76417

Дифференциальные уравнения и передаточные функции

Доклад

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Введем понятие звена автоматической системы. При математическом описании системы удобно разбить систему на звенья и для каждого звена записать свое уравнение. Уравнение такого звена связывает две величины: x входная величина или воздействие и y выходная величина или реакция. Пусть момент времени t=0 выбран так что начальные условия на выходе звена являются нулевыми.

Русский

2015-01-30

38.88 KB

22 чел.

3.    Дифференциальные уравнения и передаточные функции.

 

Введем понятие звена автоматической системы.

При математическом описании системы удобно разбить систему на звенья и для каждого звена записать свое уравнение. Таким образом, звено – это часть системы, описываемая одним уравнением. Как одно звено могут быть рассмотрены отдельные элементы системы, совокупности элементов (подсистемы), а также вся система. Также могут использоваться абстрактные звенья, не имеющие прямого соответствия с реальными элементами системы. Для одной системы существует бесконечное множество способов разбиения на звенья (должен быть выбран самый удобный для конкретной задачи).

 

Структурной схемой называют наглядное изображение математической модели системы. На структурной схеме каждое звено показывается в виде блока, а связи между блоками показываются стрелками.

 

Рассмотрим линейное звено с одним входом и одним выходом.

 

 

 

 

 


Уравнение такого звена связывает две величины: x (входная величина или воздействие) и y (выходная величина или реакция). По своему смыслу входная величина является причиной, а выходная – следствием.

 

Линейное звено описывается дифференциальным уравнением вида:

где n и m – целые неотрицательные числа, a0 …anb0bm – постоянные коэффициенты.

 

Пусть момент времени t=0 выбран так, что начальные условия на выходе звена являются нулевыми.

y(0)=0, y(1)(0)=0 ,…, y(n–1)(0)=0.

 

Выполним преобразование Лапласа от левой и правой частей дифференциального уравнения звена. При этом используем свойство дифференцирования оригинала при нулевых начальных условиях (см. 1.1).

 

Вместо дифференциального получаем алгебраическое уравнение, где присутствуют уже не функции времени, а изображения входной и выходной величин X(p) и Y(p). Переменная p – это комплексная переменная, заменяющая время в результате преобразования Лапласа.

 

Дадим следующее определение передаточной функции:

Передаточная функция (ПФ) звена – это отношение изображения выходной величины звена к изображению его входной величины при нулевых начальных условиях. Выразим это отношение, обозначив ПФ буквой W.

, откуда .

 

Передаточная функция является дробно-рациональной функцией переменной (р – это переменная, она не имеет конкретного значения). Смысл ПФ – это комплексный коэффициент усиления (передачи) звена при рассмотрении на его входе и выходе изображений величин по Лапласу.

 

По виду передаточной функции различают идеальные и реальные звенья.

У реальных звеньев порядок числителя передаточной функции не превышает порядка знаменателя: mn. У идеальных звеньев порядок числителя передаточной функции больше порядка знаменателя: m>n.

 

Особенностью идеальных звеньев является то, что эти звенья могут на ограниченные по величине воздействия давать бесконечно большие реакции. Поэтому, идеальное звено нельзя поставить в соответствие с реальным элементом системы. Такие звенья называют также физически нереализуемыми. Реальные элементы систем всегда описываются реальными звеньями.

 

Приведем примеры:

 – реальное звено (m=0, n=1),  – идеальное звено (m=2, n=1).

 

Передаточную функцию можно преобразовать к следующему виду:

,

где z1,z2 …zm – постоянные числа, называемые нулями передаточной функции,  p1,p2 …pn – постоянные числа, называемые полюсами передаточной функции, K – постоянный множитель. Подстановка p=zi обращает передаточную функцию в ноль. Подстановка p=pi обращает передаточную функцию в бесконечность. Нули и полюсы в общем случае являются комплексными числами.

 

На структурной схеме передаточную функцию записывают внутри блока, изображающего звено (в символическом или в полном виде). На входе и на выходе звена допустимо показывать как функции времени, так и изображения по Лапласу:

 

 

 

 Рассмотрим понятия статического и динамического звена.

 

Динамическое звено описывается дифференциальным уравнением. Выходная величина динамического звена в каждый момент времени зависит не только от значения входной величины в данный момент времени, но и от ее значений в предыдущие моменты времени.

 

Статическое звено описывается алгебраическим уравнением (не содержит производных). Выходная величина статического звена в каждый момент времени зависит только от значения входной величины в данный момент времени.

 

Статическое линейное звено называется пропорциональным звеном и описывается уравнением вида:

y(t)=K·x(t),

где К – коэффициент передачи пропорционального звена.

 

При переходе к изображениям вид уравнения пропорционального звена не изменяется Y(p)=K·X(p). ПФ пропорционального звена W(p)=K не зависит от переменной p. ПФ динамического звена всегда зависит от переменной р.

 

Рассмотрим понятие статической характеристики динамического звена.

Статической характеристикой динамического звена называется зависимость выходной величины звена от его входной величины в статическом режиме, т.е. при постоянстве во времени входной и выходной величин.

 

Условие статического режима:

x =xст = const

 

Для получения уравнения статической характеристики необходимо приравнять к нулю все производные в дифференциальном уравнении звена. В результате можно прийти к алгебраическому уравнению вида

yст = Kст·xст,

где Кст – статический коэффициент передачи звена (Kст = const).

 

График статической характеристики линейного звена – прямая линия, проходящая через начало координат:

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Если известна ПФ звена, то статический коэффициент передачи можно получить путем подстановки p=0.

Kст = W(0).

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

48217. ТЕОРИЯ ГОСУДАРСТВА И ПРАВА 3.94 MB
  Теория государства и права: Курс лекций Под ред. ПРЕДИСЛОВИЕ Литература по общей теории государства и права пока еще не отражает в полной мере тех глубоких перемен которые происходят сегодня в России. Книга рассчитана как на студентов первых курсов только начинающих изучать основы теории государства и права так и на студентоввыпускников уже получивших необходимую подготовку.
48218. Теория массовой коммуникации 388 KB
  Массовая коммуникация - процесс распространения информации с помощью технических средств (пресса, радио, телевидение и др.) на численно большие, рассредоточенные аудитории
48219. ТЕОРІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ КІЛ 4.42 MB
  Теорія та розрахунок трифазних лінійних кіл На попередніх лекціях ми розглядали кола однофазного змінного струму а саме такі кола в яких кожне джерело енергії створює лише одну синусоїдну ЕРС. Але на практиці основна кількість електричної енергії генерується і споживається в формі трифазного струму. Шестифазні струми використовуються при перетворенні змінного струму в постійний. Позитивний напрям фазних ЕРС приймаємо від кінця обмотки до початку напруги від початку до кінця а позитивний напрям струму співпадає з позитивним напрямом...
48220. ПРЕДМЕТ І МЕТОД СТАТИСТИКИ 1.61 MB
  Основні категорії статистики З питанням про предмет статистики пов'язані поняття статистичної закономірності та статистичної сукупності. Згідно з цими принципами закони суспільного розвитку виразно виявляються лише в досить численній сукупності подій. 2Закономірності розподілу елементів сукупності. Склад елементів і спосіб їх об'єднання визначають структуру сукупності.
48221. ОРГАНІЗАЦІЯ ТА ПЛАНУВАННЯ ВИРОБНИЦТВА 667.5 KB
  Системи договірних відносин на оптовому ринку електроенергії. У загальному розумінні поняття енергетичний ринок можна трактувати як місце зустрічі продавця енергії та її покупця. Таким чином енергетичний ринок у широкому розумінні містить таких учасників ринку як підприємства видобувачі паливноенергетичних ресурсів організації що переробляють ці ресурси постачальники кінцевої енергії споживачі енергії а також підприємства що виготовляють товари та надають послуги які забезпечують процес виробництва енергії наприклад основні фонди...
48222. Технічна механіка 8.62 MB
  Технічна механіка є фундаментальною загальнотехнічною дисципліною, невід’ємною складовою системи підготовки інженерно-технічних працівників. Під час вивчення курсу студенти оволодівають знаннями законів рівноваги та руху матеріальних тіл, методів розрахунку елементів конструкцій, машин та споруд на міцність, жорсткість, стійкість, основами проектування деталей, вузлів машин. Знання дисципліни необхідні спеціалістам, які повинні організовувати належну експлуатацію й обслуговування сучасної залізничної техніки, удосконалювати її конструкцію та технології застосування.
48223. ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ВОД 81.5 KB
  Установки термического обезвреживания минерализованных сточных вод должны соответствовать следующим основным требованиям: I обеспечивать снижение концентрации вредных веществ в очищаемой воде до значений меньших ПДК; 2 иметь незначительную чувствительность к составу стоков; 3 обеспечивать надежность и экономичность в работе; 4. Концентрирование сточных вод Многокорпусные выпарные установки. На практике используют однокорпусные и многокорпусные выпарные установки включающие аппараты с естественной и принудительной циркуляцией. Наибольшее...
48224. Основні підходи до визначення поняття парламентаризму 56 KB
  : Поняття П = відображає з одно боку місце парламенту в мехзмі поділу влади і в цьому значенні наближене до політичного режиму а з іншого принципи устрою парламенту. влади: У вузькому розумінні: оргція і функціонування органу законодавчої влади що хться верховенством парламенту наявністю в нього виключних прерогатив і повноважень Журавський В. влади з особливою активною 1998 роллю парламенту. влади з вагомою і значною роллю парламенту передбаченими Кцією можливостями його активного впливу на сусп.