельных звеньев можно судить о динамики САУ в целом.
В теории удобно ограничиться рассмотрением типовых звеньев, передаточные функции которых имеют числитель или знаменатель, равный единице, то есть
, W(p) = 1/p, W(p) = p, W(p) = Tp + 1, W(p) = k. Из них могут быть образованы все остальные звенья. Звенья, у которых порядок полинома числителя больше порядка полинома знаменателя, технически нереализуемы.