Преобразовательные элементы

Корректирующие устройства систем регулирования по отклонению осуществляют преобразование сигнала управления. С этой целью их составляют из элементов, которые удобно называть преобразовательными. В системах комбинированного регулирования основной частью дополнительных цепей (компенсирующей и форсирующей) также являются преобразовательные элементы. Используются электрические, механические, гидравлические, пневматические и иные преобразовательные элементы, но наиболее широкое применение нашли электрические элементы. Рассмотрим основные из них.

Пассивные четырехполюсники постоянного тока.Это электрические цепи из сопротивлений, конденсаторов и индуктивностей. Общая схема пассивного четырехполюсника представлена на рис.5.16 :

Здесь u ₁ и u ₂ - соответственно входное и выходное напряжения постоянного тока; Z ₁ =R ₁ +1/C ₁ s+L ₁ s и Z ₂ =R ₂ +1/C ₂ s+L ₂ s - импедансы чегырехполюсника; R _i ,C _i и L _i - соответственно активные сопротивления, емкости и индуктивности; Z _н - импеданс нагрузки. Если напряжение u ₂ приложено к нагрузке с бесконечно большим импедансом Z _н , то передаточная функция пассивного четырехполюсника

Пассивные четырехполюсники постоянного тока обладают существенными достоинствами. Варьируя вид импедансов Z ₁ и Z ₂ и значения ; R _i , C _i и L _i можно получить неограниченное количество различных четырехполюсников, различных передаточных функций W _П . Стоимость пассивных четырехполюсников низкая, а стабильность параметров достаточно высокая. Этими достоинствами объясняется весьма широкое использование пассивных четырехполюсников в системах автоматического регулирования, у которых сигналом управления является напряжение постоянного тока.
Основной недостаток пассивных четырехполюсников в том, что они ослабляют сигнал. Кроме того, при конечном значении импеданса Z _н нагрузки преобразование сигнала отклоняется от желаемого, соответствующего виду передаточной функции W _П составленной по (5.29) . Если импеданс Z _н сопоставим с Z ₂ , то передаточная функция W _П четырехполюсника должна составляться с учетом Z _н . Однако в этом случае уже труднее получить передаточную функцию желаемого вида.
Наиболее характерные схемы пассивных четырехполюсников постоянного тока приведены в табл. 5.1. Там же даны выражения их передаточных функций и показаны логарифмические частотные характеристики.
Принято разделять четырехполюсники на дифференцирующие, интегрирующие и интегро-дифференцирующие. Дифференцирующие четырехполюсники (схемы 1, 2 в табл. 5.1) в определенном диапазоне частот дифференцируют сигнал и создают положительный сдвиг по фазе. Интегрирующие четырехполюсники (схемы 3, 4 в табл. 5.1) в некотором диапазоне частот обеспечивают интегрирование сигнала, создают отрицательный сдвиг по фазе. Интегро-дифференцирующие четырехполюсники (схема 5 в табл. 5.1) в одном диапазоне частот дифференцируют сигнал, а в другом диапазоне его интегрируют.

Иногда оказывается целесообразным или необходимым соединить два пассивных четырехполюсника последовательно (рис. 5.17, а) . Передаточную функцию такого соединения можно определять по формуле

только при условии, что сумма импендансов Z ₁₂ +Z ₂₂ второго четырехполюсника значительно, по крайней мере на порядок, больше импеданса Z ₂₁ первого четырехполюсника.

Таблица 5.1
№	Электрическая схема	Логарифмические частотные характеристики	Передаточная функция

Чаще пассивные четырехполюсники соединяют последовательно через разделительный усилитель (рис. 5.17,б) . Если входное сопротивление усилителя не влияет на передаточную функцию W _G1 первого четырехполюсника, то передаточная функция соединения

где k _y - передаточный коэффициент усилителя.
Преимущество второй схемы еще и в том, что разделительный усилитель компенсирует понижение уровня сигнала, вызываемое пассивными четырехполюсниками.
Активные четырехполюсники постоянного тока.Общая схема такого четырехполюсника представлена на рис. 5.18. Четырехполюсник состоит из входного импеданса Z и усилителя постоянного тока с отрицательной обратной cвязью, которая создается импедансом Zo .

В активных четырехполюсниках используются операционные усилители с весьма большим передаточным коэффициентом ( k _y =50000 и более) . Поэтому передаточная функция четырехполюсника с достаточной точностью равна отношению импедансов

Знак минус указывает на то , что знак напряжения u ₂ противоположен знаку u ₁ (фаза сигнала изменяется на 180°) . Активные четырехполюсники удается выполнять так, что они осуществляют почти идеальное дифференцирование или интегрирование сигнала, тем более в ограниченной полосе частот. Передаточный коэффициент четырехполюсника может быть значительным. Легко осуществить суммирование нескольких сигналов на входе. Все это весьма существенные достоинства активных четырехполюсников. Однако они значительно сложнее и дороже пассивных четырехполюсников. При составлении схемы активного четырехполюсника необходимо проверять его устойчивость, так как он представляет собой замкнутую систему - в нем имеется обратная связь.

В табл. 5.2 приведены простейшие схемы активных четырехполюсников, их передаточные функции и логарифмические частотные характеристики.

Таблица 5.2
№	Электрическая схема	Логарифмические частотные характеристики	Передаточная функция

Схема 1 является дифференцирующей, при R ₁ =0 ее передаточная функция принимает следующий вид: W _a =-T ₁ s . . Схема 2- интегрирующая, при R ₂ ее передаточная функция W _a =-1/ (T ₁ s) . Схема 3 интегро-дифференцирующая.
Варьируя вид импедансов Z и Zo и параметры их элементов, можно получить активные четырехполюсники с весьма разнообразными, значительно более сложными передаточными функциями.