Типовые радиотехнические звенья
Устройства систем РА, имеющие различное конструктивное исполнение и принципы работы, могут описываться одинаковыми дифференциальными уравнениями. Устройства систем РА, классифицируемые по виду передаточных функций, называют типовыми радиотехническими звеньями. При моделировании типовых радиотехнических звеньев принимаются следующие допущения:
§ система разбивается на возможно простые звенья;
§ типовое радиотехническое звено имеет лишь одну входную и одну выходную величину и описывается одной передаточной функцией;
§ звенья обладают направленностью действия с входа на выход;
§ состояние звена не влияет на состояние предшествующего звена, работающего на его вход.
Передаточная функция типового радиотехнического звена в общем виде представляется как произведение сомножителей следующего вида [3]:
(4.16)
где k, n, T, x, t, z – постоянные, причем k > 0, где n может быть положительным и отрицательным целым числом, T > 0, 0 £ x < 1, t > 0, 0 £ z < 1.
В соответствии с видом сомножителей (4.16) в табл. 4.1 приведены типовые радиотехнические звенья. В ней даны дифференциальные уравнения и передаточные функции этих звеньев, и показано их деление по основным свойствам на три группы: позиционные, интегрирующие и дифференцирующие.
Таблица 4.1 - Типовые звенья радиоавтоматики
Тип звена | Дифференциальное уравнение | Передаточная функция W=W(p) | ||
Позиционные звенья | Идеальное усилительное (безынерционное) | |||
Апериодическое (инерционное) | ||||
Апериодическое (инерционное) второго порядка | , где | , где | ||
Колебательное | , где | |||
Консервативное | ||||
Интегрирующее | Интегрирующее идеальное | |||
Интегрирующее инерционное | ||||
Изодромное | , где k1=kt | |||
| , где | , где k1 = 2kxt; k2 = kt2; | ||
Дифференцирующее | Дифференцирующее идеальное | |||
Дифференцирующее инерционное | ||||
Форсирующее идеальное | ||||
Форсирующее идеальное второго порядка | , где | |||
Примечание: обозначения, принятые в таблице 4.1: k – коэффициент усиления; T, t – постоянные времени; x – коэффициент демпфирования (относительный коэффициент затухания); p – оператор Лапласа и дифференцирования.
Позиционные звенья, кроме консервативного, характеризуются тем, что в каждом из них при подаче на вход постоянной величины с течением времени устанавливается постоянное значение выходной величины. Отношение установившихся значений выходной и входной величин называют передаточным коэффициентом k звена.
В безынерционном (идеальном) звене при скачкообразном изменении входной величины мгновенно без какого-либо запаздывания изменяется и выходная величина – переходного процесса нет. В апериодическом звене выходная величина нарастает монотонно. Продолжительность переходного процесса зависит от второго параметра звена, называемого постоянной времени T. Чем больше постоянная времени, тем медленнее протекает переходной процесс.
В апериодическом звене второго порядка переходной процесс также монотонный, но его продолжительность зависит от двух постоянных времени T1, T2.
Выходная величина колебательного звена в переходном процессе совершает колебания около того значения, которое должно установиться. Затухание колебаний зависит от значения третьего параметра звена, называемого коэффициентом демпфирования x, который лежит в пределах от нуля до единицы. Чем больше x, тем меньше отклонения и тем быстрее заканчивается переходной процесс.
Консервативное звено есть вырожденный случай колебательного звена (x= 0). Возникшие в нем колебания не затухают. Передаточный коэффициент k указывает отношение амплитуды гармонических колебаний выходной величины к постоянной входной величине.
Интегрирующие звенья характеризуются тем, что при постоянном входном воздействии выходная величина неограниченно растет. У идеального интегрирующего звена передаточный коэффициент k определяет скорость этого роста. У реального интегрирующего звена такой режим устанавливается позднее и зависит от постоянной времени T.
В изодромных звеньях имеет место некоторый начальный скачок выходной величины и затем ее неограниченное нарастание. Передаточный коэффициент k изодромного звена первого порядка определяет скорость последующего нарастания выходной величины, а изодромного звена второго порядка – постоянное ускорение, с которым нарастает выходная величина.
Дифференцирующие звенья реагируют лишь на изменения входной величины. Например, если входная величина идеального дифференцирующего звена нарастает с постоянной скоростью, то выходная величина удерживается на постоянном уровне, пропорциональном этой скорости.
В природе идеальных дифференцирующих звеньев нет – они всегда имеют некоторую (хотя бы и очень малую) инерционность. При линейном нарастании входной величины реального дифференцирующего звена постоянное значение его выходной величины устанавливается не сразу, а тем позже, чем больше постоянная времени T.
Форсирующие звенья сочетают в себе свойства позиционного и дифференцирующего звеньев.
В инженерной практике при анализе и исследовании систем РА используют семь видов типовых звеньев: безынерционные, инерционные, интегрирующие, колебательные, идеальные дифференцирующие, реальные дифференцирующие первого порядка и звенья запаздывания. Рассмотрим их основные передаточные свойства.
Безынерционное (пропорциональное) звено. К числу таких звеньев относятся устройства с передаточной функцией , где k – коэффициент передачи звена. Амплитудная и фазочастотная характеристики звена: , ; переходная функция . ЛАЧХ и фазовая частотная характеристика звена не зависит от частоты (рис. 4.10).
Рис. 4.10 - Логарифмические амплитудная (а) и фазовая (б) частотные
характеристики безынерционного звена
Примерами таких звеньев являются потенциометр, полупроводниковый усилитель, операционный усилитель, зубчатая передача и т.п.
Инерционное (апериодическое) звено. К подобным звеньям относятся устройства с передаточной функцией
. (4.17)
Пример инерционного звена – RC-цепочка (рис. 4.11, а). Частотная характеристика инерционного звена имеет вид
.
Рис. 4.11 - Схема (а) и годограф (б) RC-цепи инерционного звена
Вещественная и мнимая частотные характеристики:
; ;
амплитудная и фазовая характеристики:
; . (4.18)
Годограф инерционного звена (рис. 4.11, б) имеет сопрягающую частоту wс =1/T .
Переходная функция звена находится по формуле (3.10) и имеет вид
.
Импульсная переходная функция находится по формуле (3.16).
Логарифмическая частотная характеристика инерционного звена в соответствии с выражением (3.29) и (4.18) имеет вид
. (4.19)
Предварительно построим приближенную характеристику в диапазоне частот от 0 до сопрягающей частоты wс=1/Т, пренебрегая в (4.19) слагаемым, зависящим от частоты (оно меньше единицы), получим . Этому выражению соответствует прямая линия, параллельная оси частот (рис. 4.12, а). На частотах больших сопрягающей частоты wс пренебрежем единицей. Тогда (4.19) будет иметь вид . Так как частота по оси абсцисс откладывается в логарифмическом масштабе, то этому выражению соответствует прямая линия с наклоном –20 дБ/дек.
Характеристику, составленную из прямых отрезков L1 и L2, называют асимптотической. Наибольшее отклонение асимптотической характеристики от точной получается на сопрягающей частоте; оно равно – 3 дБ. На частотах, отличающихся от сопрягающей на одну октаву, отклонение составляет –1 дБ.
Логарифмическую фазочастотную характеристику (рис. 4.12, б) строят в соответствии с выражением (4.18).
Рис. 4.12 - Логарифмическая амплитудночастотная (а) и фазочастотная (б) характеристики инерционного звена
Интегрирующее звено. К числу таких звеньев относятся устройства с передаточной функцией
. (4.20)
Годограф интегрирующего звена приведен на рис. 4.13.
Примеры интегрирующего звена: электрический двигатель с передаточной функцией (4.15), если в ней пренебречь электромеханической постоянной времени; усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, в цепь обратной связи которого включен конденсатор.
Вещественная, мнимая и частотные характеристики интегрирующего звена имеют вид:
; ,
амплитудная и фазовая характеристики:
; . (4. 21)
Рис. 4.13 - Годограф частотной характеристики
интегрирующего звена
Логарифмическая АЧХ звена с учетом (3.29) и (4.21) определяется выражением .
Этому уравнению соответствует прямая линия с наклоном –20 дБ/дек (рис. 4.14, а). Логарифмическая ФЧХ (4.21) не зависит от частоты и равна –p/2 (рис. 4.14, б).
Рис. 4.14 - Логарифмическая (а) и фазовая (б) частотная
характеристика интегрирующего звена
Колебательное звено. Передаточная функция звена имеет вид
(4.22)
где x – относительный коэффициент затухания.
Примером колебательного звена является контур, состоящий из индуктивной катушки, резистора и конденсатора (рис. 4.15, а).
Рис. 4.15 - Схема (а) и годограф частотной характеристики (б)
колебательного звена
Амплитудная и фазовая частотные характеристики колебательного звена соответственно имеют вид:
(4.23)
Переходная функция звена в соответствии с (3.10)
,
где .
Если x > 1, то полюсы передаточной функции (4.22) – отрицательные действительные числа, поэтому передаточную функцию звена можно представить в виде
,
где T1 = 1/l1; T2 = 1/l2.
С учетом (3.29) ЛАЧХ колебательного звена будет определяться выражением
.
Приближенная характеристика звена состоит из двух участков. На участке до сопряженной частоты с наклоном 0 дБ/дек, в диапазоне частот больше сопряженной с наклоном –40 дБ/дек (рис. 4.16).
Рис. 4.16 - Логарифмическая (а) и фазовая (б) частотная
характеристика инерционного звена
Максимальное отклонение точной характеристики от приближенной получается на сопряженной частоте и равно – 20 lgx. Уточнение приближенной характеристики производится расчетным путем. Логарифмическую ФЧХ строят в соответствии с выражением (4.23).
Идеальное дифференцирующее звено. Передаточная функция звена не удовлетворяет условию физической реализуемости, поэтому звено называют идеальным. Годограф звена изображен на рис. 4.17. Частотные характеристики звена имеют вид
; . (4.24)
Рис. 4.17 - Годограф частотной характеристики идеального
дифференцирующего звена
Переходная функция звена имеет вид , где – дельта-функция.
Логарифмическая АЧХ звена в соответствии с (3.29) и (4.24) определяется как
Этому уравнению соответствует прямая линия с наклоном + 20 дБ/дек (рис. 4.18, а). Логарифмическая ФЧХ (4.21) не зависит от частоты и равна + p/2 (рис. 4.18, б).
Рис. 4.18 - Логарифмическая (а) и фазовая (б) частотная характеристика идеального дифференцирующего звена
Дифференцирующее звено первого порядка. Передаточная функция звена дифференцирующего (форсирующего) звена имеет вид (рис. 4.19), а частотная и фазовая характеристики соответственно:
; (4.25)
Рис. 4.19 - Годограф частотной характеристики дифференцирующего
звена первого порядка
Переходная функция звена имеет вид , где - дельта функция.
Логарифмическая частотная характеристика форсирующего звена в соответствии с выражением (3.29) и (4.25) имеет вид
. (4.26)
Приближенная характеристика форсирующего звена в диапазоне частот от 0 до сопряженной частоты wс=1/Т имеет вид . Этому выражению соответствует прямая линия, параллельная оси частот (рис. 4.20, а). На частотах больших сопряженной частоты wс, пренебрегая единицей, характеристика (4.26) будет иметь вид . Так как частота по оси абсцисс откладывается в логарифмическом масштабе, то этому выражению соответствует прямая линия с наклоном –20 дБ/дек.
Рис. 4.20 - Логарифмическая (а) и фазовая (б) частотная характеристика дифференцирующего звена первого порядка
Звено запаздывания. Это звено используется для моделирования сдвига входного сигнала во времени, не искажая его ЛАЧХ и фазочастотной характеристик. Передаточная функция звена имеет вид , где T – время запаздывания. Частотные характеристики имеют вид
; .
Годограф звена запаздывания имеет вид окружности с единичным радиусом (рис. 4.21).
Рис. 4.21 - Годограф частотной характеристики
звена запаздывания
Переходная функция, ЛАЧХ и фазочастотная характеристика звена запаздывания, как отмечалось ранее, не искажают характеристики системы РА в целом.
Дата добавления: 2020-10-25; просмотров: 652;