УТС_31_34 (Лекционный курс), страница 2
Описание файла
Файл "УТС_31_34" внутри архива находится в следующих папках: Лекционный курс, Разд_3. Документ из архива "Лекционный курс", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "управление техническими системами (утс)" из 8 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "лекции и семинары", в предмете "управление техническими системами (утс)" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "УТС_31_34"
Текст 2 страницы из документа "УТС_31_34"
Уравнение динамики каждого звена имеет вид: y(t) = k∙x(t) – т.е. уравнение не является дифференциальным, следовательно, данное звено является безинерционным.
Переходя к изображениям => x(t) X(s); y(t) Y(s) => получаем =>
Y(s) = k∙X(s) – уравнение динамики звена в изображениях.
– Передаточная функция идеального усилительного звена.
АФЧХ =>W(iω) =W(s)│s=iω = K => не зависит от “ω”
Годограф АФЧХ “вырождается” в точку => U(ω) =K; V(ω) =0;
A(ω) ≡ mod W(iω) =│W(iω)│=K => Lm(ω) = 20lg A(ω) = 20lg K; =>
φ(ω) = const =0 => т.е. фазового сдвига нет.
=> данное звено является безинерционным чисто усилительным звеном.
Найдем весовую w(t) и переходную h(t) функции звена:
=>
В самом деле: => w(t) = Z -1[W(s)] = Z -1[K] = K∙ Z -1[1] = K∙δ(t) =>
h(t) = Z -1[H(s)] = Z -1[ ] = Z -1[K/s] = K∙Z -1[1/s]
h(t) = K∙1(t) =>
3.2.2. Идеальное дифференцирующее звено
=> Уравнение динамики звена имеет вид: y(t) = K∙τ∙x’(t),
где τ – постоянная времени.
Переходя к изображениям => x(t) X(s); x’(t) s∙X(s); y(t) Y(s) =>
Y(s) = K∙τ∙s∙X(s) – уравнение динамики звена в изображениях =>
W(s) = – передаточная функция идеального дифференцирующего звена
АФЧХ => W(iω) = W(s)│s=iω = i∙ K∙τ∙ω => U(ω) = 0; V(ω) = K∙τ∙ω;
A(ω) = mod W(iω) = |W(iω)| = K∙τ∙ω => φ(ω) = const =
Графики годографа АФЧХ, A(ω) и φ(ω) имеют вид:
ЛАХ Lm(ω) = 20lg A(ω) = 20lg K + 20lg τ∙ω =>
=> данное звено обеспечивает опережение по фазе на π/2.
Чем выше частота единичного гармонического сигнала на входе в звено, тем выше амплитуда выходного сигнала в установившемся режиме.
Найдем весовую и переходную функции звена =>
w(t) = Z -1[ ] = Z -1[K∙τ∙s] = [K∙τ∙ Z -1[1]] = K∙τ ∙δ(t) =>
w(t) = K∙τ ∙δ’(t) =>
Учитывая, что δ(t) «утрировано» А весовая функция пропорциональна
имеет вид => см. ниже => производной от δ(t) => см. ниже
h(t) = Z -1[H(s)] =Z -1[ ] = Z -1[K∙τ ∙s/s] = K∙τ ∙δ(t)
h(t) = K∙τ ∙δ(t) =>
=>
Иногда ИДЗ представляется в виде W(s) = τ ∙s или W(s) = K∙s. В последнем варианте коэффициент К имеет смысл постоянной времени.
3.2.3. Идеальное интегрирующее звено
Уравнение динамики такого звена имеет вид:
=> в изображениях => – уравнение динамики в изображениях => – передаточная функция идеального интегрирующего звена.
АФЧХ => W(iω) = W(s)│s=iω = K /i∙T∙ω => W(iω) = K/i∙T∙ω => умножая на i =>
W(iω) = - i∙K/ T∙ω => U(ω) = 0; V(ω) = - K/T∙ω; => Годограф АФЧХ имеет вид:
=>
=> т.е. данное звено всегда дает отставание по фазе на угол .
см. ниже => Lm(ω) = 20lg A(ω) = 20lgK– 20lg T∙ω => см. ниже
Найдем w(t) и h(t) =>
h(t) = Z -1[H(s)] = Z -1[ ] = Z -1[1/s2] = (K/T) ∙t =>
h(t) = (K/T)∙t => см. ниже
где множитель 1(t) обеспечивает равенство нулю w(t) при t ≤ 0.
Примерами идеального усилительного звена можно считать: широкополосный электронный усилитель (приближенно); механический редуктор без учета инерционности и нелинейных эффектов; жесткую механическую муфту и т.д.
Примером идеального дифференцирующего звена можно считать тахогенератор =>
, где u(t) – напряжение на клеммах тахогенератора; φ(t) – угол поворота якоря (ротора) тахогенератора.
Примером идеального интегрирующего звена можно считать большинство электродвигателей (без учета инерционности якоря), где входным воздействием считать напряжение в обмотке возбудителя (двигателем постоянного тока), а выходным воздействием – угол поворота выходного вала.
где E(t) – напряжение в обмотке возбуждения (или ток); φ(t) – угол поворота выходного вала электродвигателя (ЭД).
3.3. Апериодическое звено 1 – го порядка (инерционное звено)
Вывод свойств (характеристик) апериодического звена сделаем на примере фрагмента (части) ядерного, а именно – входной камеры смешения.
Сделаем следующие допущения:
-
расход теплоносителя постоянен => G = const;
-
теплоемкость теплоносителя = const = Cp;
-
входящий в камеру смешения теплоноситель полностью перемешивается в камере смешения, т.е. температура жидкости, поступающий в каждый тепловыделяющий канал одинакова;
-
теплообмен камеры смешения с окружающей средой пренебрежимо мал.
Уравнение теплового баланса
где ρ – плотность теплоносителя,
V – объем камеры смешения
Твх(t), Твых(t) – температура теплоносителя на входе и выходе, соответственно.
Т(t) – температура (перемешанного) теплоносителя в камере смешения => T(t) ≡ Tвых(t)
Условие стационара соответствуют приравниванию нулю левой части уравнения
= нулю => Tвх(0) = Tвых(0) = T0 (т.к. нет теплообмена). (3.3.2)
Введем новые переменные:
Подставляя эти соотношения в (3.3.1), получаем:
τ – постоянная времени
1 – аналог К;
Таким образом получили линейное дифференциальное уравнение, причем решенные и - нормализованные, что обеспечивает равенство их нулю при t ≤ 0 =>
Уравнение (3.3.3) соответствует типовому апериодическому звену первого порядка:
В общем случае уравнение динамики апериодического звена 1-го порядка имеет вид:
уравнение динамики в виде ОДУ (3.3.4)
Если начальные условия нулевые, то y(t) Y(s);
y’(t) s·Y(s); =>
x(t) X(s);
Уравнение динамики в изображениях => [T·s+1] ·Y(s) = K·X(s) (3.3.5)
Передаточная функция апериодического звена 1 - го порядка: (3.3.6)
Найдем выражение для АФЧХ =>
s = i∙ω => W(iω) = W(s)│s=iω = (3.3.7)
умножим на комплексно – сопряженное значение (1 – i∙T∙ω) =>
анализируя поведение u(ω) и v(ω) =>
Подставляя в формулы (3.3.8) различные значения частоты ω найдем соответствующее значение u(ω) и v(ω) => построим эти вектора на комплексной плоскости:
Анализ показывает, что годограф АФЧХ — полукруг радиусом = K =>
φ3 = φ(ω3) = - , причем “легко видеть”, что ω3 = .
Учитывая, что годограф АФЧХ находится в IV-ой квадранте, то => (3.3.10)
ЛАХ => Lm(ω) = 20lg A(ω) = 20lgK – 20lg =>
Анализируя частотные свойства данного звена =>
-
При ω << свойства звена приблизительно совпадают со свойствами идеального усилительного звена, т.е. W(iω) ≈ K => W(s) ≈ K.
-
При ω >> свойства звена приблизительно совпадают со свойствами идеального интегрирующего звена, т.е. W(iω) ≈ => W(s) ≈ .
-
При ω ≈ => на свойства звена оказывают примерно равное “влияние” свойства идеального усилительного и идеального интегрирующего звена.
Принято называть частоту, при которой происходит “излом” ЛАХ (ωсопр = ) =>
− сопрягающей частотой или => ωсопр = => причем не трудно показать, что при ωсопр = величина амплитуды А(ωсопр) меньше А(0) = К в раз => А(ωсопр) = .
Частотой среза ωср называют такое значение частоты, при которой модуль (амплитуда) выходного сигнала (воздействия) = 1,0 =>
=> ωср= => если K>>1
Если K < 1, то частота среза не существует!!!
Найдем переходную функцию звена (реакция на единичное ступенчатое воздействие)
=> дифференцируя по времени => получаем весовую функцию ω(t)
=> множитель 1(t) обеспечивает = 0 при t ≤ 0
Рис. Переходная функция Рис. Весовая функция
Постоянная времени Т характеризует инерционность переходных процессов в звене => чем больше Т, тем инерционнее звено (т.е. медленнее идет переходной процесс).
Примерами апериодического звена 1- го порядка являются:
1) Пассивные R−L или R−C цепочки =>
2) упрощенная модель гидротурбины, где x(t) = приводной момент; y(t) − скорость вращения ротора турбины.
3) электродвигатель (постоянного тока или асинхронный) с учетом инерционности якоря (ротора), где x(t) − например, напряжение в обмотке возбуждения, а y(t) − скорость вращения якоря (ротора) => выходного вала;
4) тепловые датчики, например, термопара, где: x(t) − температура одного (“горячего”) спая, а y(t) − термо Э.Д.С.
5) выходная камера смешения в реакторе (приближенно)
6) различные элементы реактора, описываемые в рамках точеных моделей (например, активная зона или ядерное горючее) с использованием закона Фурье:
где T(t) − температура топлива;