Структурные схемы систем управления

Суммирующее

Звено запаздывания

Дифференцирующее

Колебательное

Апериодическое

Интегрирующее

Усилительное

Элементарные звенья и структурные схемы систем управления

Элементарные звенья – это некоторые типовые элементы системы управления, математическая модель которых независимо от их физической природы может быть использована для определения статических и динамических характеристик реальных систем управления.

Различают следующие элементарные звенья:

1. Усилительное звено.

Уравнение усилительного звена: где k=const.

Используя преобразование Лапласа, определим передаточную функцию усилительного звена.

W(p)=k – передаточная функция усилительного звена. Пусть U(t)=1(t), тогда X(t)=k.

Пример 1.Пример 2. Электрическая цепь, в которой U(t)= U_вх,

Усилитель напряжения x(t)=i_вх.

i_вх= U_вх/R, k=1/R, i=kU

U₂=k U₁

Пример 3. Рычаг, плечи которого l₁ и l₂.

Уравнение рычага: U l₁= l₂x. обозначим через

Тогда U=kx.

2. Интегрирующее звено

Уравнение интегрирующего звена: , или . Используя преобразование Лапласа, при

условии x(0)=0, pX(p)=kU(p), - передаточная функция интег-го звена.

Если U(t)=1(t), то .

Пример 1. Цилиндрическая емкость, заполняемая жидкостью.

- высота уровня.

Объем жидкости, потсупающей в емкость за время Δt,

равен

Одновременно объем цилиндра с высотой h_вых равен где d –диаметр емкости, тогда

если то

3. Апериодическое звено

Уравнение апериодического звена:

где T и k – постоянные параметры

Используя преобразование Лапласа при X(0)=0, получаем

Тогда передаточная функция звена

Пусть U(t)=1(t), X(0)=0. Тогда .

Используя преобразование Лапласа для нахождения решения X(t) этого дифференциального уравнения.

Используем табличное обратное преобразование Лапласа.

Тогда

Построим переходную характеристику x(t)

Значение параметра Т можно получить, проведя касательную к графику x(t) в x(0)=0 до пересечения с прямой

Пример. Электрическая цепь, состоящая из омического сопротивления R и емкости C (RC - цепочка). Входом является напряжение U_вх, а выходом – напряжение на емкости U_вых.

По закону Кирхгофа (A). или

Из последнего выражения

Подставим значение тока i в выражение (A): Обозначим через T=RC. Тогда Это дифференциальное уравнение апериодического звена.

4. Колебательное звено

Уравнение колебательного звена

где T₀,Т и k – постоянные коэффициенты.

Передаточная функция колебательного звена равна

Найдем переходную функцию колебательного звена при начальных условиях

Характеристическое уравнение имеет два корня .

Отметим одну важную особенность. Звено будет колебательным, если т.е. корни уравнения должны быть комплексными. Если это условие не выполняется, то звено, описываемое дифференциальным уравнением второго порядка,будет представлять совокупность двух последовательно соединенных апериодических звеньев. Введем обозначения Тогда корни характеристического уравнения колебательного звена могут быть представлены в виде ,а переходная функция будет равна

Переходная характеристика колебательного звена.

Пример.

Электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных индуктивности L, емкости С и омического сопротивления R. Входным воздействием является напряжение U_вх, входным сигналом будем считать напряжение на емкости U_вых.

По закону Кирхгофа

(А)

или

Подставим значение тока i в уравнение (А),

(Б)

Введем обозначения Тогда уравнение (Б) можно представить в виде

Это уравнение колебательного звена.

5. Дифференцирующее звено.

Уравнение дифференцирующего звена

где k – постоянный коэффициент. Используя преобразование Лапласа, получаем при U(0)=0.

Передаточная функция

Переходную функцию получить нельзя, т.к.

Дифференцирующее звено является математической абстракцией, если речь идет об определении переходного процесса. Поэтому рассматриваем реальное дифференциальное звено. где T и k – постоянные коэффициенты. Используя преобразованеи Лапласа,получаем .

Передаточная функция равна .

Определим переходную функцию звена при условии U(t)=1(t), x(0)=0, U(0)=0.

.

Используя табличное значение получаем

Переходная характеристика дифференцирующего звена

Пример.

Электрическая RC – цепочка, на входе которой U_вх, а выходным сигналом является ток i.

По закону Кирхгофа

Продифференцируем по t это уравнение

. Введем обозначения T=RC, k=C, тогда уравнение примет вид – это уравнение реального дифференцирующего звена.

6. Звено запаздывания.

Уравнение звена запаздывания имеет вид

где τ – постоянный параметр сдвига. Используя свойство преобразования Лапласа (свойство сдвига), получаем

Передаточная функция звена

Переходная характеристика запаздывающего звена

τ – время задержки, реакция звена запаздывания на единичный скачок.

Пример.

Конвейер, V – скорость ленты, l – длина конвейера.

7. Суммирующее звено.

Первое обозначение суммирующего звена:

Уравнение звена

Передаточные функции по входам U₁, U₂,…, U_n.

, , …, .

Второе обозначение суммирующего звена.

8. Структурные схемы систем управления.

Структурные схемы состоят из элементарных звеньев. Выделяют три вида соединения звеньев, используемых в структурных схемах.

1. Последовательное.

Пусть W₁, W₂, …, W_n – передаточные функции звеньев.

Сотавим уравнения для каждого звена:

, . .

Передаточная функция последовательного соединения звеньев, равна произведению их передаточных функций.

2. Параллельное.

Пусть W₁, W₂, …, W_n – передаточные функции звеньев.

Сотавим уравнения для каждого звена:

………

Просуммируем левые и правые части уравнений.

Передаточная функция паралельного соединения звеньев равна сумме их передаточных функций.

3. Антипараллельное.

Пусть W₁(p) и W₂(p) – передаточные функции звеньев прямой и обратной связи соответственно. Значение выхода звена обратной связи равно . Значение выхода суммирующего звена равно Значение выхода антипараллельного соединения будет одновременно значением выхода звена прямой связи, т.е.

После несложных преобразований получаем передаточную функцию антипаралельного соединения с положительной обратной связью

Если в цепи обратной связи произвести инвертирование знака выходного сигнала, то передаточная функция примет вид: . Это передаточная функция антипараллельного соединения звеньев с отрицательной обратной связью.