Характеристики звеньев систем автоматического регулирования

В системах автоматического управления любая часть каждой из них может быть рассмотрена как звено системы, преобразующее сигнал входа в сигнал выхода. Звено системы управления – это математическая модель реального элемента или устройства. Если в качестве такого звена рассматривается объект регулирования, то входными сигналами будут внешние возмущения и управляющие воздействия, а выходными – регулируемые величины. Если звенья системы автоматического регулирования считать однонаправленными, то передача и преобразование сигналов производится только в одном направлении.

При выборе элементов системы автоматического регулирования и её анализе необходимо знание статических и динамических характеристик отдельных звеньев.

Статическая характеристика звена системы автоматического регулирования, как было показано выше, – это зависимость выходной величины от входной в установившемся режиме. Установившийся режим характеризует состояние выходной величины по истечении переходного процесса в звене или системе. Знание статической характеристики позволяет оценить чувствительность элемента системы регулирования и предел изменения выходного параметра в зависимости от входного и выбрать соответствующие технические средства, реализующие тот или иной элемент системы регулирования.

Динамическая характеристика звена системы регулирования определяется его дифференциальным уравнением, которое описывает поведение звена в переходном режиме (с момента поступления входного сигнала до установившегося значения выходной величины). Дифференциальное уравнение звена выражает зависимость выходной величины y от входной x в функции времени.

Допуская упрощения в дифференциальном уравнении, можно с достаточной степенью приближения описать поведение в переходном режиме различных по своей физической природе элементов одинаковыми дифференциальными уравнениями. Таким образом, реальный физический элемент системы регулирования можно заменить его математической моделью, причём уравнения этого элемента и модели совпадают. В реальных системах получается сравнительно ограниченное число уравнений, описывающих типичные элементы систем регулирования (первичные преобразователи, усилители, исполнительные механизмы).

В теории линейных систем автоматического регулирования принято рассматривать типовые динамические звенья. Типовым динамическим звеном называют устройство, переходный процесс которого описывается линейным дифференциальным уравнением не выше второго порядка.

На практике при работе автоматических систем входная величина звена есть случайная функция времени. Так как любой сложный сигнал может быть представлен в виде суммы более простых сигналов, в теории автоматического регулирования используются следующие наиболее простые типовые входные сигналы: единичный скачок (ступенчатая функция), гармонический сигнал (гармоническая синусоидальная функция), импульсная функция. Чаще всего при изучении свойств системы автоматического регулирования рассматривают процесс, вызванный ступенчатым входным сигналом, например процесс регулирования при быстрой перенастройке задающего устройства или пуске системы. Реакцию звена на ступенчатый входной сигнал называют переходной характеристикой.

Единичный импульс может быть получен как производная от ступенчатого сигнала и представляет собой импульс бесконечно малой длительности на входе звена. Реакцию звена на единичный импульс называют импульсной характеристикой.

Переходная и импульсная характеристики САР определяют свободные колебания системы. Их называют характеристиками регулирования. Реакция звена или системы регулирования на гармонический сигнал есть частотная характеристика. Она определяет вынужденные колебания звена или системы.