Дифференциальные уравнения линейных систем автоматического регулирования

Определение динамических свойств объектов с помощью дифференциальных уравнений может быть пока успешно выполнена только для сравнительно простых объектов. Как правило, в редких случаях можно при небольшой затрате времени составить достаточно точное дифференциальное уравнение объекта.

В настоящие время при составлении дифференциальных уравнений элементов и систем регулирования принято пользоваться безразмерными переменными величинами. Для этого отклонения величин относят к каким-либо постоянным (базовым) значениям величин, например к максимальным или средним (номинальным). Выражая входную и выходную величины элемента (или системы) в долях от этих базовых величин, вводят безразмерные координаты.

Например, уравнение

(С*d (DQ) /С_C*dt) + DQ= 2*I₀*R*DI/ С_C*F (1)

DI/I = X_ВХ характеризует относительное отклонение входной величины от базового значения, а DQ/ Q₀ = Х_вых относительное отклонение выходной величины. Для перехода от размерной формы записи дифференциального уравнения к безразмерной производят замену абсолютных координат относительными. Так, например, уравнение (1) можно записать в безразмерной форме, заменив:

DQ = Q₀ *Х_вых и DI = I *X_ВХ

Тогда

С* Q₀* d Х_вых / С_C* F* dt + Q₀ Х_вых = 2* I₀²* R* X_ВХ/ С_C*F

Разделив обе части уравнения на Q_{0, п}олучим:

С* d Х_вых / С_C* F* dt + Х_вых = 2* I₀²* R* X_ВХ/ С_C*F* Q₀

Обозначим:

С / С_C* F= Т 2* I₀²* R/ С_C*F* Q₀ = R

Коэффициенты при производных от выходной величины называются постоянными времени и имеют размерность времени

В самом деле,

С[дж/град] / С_C[вт/см²*град]* F[ см ]= С / С_C* F[дж*см²*град/град*вт*см²]

Коэффициент К при X_ВХ называется коэффициентом усиления, и естественно должен быть безразмерным:

2* I₀²[А²]* R[Ом]/ С_C[ вт/см²*град ]*F[ см ]* Q₀[град] =

= 2* I₀²* R/ С_C*F* Q₀[А²*Ом*см²*град/Вт*см²*град] =

= 2* I₀²* R/ С_C*F* Q₀[0] = К

Уравнение (1) с учетом введённых обозначений будет иметь в безразмерной форме следующий вид:

Т* Х^/ вых + Х вых = К* Х вх (2)

Определим для примера уравнение кривой разгона термической печи, дифференциальное уравнение которой было введено ранее:

Т* Х^/ вых + Х вых = К* Х вх

Будем искать решение этого уравнения в виде

Х вых = С*е^rt + K* Х вх ₀

Где r и С подлежат определению

Подставляя значения Х вых и Х^/ вых в уравнение (2). Получим

Т* С*r*е^rt + С*е^rt = 0

Сокращая на С*е^rt будем иметь:

Т* r + 1 = 0

Откуда r = - 1/Т и решение примет вид

Х вых = К* Х вх ₀ (1-е^-t/T)

При t = 0 Х вых = 0 следовательно С = К* Х вх ₀. тогда уравнение кривой разгона будет:

Х вых = К* Х вх _{0 (}1-е^-t/T)

График кривой разгона:

При t = ¥ выходная величина Х вых достигает предельного значения

Х вых. уст = К* Х вх ₀

Коэффициент усиления К определяет отношение установившихся значений выходной величины к входной:

К = Х вых. уст/ Х вх ₀

Коэффициент усиления может быть непосредственно найден из графика переходной функции; постоянная времени Т характеризует инерционность процесса.

Таким образом, кривые разгона дают наглядное представление о характере протекания переходных процессов в системе или объекте.