76424

Колебательное звено

Доклад

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Колебания будут затухать с течением времени т. В автоматических системах различают свободные и вынужденные колебания. Вынужденные колебания выходной величины звена возникают из-за колебаний воздействия например при синусоидальном воздействии. Колебания переходной функции колебательного звена – это свободные колебания: воздействие на звено не периодическое а колебания возникают из-за собственных колебательных свойств звена.

Русский

2015-01-30

120.05 KB

10 чел.

Колебательное звено

Передаточная функция: ,

где К – статический коэффициент передачи [К=W(0)], Т – постоянная времени (единица измерения – секунды), μ – коэффициент демпфирования (безразмерная величина), находится в пределах 0<μ<1

Свойства колебательного звена зависят от значения полюсов его передаточной функции, т.е. от корней уравнения:

.

При 0<μ<1 получим два комплексно-сопряженных корня.

, где  ,    .

Уравнение звена:

 

Переходная функция колебательного звена описывается формулой:

Колебательный характер переходной функции определяется наличием в ней периодических функций синуса и косинуса. Колебания будут затухать с течением времени, т.к. множитель при этих функциях  уменьшается с увеличением времени и стремится к нулю при (t→∞).

В автоматических системах различают свободные и вынужденные колебания. Вынужденные колебания выходной величины звена возникают из-за колебаний воздействия (например, при синусоидальном воздействии). Колебания переходной функции колебательного звена – это свободные колебания: воздействие на звено не периодическое, а колебания возникают из-за собственных колебательных свойств звена.

 

Можно сделать следующие выводы о виде переходной функции:

1)      Установившееся значение переходной функции равно К:    

.

2)      Модуль мнимой части полюсов передаточной функции Ω представляет собой угловую частоту колебаний. Период колебаний равен 2π/ω.

3)      Модуль действительной части полюсов передаточной функции α определяет скорость затухания колебаний. Чем больше α, тем быстрее затухают колебания. При одной и той же постоянной времени Т колебания будут затухать тем быстрее, чем больше значение коэффициента демпфирования μ. 

 

Рассмотрим графики переходных функций колебательного звена при одних и тех же К и Т и разных коэффициентах демпфирования μ (0,7…0,1). Чем меньше μ тем выше амплитуда колебаний и больше время их затухания.

Амплитуда колебаний отсчитывается от уровня установившегося значения К. Отношение любых двух соседних полуволн колебаний всегда постоянно и равно:

.

Параметр λ называется декрементом затухания колебаний.

 

Рассмотрим вид переходной функции при граничных значениях коэффициента демпфирования μ=1 и μ=0.

При μ=1 мнимая часть полюсов обращается в ноль. Звено имеет два одинаковых действительных полюса. Это будет уже не колебательное звено, а апериодическое звено второго порядка. Переходная функция при μ=1 будет монотонной:

 

 

 

 

 

 При μ=0 получим звено, называемое консервативным. Передаточная функция консервативного звена:

.

При μ=0 действительная часть полюсов передаточной функции оказывается равной нулю:

, где .

Поскольку α=0, множитель е–αt в переходной функции превращается в единицу. Колебания переходной функции консервативного звена будут незатухающими и продолжаются (теоретически) бесконечно долго. Угловая частота этих колебаний равна (1/Т), период колебаний равен (2πT). Амплитуда колебаний будет постоянна и равна К. Декремент затухания: λ=1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 ЛАЧХ и ЛФЧХ

Рассмотрим точные (не асимптотические) ЛАЧХ и ЛФЧХ при одних и тех же К и Т и разных коэффициентах демпфирования μ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 При μ<0.707 на ЛАЧХ появляется точка максимума (резонансный пик). С уменьшением μ высота резонансного пика возрастает и при μ=0 стремится к бесконечности (при μ=0 ЛАЧХ имеет разрыв). Частота, на которой находится точка максимума ЛАЧХ, называется резонансной частотой. Резонансная частота находится вблизи частоты 1/Т.

Колебательное звено будет усиливать гармоническое воздействие резонансной частоты с максимальным коэффициентом усиления.

Значение ЛФЧХ  находится в пределах 0…–π рад (0…–180˚). Все ЛФЧХ имеют общую точку φ = –90˚, ω=1/Т.

Рассмотрим способ построения ЛАЧХ колебательного звена. Асимптотическая ЛАЧХ состоит из двух асимптот с наклонами 0 и –40 дБ/дек и частотой сопряжения 1/Т. Однако, асимптотическая ЛАЧХ не учитывает наличие резонансного пика, и при малых значениях коэффициента демпфирования ее использовать нельзя. Чтобы построить точную ЛАЧХ в дополнение к двум асимптотам необходимо построить криволинейный участок ЛАЧХ в окрестности частоты (1/Т) это можно сделать по данным, приводимым в справочниках.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Примеры колебательных звеньев

 

Электрический четырехполюсник (RLC-фильтр)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Передаточная функция четырехполюсника:

 

 

 

 

 


Можно найти, что

.

Чтобы звено было колебательным (μ<1) необходимо соотношение параметров:   

Чтобы свободные колебания выходного напряжения не возникали (μ1) необходимо соотношение параметров:                                                                            

           Если удалить из схемы резистор и пренебречь учетом активного сопротивления всех проводников, то звено становится консервативным: W(p)=. Колебания выходного напряжения, один раз возникнув, уже не затухают (это идеальный случай, который невозможен на практике; нельзя совсем устранить сопротивление проводников).

 

Механическая колебательная система (пружина, груз, демпфер).

 

 

 Входная величина – перемещение конца пружины х, выходная величина – перемещение поршня y. В отличие от апериодического звена здесь появился груз массы m.

 

Передаточная функция такой системы:

 

 

 

 

 

 


Отсюда следует, что .

Звено будет колебательным (μ<1) при соотношении параметров:    .

Чтобы свободные колебания поршня не возникали (μ1)  необходимо соотношение параметров: .

Если пренебречь учетом массы (m=0), то звено становится апериодическим 1-го порядка: W(p)=.

Если пренебречь учетом трения в демпфере, то звено становится консервативным .

Колебания поршня, один раз возникнув, уже не затухают (это идеальный случай, который невозможен на практике; нельзя совсем устранить трение).


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

68008. Марк Порций Катон Старший 51.13 KB
  Марк Порций Катон Старший (234-149 гг. до н. э.) – римский политический деятель, полководец, писатель. Он сумел подняться от мелкого плебея, да крупного землевладельца, обладающего огромным влиянием на своих современников. Почвоведам Катон известен своим трактатом «О земледелии».
68009. Сімейне виховання у Франції на початку ХХ ст 57 KB
  Питання сімейного виховання тісно пов’язане з питанням про суспільне виховання, оскільки з першого дня народження дитина у Франції могла виховуватися не в своїй сім’ї. Як тільки діти народжувалися, їх відправляли на виховання в село. Залишалася вона там до 1,5, 2х, а часто і до 3-х років.
68010. Контрольно-вимірювальні прилади 307.71 KB
  Оцінюють температуру за допомогою перерахованого показника потужності теплового випромінювання. Якщо пірометр вимірює в широкій смузі спектрального випромінювання то такий пірометр називають пірометром повного випромінювання. Колірні інші назви: мультиспектральні спектрального відношення дозволяють...
68011. Виховання і освіта в ранніх цивілізаціях 66.5 KB
  З історії відомо декілька етапів становлення первісної людини. Зокрема, приблизно за 100 тис. років до нашої ери з'являється людина неандертальського типу, котра приблизно у 40 тис. році до н.е., трансформувалася у кроманьйонця. Період між 100 тис. і 40 тис. років до н.е.
68012. Анализ «Что-если» 178.5 KB
  Подбор параметра является удобным средством для решения задач которые имеют точное целевое значение зависящее от одного неизвестного параметра. С помощью Подбор параметра можно определить значение которое будет давать желаемый результат. Есть значение x от которого зависит формула...
68013. Поиск решения 991 KB
  Прежде чем обращаться к инструменту Поиск решения нужно проанализировать задачу и построить математическую модель. Элементы диалогового окна Поиск решения После построения математической модели можно обратиться к средству Поиск решения. Для этого нужно воспользоваться...
68014. Виды магнитопроводов 456.5 KB
  Магнитопровод, или сердечник, однофазного стержневого трансформатора (рис. 12-2, а) имеет два стержня С, на которых размещаются обмотки, и два ярма Я, которые служат для создания замкнутого магнитопровода. Каждая из двух обмоток (/ и 2) состоит из двух частей, расположенных на двух стержнях...
68015. Политика и право при обеспечении информационно-психологической безопасности 68.17 KB
  В истории науки и практики обеспечения информационной безопасности различают несколько этапов. Традиционно эта область безопасности отождествлялась с защитой информации. С появлением и распространением компьютерных сетей в качестве самостоятельного объекта защиты стали рассматривать информационные системы.
68016. Первая медицинская помощь при кровотечениях 21.04 KB
  Кровотечения могут быть внешними когда кровь изливается наружу и внутренними когда целостность кожных покровов не нарушена и кровь изливается в органы или в межтканевые промежутки. При небольших поверхностных поражениях сосудов кровь обычно вытекает в рыхлую клетчатку возникает гематома синяк.