Так как на вход элемента поступает только часть выходного сигнала, то величина, показывающая, какая часть выходного сигнала поступает на вход элемента в виде сигнала обратной связи, называется коэффициентом обратной связи:

k,

где x- сигнал обратной связи; y – выходной сигнал.

При подаче сигнала обратной связи на входе элемента происходит алгебраическое суммирование входного сигнала и сигнала обратной связи.

Если сигнал xсовпадает по фазе с входным сигналом x, то такая обратная связь называется положительной и фактически на вход элемента подаётся суммарный сигнал (x+ x).

Если сигнал xне совпадает по фазе с входным сигналом, то происходит вычитание сигналов. Такая обратная связь называется отрицательной, и на вход элемента подаётся разностный сигнал (x- x).

Положительная обратная связь повышает передаточный коэффициент (коэффициент преобразования) элемента, но увеличивает погрешность и искажения сигнала, влияние помех и собственных шумов, возникающих в элементе; снижает стабильность передаточного коэффициента. Положительная обратная связь нашла широкое применение в генераторах электрических колебаний и в системах бесконтактных магнитных реле.

Отрицательная обратная связь понижает передаточный коэффициент элемента, но уменьшает влияние помех и внутренних шумов на сигнал, уменьшает относительную погрешность и искажения сигнала, повышает стабильность передаточного коэффициента, т.е. улучшает основные показатели элемента.

В реальных системах автоматики сигналы, как правило, бывают непостоянными. В большинстве случаев они изменяются во времени. Для систем в целом и для их отдельных частей и элементов основным режимом работы является режим, при котором входная и выходная величины не остаются постоянными. Такой режим называется динамическим.

Для оценки работы элемента в динамическом режиме используют динамические характеристики (частотную и переходную) и динамические параметры (например, постоянную времени элемента Т).

Характер изменения выходной величины элемента зависит от свойств самого элемента и от характера изменения его входной величины. Поэтому для сравнения динамических свойств разных элементов надо подавать на входы одинаково меняющиеся во времени сигналы. Реакция большинства элементов на скачкообразный входной сигнал, т.е. их переходная характеристика представляет собой нарастающую экспоненту.

Время от начала экспоненциального изменения выходной величины до момента, когда она достигает 63% установившегося значения выходной величины, называется постоянной времени Т.

Чем меньше Т, тем круче будет переходная характеристика, тем меньше длительность переходного процесса и тем меньше инерционность элемента.

В теории автоматического регулирования принято оценивать динамические свойства элементов по их реакции на скачкообразное изменение входного сигнала. При этом переходной процесс, называемый переходной характеристикой, определяется только свойствами элемента.

До подачи скачкообразного сигнала на вход элемент находится в одном установившемся режиме, после подачи скачка и окончания изменений выходной величины элемент будет находиться в другом установившемся режиме.

Таким образом, переходная характеристика позволяет выявить и оценить инерционность элемента, т.е. запаздывание в изменении выходного сигнала по сравнению с изменением сигнала на входе элемента. Кривая зависимости y=f(t) при скачкообразном изменении входного сигнала является графической интерпретацией решения дифференциального уравнения элемента, которым описывается поведение элемента при переходном процессе, где входные и выходные сигналы являются функциями времени.

Любое устройство автоматического регулирования можно представить в виде совокупности простейших составных частей – звеньев, каждое из которых обладает определёнными динамическими свойствами.

Некоторые элементы систем автоматического регулирования можно рассматривать как звенья, поэтому динамика работы некоторых звеньев определяется одинаково.

Принцип действия и схемы звеньев могут быть различными. Однако их можно свести к нескольким так называемым типовым звеньям, если в основу классификации положить зависимость входных и выходных сигналов звена от времени. Эти зависимости называются динамическими характеристиками. Динамические характеристики звеньев описываются дифференциальными уравнениями.

При определении динамических свойств любого звена или элемента в качестве типового входного сигнала принимается скачкообразная функция.

При подаче на вход звена мгновенного скачка выходной сигнал во время переходного процесса изменяется по определённому закону.

Для анализа свойств звеньев систем автоматического регулирования вводится понятие о передаточных функциях и частотных характеристиках.

Передаточной функцией называется отношение мгновенных значений выходного сигнала к мгновенным значениям входного сигнала. Передаточные функции записываются обычно в операторной форме:

Задание 1.

Система автоматического регулирования состоит из набора типовых динамических звеньев.

Для каждого из звеньев системы автоматического регулирования определить и построить графически временные характеристики.

В проекте используются следующие звенья:

1) апериодическое 1-го порядка:

2) колебательное (0<x<1):

3) звено запаздывания:

Решение:

Графическое представление переходных и импульсных функций называют временными характеристиками. Временные характеристики представляют процессы, происходящие в динамическом и статическом режимах. Переходной функцией h(t) называют функцию, описывающую сигнал на выходе при условии, что на вход подано единичное ступенчатое воздействие при нулевых начальных условиях. График переходной функции, представляющий собой зависимость функции h(t) от времени t, называют переходной характеристикой. В том случае, если амплитуда единичного ступенчатого воздействия отлична от единицы получают разновидность переходной характеристики, которая называется кривой разгона.

Импульсной дикцией или весовой функцией w(t) называют функцию, описывающую реакцию на единичное импульсное воздействие при нулевых начальных условиях. График зависимости функции w(t) от времени называют импульсной переходной (импульсной характеристикой).