Передаточные функции сложных динамических элементов можно представить в виде выражения, состоящего из произведений простых сомножителей первого или второго порядка. При анализе динамических свойств систем автоматического управления часто оказывается удобным вводить в рассмотрение понятие элементарных (типовых) звеньев как некоторых простейших составных частей динамического элемента.

Типовые звенья - это стандартные составные части динамических элементов системы, описываемые дифференциальными уравнениями не выше второго порядка. Все элементарные звенья по характеру процессов, происходящих в них, можно разбить на следующие типы: усилительное звено; интегрирующее звено; апериодическое звено; колебательное звено; дифференциальное звено первого порядка; дифференциальное звено второго порядка; звено чистого запаздывания.

1) Усилительное звено. Тип звена однозначно определяется законом, связывающим между собой величину на входе - х и на выходе - у. Дляусилительного звена, которое из-за отсутствия переходных процессов иногда называют безинерционным или статическим, этот закон имеет вид: у = к•х.

Рисунок 7.1

Переходная функция усилительного звена имеет вид: h (t) = к. Этот закон является наиболее простым и состоит в следующем преобразовании: входной сигнал умножается на постоянную величину к, называемую коэффициентом усиления. Коэффициент усиления может иметь любое действительное значение, как положительное, так и отрицательное. Ниже изображена выходная величина при скачкообразном изменении входной величины.

Рисунок 7.2

Передаточная функция этого звена имеет вид: W (p) = к.

2) Интегрирующее звено. Интегрирующее звено характеризуется тем, что скорость изменения выходной величины пропорциональна входной величине . Переходная функция усилительного звена имеет вид:

h (t) = k-t.

Интегрирующее звено не может находиться в состоянии равновесия

при любом постоянном значении входного сигнала. Его передаточная функция

.

Рисунок 7.3

3) Апериодическое звено. Уравнение этого звена имеет вид:

,

Где Т - постоянная времени апериодического звена, имеющая размерность времени;

к - коэффициент усиления или статический коэффициент передачи.

Переходная функция апериодического звена имеет вид:

При Т=>0 и Т> ? переходная функция асимптотически стремится к установившемуся значению равному к. Ее зависимость представлена на рисунке 7.4

Рисунок 7.4

Рисунок 7.5

Передаточная функция апериодического звена:

4) Колебательное звено. Динамика колебательного звена описывается уравнением:

.

Переходная функция колебательного звена имеет вид:

Описывает затухающий колебательный процесс с относительным коэффициентом затухания Е, и постоянным времени Т. Форма переходного процесса во многом зависит от величины коэффициента затухания. При >1 колебательное звено распадается на два апериодических. Ниже приведен примерный вид переходных функций.

Рисунок 7.6

Передаточная функция колебательного звена имеет вид:

Рисунок 7.7

5) Дифференцирующее звено первого порядка. Уравнение этого звена имеет вид

.

При скачкообразном изменении входной величины на выходе дифференцирующего звена получается мгновенный импульс с бесконечно большой амплитудой, соответствующей бесконечно большой скорости изменения входной величины в момент скачка, а затем выходная величина принимает постоянное установившееся значение.

Переходная функция этого звена записывается в виде h (t) = к [Т (t) +1 (t)], где (t) - дельта-функция.

Рисунок 7.3

Рисунок 7.4

Передаточная функция дифференцирующего звена первого порядка равна

6) Дифференцирующее звено второго порядка.

Уравнение этого звена имеет вид:

.

При скачкообразном изменении входной величины на выходе получаются мгновенные импульсы разных знаков бесконечно большой амплитуды, соответствующие бесконечно большой скорости изменения входной величины и ее производной в момент скачка, а затем выходная величина принимает постоянное значение.

Переходная функция этого звена (рисунок 7.5) записывается в виде:

.

Передаточная функция дифференцирующего звена второго порядка равна:

.

Рисунок 7.5

7) Звено чистого запаздывания.

В этом звене выходной сигнал полностью повторяет входной сигнал, но с отставанием на промежуток времени ф (время запаздывания).

Уравнение этого звена имеет вид: y (t) = x (t - ). Переходная функция этого звена h (t) = (t - ) представлена на рисунке 11.

Рисунок 7.6 - Переходная функция звена чистого запаздывания

Рисунок 7.7

Передаточная функция звена чистого запаздывания имеет вид

.

8. Элементарные динамические звенья анализируемой системы и их характеристики