Дифференцированные уравнения

1.ВВЕДЕНИЕ

2.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

2.1.ЗАПИСЬ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ
В СТАНДАРТНОЙ И ОПЕРАТОРНОЙ ФОРМЕ

В теории автоматического регулирования в настоящее время принято записывать дифференциальные уравнения в двух формах.
Первая форма записи. Дифференциальные уравнения записываются так, чтобы выходная величина и ее производные находились в левой части уравнения, а входная величина и все остальные члены — в правой части. Кроме того, принято, чтобы, сама выходная величина находилась в уравнении с коэффициентом единица. Такое уравнение имеет вид

= (1)
При такой записи коэффициенты k,k1,…,kn называют коэффициентами передачи, а T1,…,Tn — постоянными времени данного звена.
Коэффициент передачи показывает отношение выходной величины звена к входной в установившемся режиме, т.е. определяет собой наклон линейной статической характеристики звена.
Размерности коэффициентов передачи определяются как

размерность k = размерность y(t) размерность g(t)

размерность k1 = размерность y(t) размерность g(t) (?)

Постоянными времени T1,…,Tn имеют размерность времени.
Вторая форма записи. Считая условно оператор дифференцирования p= алгебраической величиной, произведем замену в уравнении (1)

=

= (2)

2.2. ПЕРЕДАТОЧНАЯ ФУНКЦИЯ ЗВЕНА

Решим уравнение (2) относительно выходной величины y(t)
y(t)==
==

=W1(s)+W2(s)+…+Wn(s)
Здесь W1(s),W2(s),…,Wn(s) — передаточные функции.
При записи уравнений с изображениями выходной и входной величин по Лапласу передаточные функции сливаются в одну.

2.3. ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВЕНА

Динамические свойства звена могут быть определены по его переходной функции и функции веса.
Переходная функция h(t) представляет собой переходный процесс на выходе из звена, возникающий при подаче на его вход единичного ступенчатого воздействия — скачкообразного воздействия со скачком, равной единице.
Функция веса w(t) представляет собой реакцию на единичную импульсную функцию. Она может быть получена дифференцированием по времени переходной функции
w(t)=

2.4.ЧАСТОТНАЯ ПЕРЕДАТОЧНАЯ ФУНКЦИЯ И ЧАСТОТНЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ

Важнейшей характкристикой динамического звена является его частотная передаточная функция. Ее можно получить с помощью передаточной фкнкции, заменив линейный оператор s на комплексный jw.
Так как передаточная функция есть отношение изображения по Лапласу выходной величины к входной, то при переходе от изображения Лапласа к изображению Фурье, мы получим, что частотная передаточная функция является изображением Фурье функции веса, то есть имеет место интегральное преобразование
W(j)=.
Частотная передаточная функция может быть представлена в следующем виде
W(jw)=U(w)+jV(w)
где U(w) и V(w) — вещественная и мнимая части.
W(jw)=A(w),
где A(w) — модуль частотной передаточной функции, равный отношению амплитуде выходнгой величины к амплитуде входной,j(w) — аргументчастотной передаточной функции, равный сдвигу фаз выходной величины по отношению к входной.
Для наглядного представления частотных свойств звена используются так называемые частотные характеристики.
Амплитудная частотная характеристика (АЧХ) показывает, как пропускает звено сигнал различой частоты. Оценка пропускания делается по отношению амплитуд выходной и входной величин. То есть АЧХ — это модуль частотной передаточной функции
A(w)=ЅW(jw)Ѕ
АЧХ строят для всео диапазона частот -Ґ

Другой важной характеристикой является фазовая частотная характеристика (ФЧХ), которая находится как аргумент частотной передаточной функции
j(w)=argW(jw)

4. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВЕНЬЕВ

4.1. ПОЗИЦИОННЫЕ ЗВЕНЬЯ

Позиционные звенья — это такие звенья , в которых выходная и входная величины в установившемся режиме связаны линейной зависимостью y(t)=kg(t).Соответственно, переходная функция будет иметь вид W(s)=k, где N(s), L(s) — многочлены.

4.1.1.ИДЕАЛЬНОЕ УСИЛИТЕЛЬНОЕ ( БЕЗЫНЕРЦИОННОЕ ) ЗВЕНО

1. Данное звено описывается следующим уравнением
aoy(t)=bog(t) (1)
Коэффициенты имеют следующие значения
ao=2
bo=4
Запишем это уравнение в стандартной форме. Для этого разделим (1) на ao
y(t)=g(t)
y(t)=kg(t) (2),
где k=-коэффициент передачи.
Запишем исходное уравнение в операторной форме, используя подстановку p= .Получим
y(t)=kg(t) (3)
2. Получим передаточную функцию для идеального звена. Воспользуемся преобразованиями Лапласа
y(t)=Y(s)
g(t)=G(s)
По определению передаточная функция находится как отношение выходного сигнала к входному. Тогда уравнение (2) будет иметь вид
Y(s)=kG(s)
W(s)=k (4)
3. Найдем выражения для переходной функции и функции веса. По определению аналитическим выражением переходной функции является решение уравнения (2) при нулевых начальных условиях, т.е. g(t)=1. Тогда
h(t)=k1(t) (5)
Функцию веса можно получить дифференцированием переходной функции
w(t)==kd(t) (6)
4. Построим графики переходной функции и функции веса. Подставляя исходные данные, вычислим коэффициент передачи и временные характеристики
k=2
h(t)=2Ч1(t)
w(t)=2Чd(t)
Переходная функция представляет собой ступенчатую функцию с шагом k=2, а функция веса — импульсную функцию, площадь которой равна k=2.
5. Получим частотную передаточную функцию, заменив в передаточной функции (4) s на jw
W(s)=k
W(jw)=k (7)
W(jw)=U(w)+jV(w)
U(w)=k
V(w)=0
6. Получим аналитические выражения для частотных характеристик. По определению амплитудная частотная характеристика (АЧХ) — это модуль частотной передаточной функции, т.е.
A(w)=ЅW(jw)Ѕ
A(w)=k (8)
Фазовая частотная характеристика (ФЧХ) — это аргумент частотной передаточной функции, т.е.
j(w)=argW(jw)
j(w)=0 (9)
Для построения логарифмических частотных характеристик вычислим
L(w)=20lg A(w)
L(w)=20lgk
7. Построим графики частотных характеристик. Для этого сначала получим их численные значения.
k=2
A(w)=2
j(w)=0
L(w)=20lg2
U(w)=2
V(w)=0

Вывод Примером рассмотренного звена может являться механический редуктор, делитель напряжения, индукционные датчики и т.д. Но беэынерционное звено является некоторой идеализацией реальных звеньев. В действительности ни одно звено не может равномерно пропускать все частоты от нуля до бесконечности. Обычно к такому виду сводится одно из реальных звеньев , рассмотренных ниже , если можно пренебречь влиянием динамических процессов.

4.1.2. УСИЛИТЕЛЬНОЕ ЗВЕНО С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ

1. Данное звено описывается следующим уравнением
aoy(t)=bog(t-t) (1)
Коэффициенты имеют следующие значения
ao=2
bo=4
t=0,1с
Запишем это уравнение в стандартной форме. Для этого разделим (1) на ao
y(t)= g(t-t)
y(t)=kg(t-t) (2),
где k=-коэффициент передачи.
Запишем исходное уравнение в операторной форме, используя подстановку p= .Получим
y(t)=kg(t-t) (3)
2. Получим передаточную функцию для идеального звена. Воспользуемся преобразованиями Лапласа
y(t)=Y(s)
g(t-t)=G(s)e-ts
По определению передаточная функция находится как отношение выходного сигнала к входному. Тогда уравнение (2) будет иметь вид
Y(s)=kG(s) e-ts
W(s)= ke-ts (4)
3. Найдем выражения для переходной функции и функции веса. ПО определению аналитическим выражением переходной функции является решение уравнения (2) при нулевых начальных условиях, т.е. g(t)=1.Тогда
h(t)=y(t)=k g(t-t)=k1(t) (5)
Функцию веса можно получить дифференцированием переходной функции
w(t)==kd(t-t) (6)
4. Построим графики переходной функции и функции веса. Подставляя исходные данные, вычислим коэффициент передачи и временные характеристики
k=2
h(t)=2Ч1(t-t)
w(t)=2Чd(t-t)
Переходная функция представляет собой ступенчатую функцию с шагом k=2 и запаздыванием на t=0,1с, а функция веса — импульсную функцию с таким же запаздыванием, площадь которой равна k=2.
5. Получим частотную передаточную функцию, заменив в передаточной функции (4) s на jw
W(s)=k e-ts
W(jw)=k e-jwt =k(costw-jsintw) (7)
W(jw)=U(w)+jV(w)
U(w)=k costw
V(w)=-ksintw
6. Получим аналитические выражения для частотных характеристик. По определению амплитудная частотная характеристика (АЧХ) — это модуль частотной передаточной функции, т.е.
A(w)=ЅW(jw)Ѕ
A(w)=k (8)
Фазовая частотная характеристика (ФЧХ) — это аргумент частотной передаточной функции, т.е.
j(w)=argW(jw)
j(w)= tw (9)
Для построения логарифмических частотных характеристик вычислим
L(w)=20lg A(w)
L(w)=20lgk
7. Построим графики частотных характеристик. Для этого сначала получим их численные значения.
k=2
A(w)=2
j(w)=0,1w
L(w)=20lg2
U(w)=2cos0,1w
V(w)=-2sin0,1w

Вывод

4.1.3. УСТОЙЧИВОЕ АПЕРИОДИЧЕСКОЕ ЗВЕНО 1-го ПОРЯДКА

1. Данное звено описывается следующим уравнением
a1 + aoy(t) =bog(t) (1)
Коэффициенты имеют следующие значения
a1=1,24
ao=2
bo=4
Запишем это уравнение в стандартной форме. Для этого разделим (1) на ao
+y(t)=g(t)

T1 +y(t)=kg(t) (2),
где k=-коэффициент передачи,
T1=-постоянная времени.
Запишем исходное уравнение в операторной форме, используя подстановку p= .Получим
(T1 p+1)y(t)=kg(t) (3)
2. Получим передаточную функцию для апериодического звена. Воспользуемся преобразованиями Лапласа
y(t)=Y(s)
=sY(s)
g(t)=G(s)
По определению передаточная функция находится как отношение выходного сигнала к входному. Тогда уравнение (2) будет иметь вид
T1 sY(s)+Y(s)=kG(s)
W(s)= (4)
3. Найдем выражения для переходной функции и функции веса. По определению аналитическим выражением переходной функции является решение уравнения (2) при нулевых начальных условиях, т.е. g(t)=1 или по преобразованиями Лапласа
h(t)=H(s)
H(s)=W(s)==
Переходя к оригиналу, получим
h(t)=kЧ1(t) (5)
Функцию веса можно получить дифференцированием переходной функции
w(t)=
или из преобразований Лапласа
w(t)=w(s)
w(s)=W(s)Ч1
W(s)==
Переходя к оригиналу, получим
w(t)= e Ч1(t) (6)
4. Построим графики переходной функции и функции веса. Подставляя исходные данные, вычислим коэффициент передачи, постоянные времени и временные характеристики
k=2
T1 =0.62
h(t)=2 Ч1(t)
w(t)=3.2eЧ1(t)
Переходная функция представляет собой экспоненту. Множитель 1(t) указывает ,что экспонента рассматривается только для положительного времени t>0. Функция веса — также экспонента, но со скачком в точке t=0 на величину.
5. Получим частотную передаточную функцию, заменив в передаточной функции (4) s на jw
W(s)=
W(jw)= (7)
W(jw)=U(w)+jV(w)==-j
U(w)=
V(w)=
6. Получим аналитические выражения для частотных характеристик. По определению амплитудная частотная характеристика (АЧХ) — это модуль частотной передаточной функции,т.е.
A(w)=ЅW(jw)Ѕ
A(w)== (8)
Фазовая частотная характеристика (ФЧХ) — это аргумент частотной передаточной функции, т.е.
j(w)=argW(jw)
j(w)=arctgk — arctg
j(w)=-arctgT1 (9)
Для построения логарифмических частотных характеристик вычислим
L(w)=20lg A(w)
L(w)=20lg
7. Построим графики частотных характеристик. Для этого сначала получим их численные значения.
k=2
T1 =0.62
A(w)=
j(w)=arctg0.62w
L(w)=20lg
U(w)=
V(w)=

4.1.4. НЕУСТОЙЧИВОЕ АПЕРИОДИЧЕСКОЕ ЗВЕНО
1-го ПОРЯДКА

1. Данное звено описывается следующим уравнением
a1 — aoy(t) =bog(t) (1)
Коэффициенты имеют следующие значения
a1=1,24
ao=2
bo=4
Запишем это уравнение в стандартной форме. Для этого разделим (1) на ao
-y(t)=g(t)

T -y(t)=kg(t) (2),
где k=-коэффициент передачи,
T=-постоянная времени.
Запишем исходное уравнение в операторной форме, используя подстановку p= .Получим
(T p-1)y(t)=kg(t) (3)
2. Получим передаточную функцию для апериодического звена. Воспользуемся преобразованиями Лапласа
y(t) = Y(s)
=sY(s)
g(t)=G(s)
По определению передаточная функция находится как отношение выходного сигнала к входному. Тогда уравнение (2) будет иметь вид
T sY(s)-Y(s)=kG(s)
W(s)= (4)
3. Найдем выражения для переходной функции и функции веса. По определению аналитическим выражением переходной функции является решение уравнения (2) при нулевых начальных условиях, т.е. g(t)=1 или по преобразованиями Лапласа
h(t)=H(s)
H(s)=W(s)==
Переходя к оригиналу, получим
h(t)=kЧ1(t) (5)
Функцию веса можно получить дифференцированием переходной функции
w(t)=
или из преобразований Лапласа
w(t)=w(s)
w(s)=W(s)Ч1
W(s)==
Переходя к оригиналу, получим
w(t)= e Ч1(t) (6)
4. Построим графики переходной функции и функции веса. Подставляя исходные данные, вычислим коэффициент передачи, постоянные времени и временные характеристики
k=2
T =0.62
h(t)=2 Ч1(t)
w(t)=3.2eЧ1(t)
Переходная функция представляет собой экспоненту. Множитель 1(t) указывает ,что экспонента рассматривается только для положительного времени t>0. Функция веса — также экспонента, но со скачком в точке t=0 на величину.
5. Получим частотную передаточную функцию, заменив в передаточной функции (4) s на jw
W(s)=
W(jw)= (7)
W(jw)==j=U(w)+jV(w)
U(w)=
V(w)=
6. Получим аналитические выражения для частотных характеристик. По определению амплитудная частотная характеристика (АЧХ) — это модуль частотной передаточной функции, т.е.
A(w)=ЅW(jw)Ѕ
A(w)== (8)
Фазовая частотная характеристика (ФЧХ) — это аргумент частотной передаточной функции, т.е.
j(w)=argW(jw)
j(w)=arctgk — arctg
j(w)=-arctg(-Tw) (9)
Для построения логарифмических частотных характеристик вычислим
L(w)=20lg A(w)
L(w)=20lg
7. Построим графики частотных характеристик. Для этого сначала получим их численные значения.
k=2
T =0.62
A(w)=
j(w)=-arctg(-0.62w)
L(w)=20lg
U(w)=
V(w)=

4.1.5. АПЕРИОДИЧЕСКОЕ ЗВЕНО 2-го ПОРЯДКА

1. Данное звено описывается следующим уравнением
a2+a1 + aoy(t) =bog(t) (1)
Коэффициенты имеют следующие значения
a2=0,588
a1=50,4
ao=120
bo=312
Запишем это уравнение в стандартной форме. Для этого разделим (1) на ao
++y(t)=g(t)

+T1 +y(t)=kg(t) (2),
где k=-коэффициент передачи,
T1=,T22=-постоянные времени.
Если корни характеристического уравнения для дифференциального уравнения 2-го порядка вещественны (это выполняется при T1>2T2), то оно является апериодическим 2-го порядка. Проверим это для нашего уравнения
T1=0,42
2T2=0,14
0,42>014, следовательно, данное уравнение — апериодическое.

Запишем исходное уравнение в операторной форме, используя подстановку p= .Получим
(p2+T1 p+1)y(t)=kg(t) (3)
2. Получим передаточную функцию для колебательного звена. Воспользуемся преобразованиями Лапласа
y(t) = Y(s)
=sY(s)
=s2Y(s)
g(t)=G(s)
По определению передаточная функция находится как отношение выходного сигнала к входному. Тогда уравнение (2) будет иметь вид
s2Y(s)+T1 sY(s)+Y(s)=kG(s)
W(s)= (4)
3. Найдем выражения для переходной функции и функции веса. По определению аналитическим выражением переходной функции является решение уравнения (2) при нулевых начальных условиях, т.е. g(t)=1 или по преобразованиями Лапласа
h(t)=H(s)
H(s)=W(s)== , где
T3,4=
Разложив на элементарные дроби правую часть этого выражения, получим
H(s)=
=
Переходя к оригиналу, получим
h(t)=kЧ1(t) =
=k Ч1(t)(5)
Функцию веса можно получить дифференцированием переходной функции
w(t)=
или из преобразований Лапласа
w(t)=w(s)
w(s)=W(s)Ч1==
Разложив на элементарные дроби правую часть этого выражения, получим
w(s)=
=
Переходя к оригиналу, получим
w(t)= =
= (6)
4. Построим графики переходной функции и функции веса. Подставляя исходные данные, вычислим коэффициент передачи, постоянные времени и временные характеристики

5. Получим частотную передаточную функцию, заменив в передаточной функции (4) s на jw
W(s)=
W(jw)= (7)
Выделим вещественную и мнимую части
W(jw) ==

U(w)=
V(w)=
6. Получим аналитические выражения для частотных характеристик. По определению амплитудная частотная характеристика (АЧХ) — это модуль частотной передаточной функции, т.е.
A(w)=ЅW(jw)Ѕ
A(w)==…………..(8)
Фазовая частотная характеристика (ФЧХ) — это аргумент частотной передаточной функции, т.е.
j(w)=argW(jw)
j(w)=…………….
j(w)=…………… (9)
Для построения логарифмических частотных характеристик вычислим
L(w)=20lg A(w)
L(w)=……………….
7. Построим графики частотных характеристик. Для этого сначала получим их численные значения.

4.1.6. КОЛЕБАТЕЛЬНОЕ (УСТОЙЧИВОЕ) ЗВЕНО

1. Данное звено описывается следующим уравнением
a2+a1 + aoy(t) =bog(t) (1)
Коэффициенты имеют следующие значения
a2=0,588
a1=0,504
ao=12
bo=31,20
Запишем это уравнение в стандартной форме. Для этого разделим (1) на ao
++y(t)=g(t)

+T1 +y(t)=kg(t) (2),
где k=-коэффициент передачи,
T1=,T22=-постоянные времени.
Если корни характеристического уравнения для дифференциального уравнения 2-го порядка комплексные (это выполняется при T1<2T2), то оно является колебательным. Проверим это для нашего уравнения
T1=0,042
2T2=0,14
0,042<014, следовательно, данное уравнение - колебательное.
Представим данное уравнение в следующем виде
пусть T2=T, .
Тогда уравнение (2)

Здесь T — постоянная времени, x — декремент затухания (0 (p2+2xTp+1)y(t)=kg(t) (3)
2. Получим передаточную функцию для колебательного звена. Воспользуемся преобразованиями Лапласа
y(t) = Y(s)
=sY(s)
=s2Y(s)
g(t)=G(s)
По определению передаточная функция находится как отношение выходного сигнала к входному. Тогда уравнение (2) будет иметь вид
s2Y(s)+2xT sY(s)+Y(s)=kG(s)
W(s)= (4)
3. Найдем выражения для переходной функции и функции веса. По определению аналитическим выражением переходной функции является решение уравнения (2) при нулевых начальных условиях, т.е. g(t)=1 или по преобразованиями Лапласа
h(t)=H(s)
H(s)=W(s)=

Разложив на элементарные дроби правую часть этого выражения, получим
H(s)==
=

Заменим в этом выражении ,.Тогда
H(s)==
=
Переходя к оригиналу, получим
h(t)=k =
=k Ч1(t) (5)
Функцию веса можно получить дифференцированием переходной функции
w(t)=
или из преобразований Лапласа
w(t)=w(s)
w(s)=W(s)Ч1===
=
Переходя к оригиналу, получим
w(t)= (6)
4. Построим графики переходной функции и функции веса. Подставляя исходные данные, вычислим коэффициент передачи, постоянные времени и временные характеристики

5. Получим частотную передаточную функцию, заменив в передаточной функции (4) s на jw
W(s)=
W(jw)= (7)
Выделим вещественную и мнимую части
W(jw)=

U(w)=
V(w)
6. Получим аналитические выражения для частотных характеристик. По определению амплитудная частотная характеристика (АЧХ) — это модуль частотной передаточной функции, т.е.
A(w)=ЅW(jw)Ѕ
A(w)== (8)
Фазовая частотная характеристика (ФЧХ) — это аргумент частотной передаточной функции, т.е.
j(w)=argW(jw)
j(w)=argk — arg(2xTjw — T2w2+1)= — arctg
j(w)= — arctg (9)
Для построения логарифмических частотных характеристик вычислим
L(w)=20lg A(w)
L(w)=20lg
7. Построим графики частотных характеристик. Для этого сначала получим их численные значения.

4.1.6. КОЛЕБАТЕЛЬНОЕ (НЕУСТОЙЧИВОЕ) ЗВЕНО

1. Данное звено описывается следующим уравнением
a2- a1 + aoy(t) =bog(t) (1)
Коэффициенты имеют следующие значения
a2=0,588
a1=0,504
ao=12
bo=31,20
Запишем это уравнение в стандартной форме. Для этого разделим (1) на ao
— +y(t)=g(t)

-T1 +y(t)=kg(t) (2),
где k=-коэффициент передачи,
T1=,T22=-постоянные времени.
Если корни характеристического уравнения для дифференциального уравнения 2-го порядка комплексные (это выполняется при T1<2T2), то оно является колебательным. Проверим это для нашего уравнения
T1=0,042
2T2=0,14
0,042<014, следовательно, данное уравнение - колебательное.
Представим данное уравнение в следующем виде
пусть T2=T, .
Тогда уравнение (2)

Здесь T — постоянная времени, x — декремент затухания (0 (p2 — 2xTp+1)y(t)=kg(t) (3)
2. Получим передаточную функцию для колебательного звена. Воспользуемся преобразованиями Лапласа
y(t) = Y(s)
=sY(s)
=s2Y(s)
g(t)=G(s)
По определению передаточная функция находится как отношение выходного сигнала к входному. Тогда уравнение (2) будет иметь вид
s2Y(s) — 2xT sY(s)+Y(s)=kG(s)
W(s)= (4)
3. Найдем выражения для переходной функции и функции веса. По определению аналитическим выражением переходной функции является решение уравнения (2) при нулевых начальных условиях, т.е. g(t)=1 или по преобразованиями Лапласа
h(t)=H(s)
H(s)=W(s)=

Разложив на элементарные дроби правую часть этого выражения, получим
H(s)==
=

Заменим в этом выражении ,.Тогда
H(s)==
=
Переходя к оригиналу, получим
h(t)=k =
=k Ч1(t) (5)
Функцию веса можно получить дифференцированием переходной функции
w(t)=
или из преобразований Лапласа
w(t)=w(s)
w(s)=W(s)Ч1===
=
Переходя к оригиналу, получим
w(t)= (6)
4. Построим графики переходной функции и функции веса. Подставляя исходные данные, вычислим коэффициент передачи, постоянные времени и временные характеристики

5. Получим частотную передаточную функцию, заменив в передаточной функции (4) s на jw
W(s)=
W(jw)= (7)
Выделим вещественную и мнимую части
W(jw)=

U(w)=
V(w)
6. Получим аналитические выражения для частотных характеристик. По определению амплитудная частотная характеристика (АЧХ) — это модуль частотной передаточной функции, т.е.
A(w)=ЅW(jw)Ѕ
A(w)== (8)
Фазовая частотная характеристика (ФЧХ) — это аргумент частотной передаточной функции, т.е.
j(w)=argW(jw)
j(w)=argk — arg(1 — 2xTjw — T2w2)= — arctg
j(w)= — arctg (9)
Для построения логарифмических частотных характеристик вычислим
L(w)=20lg A(w)
L(w)=20lg
7. Построим графики частотных характеристик. Для этого сначала получим их численные значения.

4.1.5. КОЛЕБАТЕЛЬНОЕ КОНСЕРВАТИВНОЕ ЗВЕНО

1. Данное звено описывается следующим уравнением
a2+ aoy(t) =bog(t) (1)
Коэффициенты имеют следующие значения
a2=0,0588
ao=12
bo=31,20
Запишем это уравнение в стандартной форме. Для этого разделим (1) на ao
+y(t)=g(t)

+ y(t)=kg(t) (2),
где k=-коэффициент передачи,
T2=-постоянная времени.
Это уравнение является частным случаем колебательного уравнения при x=0.
Запишем исходное уравнение в операторной форме, используя подстановку p= .Получим
(T2p2+1)y(t)=kg(t) (3)
2. Получим передаточную функцию для колебательного звена. Воспользуемся преобразованиями Лапласа
y(t) = Y(s)
=s2Y(s)
g(t)=G(s)
По определению передаточная функция находится как отношение выходного сигнала к входному. Тогда уравнение (2) будет иметь вид
T2s2Y(s)+Y(s)=kG(s)
W(s)= (4)
3. Найдем выражения для переходной функции и функции веса. По определению аналитическим выражением переходной функции является решение уравнения (2) при нулевых начальных условиях, т.е. g(t)=1 или по преобразованиями Лапласа
h(t)=H(s)
H(s)=W(s)=

Разложив на элементарные дроби правую часть этого выражения, получим
H(s)=
Заменим .Тогда
H(s)=
Переходя к оригиналу, получим
h(t)=kЧ1(t) (5)
Функцию веса можно получить из преобразований Лапласа
w(t)=w(s)
w(s)=W(s)Ч1===
Переходя к оригиналу, получим
w(t)= kw0sinw0tЧ1(t) (6)
4. Построим графики переходной функции и функции веса. Подставляя исходные данные, вычислим коэффициент передачи, постоянные времени и временные характеристики

5. Получим частотную передаточную функцию, заменив в передаточной функции (4) s на jw
W(s)=
W(jw)= (7)

U(w)=
V(w)=0
6. Получим аналитические выражения для частотных характеристик. По определению амплитудная частотная характеристика (АЧХ) — это модуль частотной передаточной функции, т.е.
A(w)=ЅW(jw)Ѕ
A(w)==(8)
Фазовая частотная характеристика (ФЧХ) — это аргумент частотной передаточной функции, т.е.
j(w)=argW(jw)
j(w)=argk — arg(1-T2w2)=0 (9)
Для построения логарифмических частотных характеристик вычислим
L(w)=20lg A(w)
L(w)=20lg (10)
7. Построим графики частотных характеристик. Для этого сначала получим их численные значения.

4.2. ИНТЕГРИРУЮЩИЕ ЗВЕНЬЯ

4.2.1. ИНТЕГРИРУЮЩЕЕ ИДЕАЛЬНОЕ ЗВЕНО

1. Данное звено описывается следующим уравнением
a1 =bog(t) (1)
Коэффициенты имеют следующие значения
a1=1,24
bo=4
Запишем это уравнение в стандартной форме. Для этого разделим (1) на a1
=g(t)

=kg(t) (2),
где k=-коэффициент передачи.
Запишем исходное уравнение в операторной форме, используя подстановку p= .Получим
py(t)=kg(t) (3)
2. Получим передаточную функцию для данного звена. Воспользуемся преобразованиями Лапласа
y(t)=Y(s)
=sY(s)
g(t)=G(s)
По определению передаточная функция находится как отношение выходного сигнала к входному. Тогда уравнение (2) будет иметь вид
sY(s)=kG(s)
W(s)= (4)
3. Найдем выражения для переходной функции и функции веса. По определению аналитическим выражением переходной функции является решение уравнения (2) при нулевых начальных условиях, т.е. g(t)=1 или по преобразованиями Лапласа
h(t)=H(s)
H(s)=W(s)=
Переходя к оригиналу, получим
h(t)=ktЧ1(t) (5)
Функцию веса можно получить дифференцированием переходной функции
w(t)=
w(t)==kЧ1(t) (6)
4. Построим графики переходной функции и функции веса. Подставляя исходные данные, вычислим коэффициент передачи, постоянные времени и временные характеристики

5. Получим частотную передаточную функцию, заменив в передаточной функции (4) s на jw
W(s)=
W(jw)= (7)
W(jw)=
U(w)=0
V(w)=
6. Получим аналитические выражения для частотных характеристик. По определению амплитудная частотная характеристика (АЧХ) — это модуль частотной передаточной функции,т.е.
A(w)=ЅW(jw)Ѕ
A(w)== (8)
Фазовая частотная характеристика (ФЧХ) — это аргумент частотной передаточной функции, т.е.
j(w)=argW(jw)
j(w)=argk — argjw
j(w)= — arctgw (9)
Для построения логарифмических частотных характеристик вычислим
L(w)=20lg A(w)
L(w)=20lg
7. Построим графики частотных характеристик.Для этого сначала получим их численные значения.

4.2.2. ИНТЕГРИРУЮЩЕЕ ИНЕРЦИОННОЕ ЗВЕНО

1. Данное звено описывается следующим уравнением
+ a1 =bog(t) (1)
Коэффициенты имеют следующие значения
a2=0,0588
a1=0,504
bo=31,20
Запишем это уравнение в стандартной форме. Для этого разделим (1) на a1
+ =g(t)

T+=kg(t) (2),
где k=-коэффициент передачи,
T=-постоянная времени.
Запишем исходное уравнение в операторной форме, используя подстановку p= .Получим
(Tp2+p)y(t)=kg(t) (3)
2. Получим передаточную функцию для апериодического звена. Воспользуемся преобразованиями Лапласа
y(t)=Y(s)
=sY(s)
=s2Y(s)
g(t)=G(s)
По определению передаточная функция находится как отношение выходного сигнала к входному. Тогда уравнение (2) будет иметь вид
Ts2Y(s)+sY(s)=kG(s)
W(s)= (4)
3. Найдем выражения для переходной функции и функции веса. По определению аналитическим выражением переходной функции является решение уравнения (2) при нулевых начальных условиях, т.е. g(t)=1 или по преобразованиями Лапласа
h(t)=H(s)
H(s)=W(s)=
Разложив на элементарные дроби правую часть этого выражения, получим
H(s)=
Переходя к оригиналу, получим
h(t)= — kTЧ1(t)+ktЧ1(t)+kTЧ1(t)=
= (5)
Функцию веса можно получить из преобразований Лапласа
w(t)=w(s)
w(s)=W(s)Ч1=
Разложив на элементарные дроби правую часть этого выражения, получим
w(s)=
Переходя к оригиналу, получим
w(t)=kЧ1(t) (6)
4. Построим графики переходной функции и функции веса. Подставляя исходные данные, вычислим коэффициент передачи, постоянные времени и временные характеристики

5. Получим частотную передаточную функцию, заменив в передаточной функции (4) s на jw
W(s)=
W(jw)= (7)
W(jw)
U(w)=
V(w)=
6. Получим аналитические выражения для частотных характеристик. По определению амплитудная частотная характеристика (АЧХ) — это модуль частотной передаточной функции,т.е.
A(w)=ЅW(jw)Ѕ
A(w)== (8)
Фазовая частотная характеристика (ФЧХ) — это аргумент частотной передаточной функции, т.е.
j(w)=argW(jw)
j(w)=argk — argjw — arg
j(w)= — arctgw — arctgTw (9)
Для построения логарифмических частотных характеристик вычислим
L(w)=20lg A(w)
L(w)=20lg
7. Построим графики частотных характеристик.Для этого сначала получим их численные значения.

4.2.3. ИЗОДРОМНОЕ ЗВЕНО

1. Данное звено описывается следующим уравнением
a1 =b1+bog(t) (1)
Коэффициенты имеют следующие значения
a1=1,24
bo=4
b1=4
Запишем это уравнение в стандартной форме. Для этого разделим (1) на a1
=+g(t)

=k1+kg(t) (2),
где k1=, k=-коэффициент передачи.

Запишем исходное уравнение в операторной форме, используя подстановку p= .Получим
py(t)=(k1p+k)g(t) (3)
2. Получим передаточную функцию для апериодического звена. Воспользуемся преобразованиями Лапласа
y(t)=Y(s)
=sY(s)
g(t)=G(s)
=sG(t)
По определению передаточная функция находится как отношение выходного сигнала к входному. Тогда уравнение (2) будет иметь вид
sY(s)=k1sG(s)+kG(s)
W(s)= (4)
3. Найдем выражения для переходной функции и функции веса. По определению аналитическим выражением переходной функции является решение уравнения (2) при нулевых начальных условиях, т.е. g(t)=1 или по преобразованиями Лапласа
h(t)=H(s)
H(s)=W(s) =
Переходя к оригиналу, получим
h(t)= Ч 1(t) (5)
Функцию веса можно получить из преобразований Лапласа
w(t)=w(s)
w(s)=W(s)Ч1
W(s)=
Переходя к оригиналу, получим
w(t)= k1Чd(t)+kЧ1(t) (6)
4. Построим графики переходной функции и функции веса. Подставляя исходные данные, вычислим коэффициент передачи, постоянные времени и временные характеристики

5. Получим частотную передаточную функцию, заменив в передаточной функции (4) s на jw
W(s)=
W(jw)= (7)
U(w)=k1
V(w)=
6. Получим аналитические выражения для частотных характеристик. По определению амплитудная частотная характеристика (АЧХ) — это модуль частотной передаточной функции,т.е.
A(w)=ЅW(jw)Ѕ
A(w)=…………(8)
Фазовая частотная характеристика (ФЧХ) — это аргумент частотной передаточной функции, т.е.
j(w)=argW(jw)
j(w)=…………
j(w)=………… (9)
Для построения логарифмических частотных характеристик вычислим
L(w)=20lg A(w)
L(w)=20lg……..
7. Построим графики частотных характеристик.Для этого сначала получим их численные значения.

4.3.1.ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩЕЕ ИДЕАЛЬНОЕ ЗВЕНО

1. Данное звено описывается следующим уравнением
aoy(t)=b1 (1)
Коэффициенты имеют следующие значения
ao=2
b1=4
Запишем это уравнение в стандартной форме. Для этого разделим (1) на ao
y(t)=
y(t)=k (2),
где k=-коэффициент передачи.
Запишем исходное уравнение в операторной форме, используя подстановку p= .Получим
y(t)=kpg(t) (3)
2. Получим передаточную функцию для идеального звена. Воспользуемся преобразованиями Лапласа
y(t)=Y(s)
g(t)=G(s)
=sG(s)
По определению передаточная функция находится как отношение выходного сигнала к входному. Тогда уравнение (2) будет иметь вид
Y(s)=ksG(s)
W(s)=ks (4)
3. Найдем выражения для переходной функции и функции веса из преобразлваний Лапласа,т.е.
h(t)=H(s)
H(s)=W(s)=k
Переходя к оригиналу, получим
h(t)=kЧd(t) (5)
Функцию веса можно получить по преобразованию Лапласа из передаточной функции
w(t)=w(s)
w(s)=W(s)Ч1=ks
Переходя к оригиналу, получим
w(t)=k (6)
4. Построим графики переходной функции и функции веса. Подставляя исходные данные, вычислим коэффициент передачи и временные характеристики
5. Получим частотную передаточную функцию, заменив в передаточной функции (4) s на jw
W(s)=ks
W(jw)=jkw (7)
W(jw)=U(w)+jV(w)
U(w)=0
V(w)=kw
6. Получим аналитические выражения для частотных характеристик. По определению амплитудная частотная характеристика (АЧХ) — это модуль частотной передаточной функции, т.е.
A(w)=ЅW(jw)Ѕ
A(w)=kЅwЅ (8)
Фазовая частотная характеристика (ФЧХ) — это аргумент частотной передаточной функции, т.е.
j(w)=argW(jw)
j(w)=arctgkw (9)
Для построения логарифмических частотных характеристик вычислим
L(w)=20lg A(w)
L(w)=20lgkЅwЅ
7. Построим графики частотных характеристик. Для этого сначала получим их численные выражения.

4.3.2.ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩЕЕ РЕАЛЬНОЕ ЗВЕНО

1. Данное звено описывается следующим уравнением
a1 + aoy(t) =b1 (1)
Коэффициенты имеют следующие значения
a1=1,24
ao=2
b1=4
Запишем это уравнение в стандартной форме. Для этого разделим (1) на a1
+y(t)=

T+y(t)=k (2),
где k=-коэффициент передачи,
T1=-постоянная времени.
Запишем исходное уравнение в операторной форме, используя подстановку p= .Получим
(Tp+1)y(t)=kpg(t) (3)
2. Получим передаточную функцию для апериодического звена. Воспользуемся преобразованиями Лапласа
y(t)=Y(s)
=sY(s)
g(t)=G(s)
=sG(s)
По определению передаточная функция находится как отношение выходного сигнала к входному. Тогда уравнение (2) будет иметь вид
TsY(s)+Y(s)=ksG(s)
W(s)= (4)
3. Найдем выражения для переходной функции и функции веса. По определению аналитическим выражением переходной функции является решение уравнения (2) при нулевых начальных условиях, т.е. g(t)=1 или по преобразованиями Лапласа
h(t)=H(s)
H(s)=W(s)==
Переходя к оригиналу, получим
h(t)=Ч1(t) (5)
Функцию веса можно получить из преобразований Лапласа
w(t)=w(s)
w(s)=W(s)Ч1
W(s)= =
Переходя к оригиналу, получим
w(t)=Чd(t) e Ч1(t) (6)
4. Построим графики переходной функции и функции веса. Подставляя исходные данные, вычислим коэффициент передачи, постоянные времени и временные характеристики
5. Получим частотную передаточную функцию, заменив в передаточной функции (4) s на jw
W(s)=
W(jw)=
W(jw)==
6.Найдем АЧХ
A(w)=ЅW(jw)Ѕ
A(w)==
Найдем ФЧХ
j(w)=argW(jw)
j(w)=arctgkw-arctgTw

L(w)=20lgA(w)
L(w)=20lg

4.3.3.ФОРСИРУЮЩЕЕ ЗВЕНО 1-го ПОРЯДКА
Данное звено описывается следующим уравнением
a0y(t)=b1+b0g(t)
y(t)=+g(t)
k1=
k=
p=
y(t)=k1pg(t)+kg(t)
y(t)=Y(s)
g(t)=G(s)
Y(s)=k1sG(s)+kG(s)
W(s)=k1s+k
H(s)==k1+
h(t)=k1d(t)+k1(t)
W(jw)=k1jw+k
U(w)=k
V(w)=k1w
A(w)=ЅW(jw)Ѕ
A(w)=
j(w)=argW(jw)
j(w)=arctg
L(w)=20lgA(w)
L(w)=20lg

4.3.4.ФОРСИРУЮЩЕЕ ЗВЕНО 2-го ПОРЯДКА

a0y(t)=b2+b1+b0g(t)
y(t)=++g(t)
y(t)=k2+k1+kg(t)
y(t)=k2p2g(t)+k1pg(t)+kg(t)
Y(s)=(k2s2+k1s+k)G(s)
W(s)=k2s2+k1s+k
H(s)=k2s+k1+
h(t)=k2+k1d(t)+k11(t)
w(s)=W(s)=k2s2+k1s+k
w(t)=k2+k1+kd(t)
W(jw)=k1jw+k — k2w2
U(w)=k — k2w2
V(w)=k1jw
A(w)=
j(w)=arctg
L(w)=20lg