9134

Временной анализ. Временные характеристики

Реферат

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Временной анализ. Временные характеристики При изучении систем ищут реакцию системы на входные сигналы, к которым предъявляются противоречивые требования. С одной стороны, сигналы должны быть ближе к реальным сигналам на входе системы. С другой сто...

Русский

2013-02-24

294.5 KB

9 чел.

Временной анализ. Временные характеристики

При изучении систем ищут реакцию системы на входные сигналы, к которым предъявляются противоречивые требования. С одной стороны, сигналы должны быть ближе к реальным сигналам на входе системы. С другой стороны, сигналы должны быть проще, чтобы было легче построить реакцию.

Поэтому обычно ищут реакцию на так называемые тиковые сигналы, примерами которых является единичное ступенчатое воздействие l(t); дельта функция (t); линейно изменяющийся сигнал at (с постоянной скоростью = a); сигнал с постоянным ускорением ; экспоненциальный сигнал e , синусоидальный (гармонический) сигнал (X - амплитуда, - круговая частота, - начальная фаза) и т. д.

Временной метод анализа основан на применении временных характеристик и интеграла Дюамеля. К временным характеристикам относятся переходная функция и функция веса, или импульсная переходная функция.

Переходной функцией h(t) называется реакция звена или системы при нулевых начальных условиях на единичный скачок (функцию Хевисайда), или единичное ступенчатое воздействие 1(t). Эта функция определяется следующим выражением                                              (2.3.1)

В зарубежной литературе функцию Хевисайда обычно обозначают через .

Примером подобного воздействия является скачкообразное изменение сигнала (изменение тока, напряжения при включении и выключении, приложение тормозящего момента к двигателю и т.д.). Если высота скачка равна Х0, то его можно представить в виде Х0.

Функцией веса w(t) называется реакция звена или системы при нулевых начальных условиях на дельта-функцию (функцию Дирака, или функцию) , определяемую следующим выражением: 

                                                              (2.3.2)

На функцию дополнительно накладывается условие нормировки, заключающееcя к приравниванию площади под кривой единице, т.е.

                                                   .         (2.3.3)

Примером подобного воздействия является короткое замыкание, устраняемое быстрым перегоранием плавкого предохранителя. функция является математической абстракцией, так как реальные сигналы имеют конечную длительность. На практике сигнал по отношению к данной системе можно считать   функцией, если за время его действия реакция системы изменяется незначительно. Рассмотрим прямоугольный импульс высотой Х0 и малой длительностью . Тогда сигнал можно записать в виде Х0, где  Х0- площадь под кривой сигнала (представленного функцией с неединичной площадью). Очевидно, что функция, кроме размерности физической величины (Х0)  имеет размерность времени : [размерность физической величины  с].

Важным свойством функции является фильтрующее свойство, заключающееся в равенстве              .                      (2.3.4)

При вычислении интеграла учтем, что функция отлична от нуля в узкой окрестности точки t = . Левее и правее этой точки интегралы (площади под кривыми произведения функций х(t) и (t- ) равны нулю. В окрестности точки функция x(t) постоянна, равна x( ) и ее можно вынести за знак  интеграла, а интеграл от функции по условию нормировки равен единице, откуда и следует фильтрующее свойство (2.3.4). Смысл названия свойства в том, что благодаря операции (2.3.4) из множества точек функции х(t) выделяется (фильтруется) единственная точка .

Сказанное можно записать следующим образом ()

.

Пример 2.3.1. Найдем реакцию звена с прередаточной функцией W(p) на    -функцию т.е. на x(t) = при нулевых начальных условиях.

Найдем изображение функции

                               .

Здесь при вычислении мы по существу воспользовались фильтрующим свойством функции, и можно было сразу записать ответ Х(р) = 1. Согласно определению передаточной функции Y(p) = X(р)W(p) = W(p). Но реакцией на -функцию  является  функция веса. Поэтому между функцией веса и передаточной функцией простая связь. Функция веса – это оригинал, а передаточная функция – это ее изображение по Лапласу, т.е. . Поэтому функцию веса обозначают строчной буквой по аналогии с обозначениями оригинала и изображения  в (2.2.11).

Пример 2.3.2. Найдем реакцию звена с прередаточной функцией W(p) на единичный скачок, т.е. на  x(t) = при нулевых начальных условиях.

Найдем изображение единичного скачка.

                             .

Согласно определению передаточной функции имеем Y(p) = X(р)W(p) = . Но реакцией на единичный скачок является  переходная функция. Поэтому между переходной функцией и передаточной функцией простая связь. Переходная функция – это оригинал, а    –  это ее изображение по Лапласу.

Чтобы установить связь между временными характеристиками, обратим внимание на то, что изображение функции веса в р раз больше изображения переходной функции. Следовательно, функция веса является производной от переходной функции. Обратно переходная функция является интегралом от функции веса. Таким образом:

            ;   ;             (2.3.5)

                            .             (2.3.6)

В литературе по теории автоматического управления до сих пор встречается преобразование Карсона-Хевисайда, связанное с преобразованием Лапласа формулой:       .

Переходная и передаточная функции являются парой преобразования Карсона-Хевисайда, т.е. h(t)W(p).

Реакцию на произвольное воздействие можно найти с помощью интеграла Дюамеля, если известны временные характеристики. Вывод интеграла Дюамеля основан на принципе суперпозиции (наложения), справедливом для линейных систем и заключающемся в том, что реакция такой системы на сумму сигналов равна сумме реакций на эти сигналы.

Реальная система не может реагировать на сигнал до момента его возникновения. Поэтому на функцию веса накладывается ограничение, называемое условием физической осуществимости системы:

                                                   w(t)  0,  t < 0 .                            (2.3.9)

В реальных инерционных системах с ограниченной полосой пропускания h(0) = 0, и поэтому вместо (2.3.7) интеграл Дюамеля имеет вид

                                .              (2.3.10)

Временные характеристики типовых звеньев (табл.2.3.1.) можно найти с помощью обратного преобразования Лапласа, имея в виду, что исходя из определений функции веса и переходной функции вытекают отношения

                                   ;      .

Одну временную характеристику можно определить по другой, используя соотношения               ;     .

 

Временные характеристики типовых звеньев        Таблица 2.3.1

,

,     

Временные характеристики можно найти, решая непосредственно диф-ференциальное уравнение при нулевых начальных условиях.

Рассмотрим переходную функцию системы, имеющую вид, изображенный на рис.2.3.2. Время регулирования найдем как время, по истечении которого кривая переходного процесса не выходит за пределы зоны шириной , причем  

( 5 % от установившегося значения). Склонность к колебаниям и, соответственно, степень устой-чивости системы характеризуется динамической ошибкой, или перерегулированием - относительной величиной (в процентах) выброса выходной величины сверх установившегося значения, т.е.

             .                 (2.3.13)

На практике динамическая ошибка обычно составляет 20 - 30%. Максимальное допустимое значение динамической ошибки составляет 50%. В ответственных случаях динамическая ошибка вообще не допускается, т.е. переходный процесс должен быть монотонным (без колебаний, или без перерегулирования, как у инерционного звена, например).

Для сравнения звеньев и систем друг с другом под полосой пропускания понимается диапазон частот, в котором амплитуда A() сохраняет величину не меньше 0.707 Amax.

Пример 2.4.1. Найти полосу пропускания инерционного звена с передаточной функцией по уровню 0.707 от максимальной величины.

Заменяя р на j , получим частотную передаточную функцию   .

Найдем модуль как модуль дроби, равный модулю числителя, деленному на модуль знаменателя. При этом считаем  . Имеем   .

Отсюда Аmax =А(0) = k. На частоте сопряжения имеем . Следовательно, полосой пропускания инерционного звена по уровню является отрезок [ ], а ширина полосы пропускания (длина отрезка) равна .

Так как в линейной системе теоретически переходный процесс заканчивается при t  , то на практике под временем регулирования (или переходного процесса) понимают время tп = tр, по истечении которого график переходной характеристики h(0) не выходит за пределы зоны шириной ± = ±0,05h() от установившегося значения h() как было показано на рис.2.3.2.

Пример 2.4.2. Найти время регулирования инерционного звена из предыдущего примера, принимая за время регулирования момент времени при котором переходная функция достигает  95% от установившегося значения.

Изображение по Лапласу реакции звена на единичное ступенчатое воздействие при нулевых начальных условиях равно  .

Оригинал этого изображения есть .

Отсюда имеем            h() = k, .  (2.4.34)

Переходная функция, или реакция на единичный скачок при нулевых начальных условиях, построенная по (2.4.34), изображена на рис.2.4.10. В случае входного сигнала реакция плавно изменяется (по экспоненте) от нуля до . Т.е. реакция не является скачком высотой . Поэтому звено называют инерционным. Полагая  h(tp) = 0.95 h(), найдем

                                                   .                               (2.4.35)

Следовательно, время регулирования обратно пропорционально полосе пропускания звена . Таким обазом, чем шире полоса пропускания, тем больше быстродействие (меньше время регулирования).

Эта связь между полосой пропускания и временем регулирования вытекает из теоремы подобия, рассматриваемой в преобразовании Фурье (и Лапласа).


Рис.2.3.2. Определение динам
ической ошибки и времени регулирования  

(переходного процесса)

по переходной функции

ис.2.4.10. Переходная

функция инерционного

звена


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

83957. Показатели оценки работы ремонтной службы 77.62 KB
  Современные предприятия оснащены дорогостоящим и разнообразным оборудованием, установками, роботизированными комплексами, транспортными средствами и другими видами основных фондов. В процессе работы из-за износа и разрушения отдельных деталей снижается их производительность, точность и другие параметры.
83958. ФИЛОСОФИЯ В СИСТЕМЕ КУЛЬТУРЫ 34.46 KB
  Философия как мировоззрение. По-этому уже на ранних этапах наряду с религией выработку новых знаний и ориентаций берет на себя светская культура в ее разнообразных проявлениях: искусство и литература философия и наука. Философия мировоззренческая форма сознания.
83959. Кредитные деньги и кредитные орудия 38.02 KB
  Деньги одно из величайших человеческих изобретений. В частности по форме существования деньги бывают наличные и безналичные. Наличные деньги в свою очередь подразделяются на реальные деньги это монеты из драгоценных металлов слитки кредитные деньги банкноты и казначейские билеты и разменные монеты.
83960. НЕСТАЦИОНАРНАЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ 874.45 KB
  В результате вычислений необходимо выполнить следующие задания: Определить число Nu коэффициент теплоотдачи и плотность теплового потока: при свободной конвекции в воде и воздухе; при вынужденной конвекции в воде и воздухе; и плотность теплового потока за счет теплового излучения тела.
83961. ОПИС, ПРИЗНАЧЕННЯ, БУДОВА І ПРИНЦИП ДІЇ ТРИСТУПЕНЕВОГО ЦИЛІНДРИЧНОГО РЕДУКТОРА 182.02 KB
  Редуктор класифікують за такими ознаками: за типом передачі: зубчасті за числом ступенів: триступеневий за типом зубчастих коліс: циліндричні косо зубі прямозубі шевронні за відносним розташуванням валів редуктора в просторі: горизонтальне лінійне за особливостями кінематичної...
83962. Грибы. Слизевики. Особенности строения и деления на таксоны 2.09 MB
  Среди них есть как свободноживущие в почве на разлагающихся растительных остатках и тому подобных субстратах так и паразиты водорослей водных грибов и высших водных и наземных растений. Черты строения гифохитриомикотовых и лабирунтуломикотовых грибов.
83963. Финансовая деятельность и финансовый механизм предприятия. Управление капиталом предприятия 42.38 KB
  Финансовая деятельность и финансовый механизм предприятия. Понятие финансовой деятельности и финансового механизма предприятия. Управление капиталом предприятия 3. Финансы это совокупность денежных отношений возникающих в процессе производства и реализации продукции работ услуг и включающих формирование и использование денежных доходов обеспечение кругооборота средств в воспроизводственном процессе организацию взаимоотношений с другими предприятиями бюджетом банками страховыми организациями и др.
83964. НАСЛЕДОВАНИЕ ИМУЩЕСТВА СУПРУГОВ 105.07 KB
  Как подчеркивается в современной юридической литературе, отсутствие законодательно установленного определения брака связано с тем, что брак является сложным комплексным социальным явлением, находящимся под воздействием не только правовых, но и этических, моральных норм...
83965. Создание печатной формы справочника «Сотрудники». Редактирование отчета «Продажи номенклатуры» 3.47 MB
  В форме элемента справочника «Номенклатура» создайте кнопку «Приход», по нажатии на которую выводился бы отчет о том, по каким документам и за какую стоимость покупалась данная номенклатура. Если номенклатура является услугой, то выведите сообщение о том, что данная информация выводится только для номенклатуры с видом Материал.