Усилительное звено

Самым простейшим звеном является безынерционное звено, которое не только в статическом, но и динамическом режиме описывается алгебраическим уравнением.

z(t)=k·x(t) (2.1)

Предполагается, что передача сигнала от входа к выходу производится мгновенно без какой либо инерции. Поэтому такое звено называют безынерционным. Примерами таких звеньев являются механический редуктор, безинерционный операционный усилитель, делитель напряжения, рычажная передача и т.п.

После применения к алгебраическому уравнению (1) преобразования Лапласа

получим передаточную функцию звена

. (2.2)

Рассмотрим сначала временные характеристики безынерционного звена. Как уже говорилось в п.2., переходная функция звена h(t) есть его реакция на единичный скачек 1 (t),поэтому согласно п.2.

В выражениях для переходных характеристик h(t) имеется сомножитель

Этот сомножитель вводится для того, чтобы подчеркнуть, что h(t), является следствием приложения ко входу звена в момент времени t = 0 единичного скачка 1 (t), может существовать (не быть равной нулю) только при t ≥0. Для моментов времени t < 0, когда 1 (t) = 0, т.е. скачок еще не приложен, реакция на него h(t <0) равна нулю. Если на одном рис. 2.2 поместить рядом входной единичный сигнал x(t) = 1 (t) звена, и выходной z(t) = h(t) = k 1 (t), то легко понять, что параметр k, входящий в выражение для передаточной функции и в уравнение (2.1) есть коэффициент усиления безынерционного звена.

Рис. 2.2. Единичный скачок и переходная функция

безынерционного звена.

Импульсная переходная или весовая функция звена w(t) есть его реакция на единичный импульс δ(t). Поскольку , то

Таким образом, если на вход безынерционного звена подать импульс δ(t) бесконечно малой длительности и бесконечно большой амплитуды с площадью, равной единице, то на выходе получится такой же импульс, но с площадью, равной k, т.е. .

Чтобы получить частотные характеристики звена, надо в его передаточной функции провести замену . Тогда получится частотная передаточная функция безынерционного звена

, (2.3)

где k = Re (W (j ω)),

0j = Jm (W (j ω)).

Амплитуднo- частотная А(ω) (АЧХ) и фазо- частотная φ(ω) (ФЧХ) характеристики звена легко определяются из выражений:

Эти зависимости приведены на рисунке 2.3.

а) б)

Рис. 2.3. АЧХ и ФЧХ безынерционного звена.

Из рис. 2.3 для пункта а) видно, что безынерционное звено является некоторой идеализацией реальных звеньев. В действительности ни одно звено не в состоянии равномерно пропускать все частоты от 0 до ∞. Обычно к такому виду звена сводится одно из реальных звеньев, рассматриваемых ниже, например, инерционное или колебательное, если можно пренебречь влиянием динамических (переходных) процессов в этом звене.

Амплитудно-фазовая характеристика безынерционного звена отличается тем, что для всех ее точек, соответствующих частотам от 0 до ∞, фазовый угол φ(ω) = const = 0 и АЧХ А(ω) = const = k, т.е. АФХ звена представляет собой точку на оси абсцисс плоскости Гаусса, отстающую от начала координат на расстояние k (рис. 2.4).

Рис. 2.4. АФХ безынерционного звена.

Для построения ЛАЧХ безынерционного звена воспользуемся зависимостью . Это уравнение прямой, проходящей на расстоянии от оси абсцисс параллельно ей, т.е. независимо от частоты (рис.2.5).