Виды типовых элементов (звеньев)

При анализе динамических процессов в отдельных элементах или устройствах автоматики в целом удобно пользоваться типовыми звеньями. С этой целью необходимо подобрать для каждого реального элемента соответствующее ему типовое звено. Типовые звенья хорошо описаны в справочной литературе и их анализ как индивидуальный, так и в составе системы значительно упрощается. Основные виды типовых звеньев изложены ниже.

1. Апериодическое (инерционное) звено (рис. 3.6).

Дифференциальное уравнение и передаточная функция апериодического звена представлены выражениями (3.25) и (3.26).

, (3.25)

, (3.26)

где Т – постоянная времени апериодического звена; р – оператор Лапласа.

Рис. 3.6. Апериодическое звено

В момент времени t = 0 на вход этого звена подан ступенчатый сигнал. В качестве примеров апериодических звеньев можно привести следующие: RC-и RL-контуры, электро- или гидродвигатель, электрический генератор (входной сигнал – возбуждение, а выходной – ЭДС статорной обмотки).

2. Безынерционное звено (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Безынерционное звено

Передаточная функция имеет вид

. (3.27)

Примерами таких звеньев могут служить: механический рычаг, редуктор, усилитель напряжения на электронных элементах без учета L и C и т.д.

3. Колебательное звено (рис. 3.8).

При подаче на вход этого звена ступенчатого сигнала выходной сигнал стремится к новому установившемуся значению, совершая относительно него затухающие колебания. Передаточная функция имеет вид

, (3.28)

где К_п – коэффициент преобразования (по статической характеристике); ξ – относительный коэффициент затухания.

Рис. 3.8. Колебательное звено

К такому виду звеньев относятся: RLC-контур (колебательный контур) и любой другой элемент, где есть не менее двух накопителей энергии, которые обмениваются ею в процессе колебаний.

4. Интегрирующее звено (рис. 3.9).

Уравнение, описывающее это звено, и передаточная функция имеют вид:

, (3.29)

. (3.30)

Рис. 3.9. Интегрирующее звено

Примеры интегрирующих звеньев: счетчик электроэнергии, электродвигатели постоянного тока в период пуска (возмущение – напряжение на зажимах, реакция – скорость вращения).

5. Дифференцирующее звено (рис. 3.10).

Уравнение и передаточная функция:

, (3.31)

. (3.32)

Рис. 3.10. Дифференцирующее звено

Пример: датчики скорости и ускорения.

6. Усилительное (пропорциональное) звено.

Характерной особенностью этого звена является то, что сигнал на выходе в любой момент пропорционален входному сигналу:

; (3.33)

. (3.34)

Примеры усилительных звеньев: безынерционный (электронный) усилитель, рычаг и т.д.

В реальных устройствах автоматики существует большое количество различных вариантов описанных выше звеньев. Все эти звенья вместе с их характеристиками изложены в специальной литературе.

4. Чувствительные элементы
(преобразователи)

Любое устройство автоматики должно иметь информацию о состоянии контролируемого объекта. Это возможно с помощью чувствительных элементов (преобразователей). Преобразователи служат воспринимающими (чувствительными) органами других элементов, например, датчиков. Преобразователи, реагируя на изменения входного сигнала, как правило, преобразуют его в величину другой физической природы, которую удобно подвергать дальнейшей обработке (частоту вращения – в напряжение; перемещение – в сопротивление или напряжение; уровень жидкости – в сопротивление или напряжение и т.д.).

В зависимости от физической природы входного сигнала все преобразователи делятся на две группы: преобразователи электрических величин и преобразователи неэлектрических величин. В зависимости от физической природы выходного сигнала преобразователи делятся на электрические и неэлектрические. В зависимости от принципа действия – на параметрические и генераторные.