Динамическая характеристика

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

1.1. Динамические характеристики датчиков температуры по виду экспериментальной переходной характеристики делятся на три группы:

— группа 1 — переходная характеристика — функция одной экспоненты;

— группа 2 — переходная характеристика — функция двух экспонент;

— группа 3 — переходная характеристика — функция трех экспонент.

1.2. Динамические характеристики датчиков температуры следует разделять по признаку полноты описания свойств на полные и частные.

1.3. К полным динамическим характеристикам датчиков температуры газовых потоков относятся:

— дифференциальное уравнение D У ;

— импульсная переходная характеристика g ( t , t );

— переходная характеристика h ( t );

— передаточная функция W ( S );

— частотная характеристика (совокупность амплитудной и фазовой характеристик) W ( j w ).

Уравнения динамических характеристик для каждой группы приведены в таблице.

1.4. К частным динамическим характеристикам датчиков температуры газовых потоков относятся:

— отдельные параметры полных динамических характеристик;

— время установления переходного процесса, определяемого параметрами переходной характеристики датчика;

— частотный диапазон работы датчика, определяемый его амплитудно-частотной характеристикой;

— показатели тепловой инерции.

Определение терминов, используемых в стандарте, приведено в справочном приложении 1.

Вид динамической характеристики

Уравнение динамической характеристики для группы

Импульсная переходная характеристика

2. ВЫБОР И ПОРЯДОК ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

2.1. Динамические характеристики должны выбираться из общего числа динамических характеристик датчиков и устанавливаться в техническом задании по согласованию между предприятием-разработчиком датчиков и заказчиком.

2.2. Динамические характеристики должны содержать численные значения коэффициентов и их зависимость от влияющих параметров газового потока.

2.3. Комплекс влияющих параметров должен выбираться в соответствии с условиями работы датчиков, устанавливаться по согласованию между заказчиком и предприятием-разработчиком датчиков и указываться в техническом задании на разработку датчика.

2.4. Определение динамических характеристик должно производиться при разработке датчиков, а также при внесении конструктивных и технологических изменений, влияющих на динамические характеристики, а в процессе производства — в соответствии с технической документацией для типа датчика.

3. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К МЕТОДАМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

3.1. Определение динамических характеристик датчиков температуры должно производиться прямым методом.

3.2. Требования к входному испытательному сигналу — по ГОСТ 8.256-77.

3.3. Если известен вид функций, определяемых динамических характеристик датчиков температуры, то допускается определять только коэффициенты указанных функций.

3.4. Обработка экспериментальной переходной характеристики датчика температуры должна производиться в полулогарифмических координатах в виде зависимостей

где Т i температура торможения датчика в момент времени t i , К;

Tc — температура торможения среды, которая определяется из предварительного эксперимента в результате измерения исследуемым датчиком температуры газового потока на установившемся температурном режиме, К.

4. ФОРМЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

4.1. Динамические характеристики датчиков температуры должны быть указаны в технической документации в аналитической форме или в форме графиков, таблиц.

4.2. Полные динамические характеристики должны содержать структуру функций, численные значения коэффициентов этих функций и их зависимость от влияющих параметров.

4.3. Частные динамические характеристики датчиков должны содержать численные значения и зависимость их от влияющих параметров. Формы представления динамических характеристик приведены в справочном приложении 2.

ПЕРЕЧЕНЬ ОБОЗНАЧЕНИЙ ССЫЛОЧНОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ,
ИСПОЛЬЗУЕМОЙ В СТАНДАРТЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМИНОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В СТАНДАРТЕ

Динамические характеристики датчика

Характеристики теплоинерционных свойств датчика, определяющие зависимость параметров выходного сигнала датчика от меняющегося во времени информативного параметра входного сигнала

Полная динамическая характеристика

Динамическая характеристика — по ГОСТ 8.256-77

Частная динамическая характеристика

Динамическая характеристика — по ГОСТ 8.256-77

Частотный диапазон работы датчика

Диапазон частот от нуля до значения, соответствующего граничной частоте, при которой искажение амплитуды входного сигнала датчика равно допустимой погрешности измерения

Время установления переходного процесса датчика

Время от начала переходного процесса до значения, при котором разность между температурой среды и температурой датчика равна допустимой погрешности средства измерений

Показатель тепловой инерции

Величина, численно равная интервалу времени, по истечении которого разность между температурами среды и датчика составляет 0,368 от первоначальной разности

Темп изменения температуры чувствительного элемента (элементов конструкции датчика)

Скорость изменения температуры чувствительного элемента (элементов конструкции датчика) на переходном режиме

Определение динамических характеристик

Совокупность экспериментальных и аналитических операций, в результате которых находятся структура (при определении полных динамических характеристик) и численные значения параметров динамических характеристик

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ФОРМЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

1. Частные динамические характеристики и коэффициенты полных динамических характеристик в зависимости от влияющих параметров аналитически могут быть представлены в виде следующих функций связи:

Понятие о динамических характеристиках

Любое движение в системе автоматического управления вызывается воздействием, приложенным к системе. Воздействия могут быть управляющими (полезными), которые определяют требуемый закон изменения регулируемой величины, и возмущающими (вредными), которые стремятся нарушить требуемую функциональную связь между регулируемой величиной и управляющим воздействием.

В общем случае воздействия могут изменяться во времени по закону, который заранее определить невозможно. Но среди многообразия воздействий можно выбрать наиболее типичные для рассматриваемой системы и данных условий ее работы. Изучив движение системы под влиянием данного типичного воздействия, можно сделать выводы относительно ее динамических свойств.

Кроме того, любое сложное воздействие можно представить суммой простых воздействий. Если известна реакция системы на простое воздействие и система линеаризована, то, используя принцип суперпозиции, можно найти реакцию системы на воздействие сложной формы.

Поэтому для анализа и синтеза систем автоматического управления часто используют эталонные типовые воздействия, среди которых рассмотрим три основные:

  • • единичная ступенчатая функция;
  • • единичная импульскная функция;
  • • гармоническая функция.

Единичная ступенчатая функция 1(0 (функция включения Хевисайда) является математическим описанием величины, изменяющейся мгновенно в момент времени /=0 от 0 до 1 и остающейся неизменной впоследствии (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Единичная ступенчатая функция 1(/)

При ступенчатом изменении функции на произвольную величину А, отличную от единицы, используют произведение: хвх =А-1(/).

Примером ступенчатого воздействия может явиться воздействие, оказываемое на систему регулирования напряжения резким сбросом или подключением нагрузки на генератор.

Единичная импульсная функция 5(/) (дельта-функция Дирака) обозначает бесконечно короткий (по длительности) и бесконечно большой по амплитуде импульс с единичной площадью:

при этом: [ 5(t)dt = 1.

Функцию 5(0 можно представить как предельное значение прямоугольного импульса с длительностью т и амплитудой а = 1/т (рис. 3.3) при т -» 0. При этом а -» со, но ах = 1. Дельта-функцию можно определить и как производную от единичного ступенчатого воздействия: 5(/) = . Неединичное импульсное воздейст-

вие с площадью А можно описать произведением Ab(t).

Рис. 3.3. Единичная импульсная функция 5(/)

Практически за импульсные воздействия можно принимать воздействия, сообщающие системе за время, значительно меньшее продолжительности переходного процесса, конечное количество энергии.

Гармоническая функция описывает величины, изменяющиеся во времени по гармоническому (т. е. синусоидальному или косинусоидальному) закону (рис. 3.4, а).

Рис. 3.4. Гармоническая функция: а — временная диаграмма; б — комплексное представление (обозначения см. выше)

Вещественная форма записи гармонической функции: v 2л

где лвх — амплитуда; со = —— круговая частота; i[ ‘ u>> ** ) — показательная;

хт = ^[cosCco/ + ф) + У sin(co/ + ф)] — тригонометрическая (используя формулу Эйлера).

На комплексной плоскости для некоторого фиксированного значения / величина хвх отображается вектором с модулем Хт и аргументом со/ + ф (рис. 3.4, б).

Познакомившись с типовыми воздействиями, перейдем к определению так называемых временных динамических характеристик h(t) и w(t).

Переходной функцией (переходной характеристикой) h(t) называется реакция предварительно невозбужденного устройства на единичное ступенчатое воздействие хвх= 1(/). На рис. 3.5 изображены хвх = 1(г) и две переходные функции h

Рис. 3.5. Примеры переходных функций

Импульсной функцией (импульсной характеристикой) w(0 называется реакция предварительно не возбужден но го устройства на единичное импульсное воздействие 8(0- На рис. 3.6 изображены х в виде короткого импульса и две импульсные функции и>(0- В литературе импульсную функцию называют также функцией веса. Она позволяет определить отклик систе-

Рис. 3.6. Примеры импульсных функций

мы при известном входном воздействии хвх с помощью интеграла Дюамеля.

Аналитически временные динамические характеристики /?(/) и w(t) определяются решением уравнения устройства при 1(/) или 8(0 соответственно в правой части уравнения (3.1).

Кроме временных динамических характеристик динамические свойства устройства могут быть охарактеризованы с помощью передаточной функции и частотных характеристик.

Передаточной функцией устройства Щр) называется отношение изображения по Лапласу выходной величины к изображению по Лапласу входной величины при нулевых начальных условиях.

Так, если устройство описывается дифференциальным уравнением

то при нулевых начальных условиях

операторная форма его записи имеет следующий вид:

и передаточная функция определяется как:

Здесь p = c+j(o — аргумент преобразования Лапласа; Х(р) — изображение функции х(/) по Лапласу.

Таким образом, передаточная функция является своеобразной формой записи дифференциального уравнения устройства. Поэтому она полностью отражает его динамические свойства.

Многочлен D(p) = апр» + апАр пА + . + я,/? + я называется характеристическим многочленом и уравнение D(X) = 0 называется характеристическим уравнением.

Многочлены М(р) и D(p) могут быть представлены с помощью их корней следующим образом:

где q, — корни числителя Щр), т. е. уравнения M(q) = 0 (нули передаточной функции); X,- — корни знаменателя W т. е. уравнения D(X) = 0 (полюсы передаточной функции).

Передаточные функции сложных систем легко могут быть определены через передаточные функции составляющих их элементов (будет показано ниже).

Зная передаточную функцию системы W(jj) и Хох(р), можно записать уравнение системы в операторной форме Хшх(р) = = W(p)Xm(p), и, используя законы преобразования Лапласа, решить его, т. е. определить процесс управления хвых(/). Такой путь значительно упрощает составление и решение уравнений систем автоматического управления.

К частотным характеристикам относятся:

  • • амплитудно-частотная характеристика;
  • • фазочастотная характеристика;
  • • амплитудно-фазовая частотная характеристика.

Комплексная передаточная функция устройства W(J(a) может

быть получена из его передаточной функции W заменой в ней аргумента р на усо:

Здесь с(со), d((a),J[cо) и g(со) получаются разделением мнимых и вещественных частей в числителе и знаменателе Ж(/со):

Члены алгебраической формы записи ^(/со) — P(jcо) и Q(Jm) — называются соответственно вещественной частотной и мнимой частотной характеристиками. Они определяется освобождением от мнимого числа в знаменателе W(jio) и разделением вещественной и мнимой частей W(j(a) после этого:

Модуль и аргумент показательной формы записи Ж/со) — — Жусо) и 0(усо) — называются амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) и фазочастотной характеристикой (ФЧХ) соответственно. В соответствии с этими определениями Ж(усо) называют амплитудно-фазовой частотной характеристикой (АФЧХ).

Аналитически Л(/со) и 0(/со) определяются следующим образом (рис. 3.7):

Очевидно, что при изменении оо будут изменяться величины модуля Жую) и аргумента 0(у’со) вектора, изображающего комплексную величину о) на комплексной плоскости (см. рис. 3.7). Если величину со изменять плавно, то конец этого век-

Рис. 3.7. Амплитудно-фазовая частотная характеристика на комплексной плоскости (обозначения ясны из текста)

тора опишет на комплексной плоскости кривую, которая называется годографом амплитудно-фазовой частотной характеристики.

Покажем физическую интерпретацию Л(/ю) и 0(/ю). Если на вход устойчивой динамической системы подать гармоническое воздействие хвх = XBXe Ja> , то по окончании переходного процесса на ее выходе установятся вынужденные колебания с той же частотой со, но с другой амплитудой и фазой:

где у — разность фаз величин хвых и хвх.

При этом для одной и той же системы разным значениям со

соответствуют определенные величины отношений —— и у.

При известных входной и выходной величинах:

Из сравнения правых частей выражений для W следует, что:

Таким образом, для амплитудной и фазовой частотных характеристик можно дать следующие определения:

  • • Т(/со) — функция, показывающая изменение отношения амплитуды установившихся вынужденных колебаний на выходе устройства к амплитуде гармонического воздействия на его входе в зависимости от частоты колебаний входного воздействия;
  • • 0(/со) — функция, показывающая сдвиг по фазе между установившимися вынужденными колебаниями на выходе устройства и входным гармоническим воздействием в зависимости ог частоты колебаний входного воздействия.

Зная амплитуду и частоту гармонического воздействия на входе устройства и его передаточную функцию [определив по ней И^усо), A и ©О)], можно аналитически определить установившееся вынужденное движение на выходе устройства:

На рис. 3.8 показан график этой функции.

Рис. 3.8. Графики гармонических функций на входе и выходе линейной системы

Частотные характеристики аналитически получаются из передаточной функции, поэтому также определяют динамические свойства устройства.

  • 1. Перечислите динамические характеристики и укажите их назначение.
  • 2. Перечислите и охарактеризуйте типовые воздействия.
  • 3. Как по передаточной функции получить дифференциальное уравнение устройства?
  • 4. Как при известных передаточной функции устройства, амплитуде и частоте входной гармонической величины определить амплитуду и фазу гармонической величины на выходе устройства?

4.3.2. Динамические характеристики

11еремещение спортсмена в пространстве и во времени, выполнение практически всех телесно-двигательных упражнений на снарядах и со снарядами является результатом взаимодействия внешних и внутренних сил. В результате действия и взаимодействия различных сил характер перемещения постоянно изменяется по величине и направлению. Такие изменения лежат в основе механизмов двигательных действий, что составляет сущность целостного упражнения. Познать эти механизмы позволяют динамические характеристики.

Группа динамических характеристик подразделяется на три подгруппы: инерционные, позволяющие изучать особенности перемещения тела исполнителя и звеньев, которые он приводит в движение; силовые, которые применяются для познания особенностей взаимодействия частей и звеньев тела человека как биомеханической системы и ее взаимодействия с внешними телами; энергетические, посредством которых представляется возможным изучать особенности энергообеспечения работы человека как биомеханической системы, обмена энергией между нею и средой.

Надо иметь в виду то обстоятельство, что энергетические характеристики определяются только путем измерений с применением расчетных и инструментальных методов. Потому, эта группа характеристик носит ограниченный характер в процессе качественного биомеханического анализа телесно-двигательных упражнений. Тем не менее знание сущности каждой динамической характеристики позволяет на логическом уровне рассуждать о механизмах двигательных действий, причинах их проявления, изменениях, строить умозаключения и в доступных пределах познавать телесно-двигательное упражнение.

Инерционные характеристики отражают особенности самого движущегося тела и других, взаимодействующих с ним тел, оказывают прямое влияние на изменение и сохранение скорости точки или тела. В эту группу характеристик входят инертность, масса тела, момент инерции тела.

Под инерцией понимается свойство материальных тел сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Примером может быть движение космического корабля в открытом космосе, где его скорость неизменна и равна той, которая была придана кораблю двигателем последней ступени ра кеты — носителя.

Инертностьэто свойство физических тел, которое проявляется в сохранении движения и особенностях его изменения под действием сил. Под инертностью понимается особенность тела оказывать сопротивление изменению скорости его движения и по величине, и по направлению. Понятие инертности раскрывает первый закон Ньютона первый закон динамики: «Всякое тело сохраняет свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока внешние приложенные силы не заставят изменить это состояние».

Количественной мерой инерционных и гравитационных свойств тела является масса. Как величина скалярная, масса определяется количеством вещества, заключенным в объеме тела. Масса всего тела всегда равна сумме масс частей, звеньев, из которых оно состоит. Следовательно, поведение всей системы тела как совокупности масс зависит от поведения отдельного звена как части совокупной массы.

Масса тела — это мера инертности тела при поступательном движении. Масса тела (т) определяется отношением приложенной силы (F) к вызываемому ею ускорению (а):

Определение массы основано на втором законе Пыотона : «Изменение движения пропорционально действующей извне силе и проходит по тому направлению, по которому эта сила приложена».

Масса тела отражает то, как приложенная сила может изменить движение тела, его ускорение. Так, если два спортсмена с разной массой тела оттолкнутся в кувырке вперед с одинаковой силой, то с большим ускорением будет двигаться исполнитель с меньшей массой. Значит другому, с большей массой, для хорошего исполнения упражнения надо отталкиваться с большей силой.

Момент инерции — это мера инертности тела при вращательном движении. Момент инерции тела относительно оси равен сумме произведений масс всех материальных точек тела на квадраты их расстояний отданной оси:

Вторая часть формулы характеризует то обстоятельство, что момент инерции тела относительно какой-то конкретной оси численно равен сумме произведений масс всех его частиц (т) и квадратов расстояния (г) каждой частицы до оси вращения. На этом основывается очень важное для телесно-двигательных упражнений спортивного характера положение: момент инерции тела больше в том случае, если какая-то его часть наиболее удалена от оси вращения, например прямая рука отведена точно в сторону. В этом случае, если тело вращается вокруг своей продольной оси, например тур на одной ноге, момент силы вызывает меньшее угловое ускорение в связи с большим инерционным сопротивлением отдаленной от оси тела руки, и вращение замедляется быстрее. Действия группирования или разгруппирования при выполнении, например, кувырков или сальто в группировке, есть пример деформации биомеханической системы тела спортсмена, при которой части тела приближаются или отдаляются от оси вращения. При отдалении момент инерции системы увеличивается — скорость вращения тела замедляется — и наоборот.

Для того чтобы использовать в технике упражнения закономерность изменения момента инерции, надо в соответствии с формулой его определения создать благоприятную предпосылку. Это заключается в предварительно организованном появлении необходимого момента силы и дальнейшего его использования во вращении тела. В кувырке вперед такие действия заключаются в достаточной силе отталкивания ногами, так как момент силы здесь равен силе отталкивания, умноженной на расстояние от точки опоры руками до оси плечевых суставов:

Поэтому в технике кувырка вперед важна сила отталкивания (F) с полным выпрямлением ног. При этом также важно оптимально высокое положение плечевой оси, то есть величина плеча действия силы толчка (г). От этого, как видно из формулы, зависит и величина момента силы, который должен быть достаточным для приобретения телом быстрого вращения-качения при группировании.

Силовые характеристики. К ним относятся: сила; момент силы; импульс силы; импульс момента силы; работа силы; работа момента силы; действие статической силы; действие динамической силы; количество движения. Ниже приводятся наиболее приемлемые для качественного биомеханического анализа силовые характеристики.

Между массой тела, силой действия и приобретенным телом ускорением существует определенная взаимосвязь. Суть ее заключается в том, что в механике приведенную ранее форму F= та представляют в другом виде:д=^— В этом случае второй закон 11ьютона — второй закон динамики — трактуется следующим образом: в инерциальной системе отсчета ускорение тела прямо пропорционально действующей на него силе и обратно пропорционально его массе. При этом направление ускорения всегда совпадает с направлением действующей силы. Образно говоря, очень сомнительно, что боксер легчайшего веса своим ударом опрокинет на пол атлета супертяжелой весовой категории. Первый из них не придаст второму даже самым сильным своим ударом то ускорение, которое будет несовместимо с удержанием равновесия. И наоборот, если удар нанесет боксер со значительно большей массой — эффект всегда очевиден.

Изменение скорости тела обусловлено воздействием других тел. В этой связи в биомеханике воздействие на определенное тело (на спортсмена) со стороны других тел (среды, снаряда, партнера, соперника н др.) измеряют произведением массы тела человека на приобретенное им или сообщенное ему ускорение. Это воздействие и его меру называют силой.

Силаэто мера механического воздействия одного тела на другое в данный момент времени. Численно сила (F) равна произведению массы тела (т) на ускорение (а), вызванное этой силой:

Определение силы, как и массы, также основано на втором законе Ньютона. То есть, сила, действующая на тело, равна произведению его массы на ускорение, вызванное этой силой. В ходе педагогического биомеханического анализа техники понятие силы может быть использовано в форме общей оценки: большая, достаточная, средней величины, недостаточная.

В телесно-двигательной практике на тело исполнителя всегда действует несколько других сил. При этом результат воздействия (т.е. равнодействующая сила), которая и придает телу исполнителя ускорение, равна векторной сумме воздействующих сил: FR=Fl+F2 + F>.

Примером может быть движение гимнаста посредством маха вперед при размахиваниях в висе на перекладине. Па спортсмена в этом случае (рис. 70, 71) действует сила тяжести F, составляющими которой являются взаимно перпендикулярные силы /•’] как создающая линейное ускорение ОЦМ тела гимнаста, и Т2, как создающая центростремительное ускорение тела.

Это должен знать каждый водитель:  Ravon Nexia R3 — инструкция по ТО своими силами

В другом примере, прыжке в длину (рис. 70), на спортсмена действует сила тяжести Fm = mg и сила противодействия среды (воздуха) — Fc. Ускоренное движение тела в этом случае создает равнодействующая этих сил — Fp. В двух приведенных примерах в процессе познания упражнения решаются разные задачи.

Рис. 70. Силы, действующие на тело спортсмена.

Л — /?’„ — сила сопротивления среды; G — сила тяжести; Rcr — сила реакции опоры.

БR — сила тяжести; F, — сила, создающая линейное ускорение; F2 сила, создающая центростремительное ускорение совместно с реакцией опоры (грифа перекладины).

В — F — сила сопротивления среды (воздуха); F — равнодействующая сила; mg — сила тяжести

В случае с гимнастом одну действующую силу — силу тяжести — можно представить в виде двух составляющих по правилу параллелограмма и выявить роль каждой в определенной фазе упражнения. Па примере прыжка в длину две действующие на тело силы Fm и Fcпозволяют получить равнодействующую этих сил, как суммарный эффект действий спортсмена, посредством сложения по правилу параллелограмма. В соответствии с известным и приведенным ранее положением о массе тела как мере его инертности, в случае взаимодействия двух тел, к примеру, толкателя ядра п снаряда, их ускорения обратно пропорциональны массам, что выражается формулой

Эту же зависимость можно представить формулой т1а1 = т2а2, или как /•’, = F2, то есть F< как сила спортсмена, приложенная к ядру, и F2 как действие ядра на спортсмена, равны по значению. 11о из механики известно, что ускорения взаимодействующих сил всегда направлены противоположно. Из этого следует, что сила Fi спортсмена п сила действия ядра F2 направлены противоположно. Именно в этом проявляется сущность третьего закона Ньютона: Fl = -F2. При взаимодействии тел они действуют друг на друга с силой, одинаковой по величине и противоположной по направлению. Это есть третий закон динамики, определяющий, что всякое действие тел является взаимным и сила действия всегда равна силе противодействия.

Силы, прилагаемые к телу человека при выполнении телесно-двигательного упражнения и в результате взаимодействия которых он перемещается в пространстве и во времени, как отмечалось ранее, подразделяются на внутренние и внешние. Внутренними силами человека являются его мышечные силы. Они являются результатом взаимодействия частей и звеньев тела посредством

Рис. 71. Силы, приложенные при сохранении положения: G — силы тяжести; R — сила реакции опоры; М — сила мышечной тяги; Р — сила веса

мышечных тяг. Известно, что внутренние силы как таковые не определяют перемещение человека в пространстве и во времени. Но именно напрягая, расслабляя, изменяя длину мышцы, спортсмен оказывает управляющее воздействие на биомеханическую систему своего тела. В биомеханике нет жесткого деления сил на внутренние и внешние. Оно носит условный характер, и при познании телесно- двигательного упражнения следует задаваться вопросом: какая в данном случае система рассматривается — только биомеханическая система человека и ее составляющие или же и ее взаимосвязь с системами среды (снаряды, аппараты, соперники и др.).

Внешними силами являются все те, которые действуют на человека извне. К ним относят гравитационные силы (сила тяжести), силу трения, сопротивление воздуха, воды, силу воздействия различных тел (соперника, партнера, снаряда и др.).

Далее представлены определения и сущность понятий основных внешних сил, наиболее приемлемых для применения в процессе качественного педагогического биомеханического анализа телесно-двигательного упражнения.

Силы гравитации. Для представления о сущности этих сил отметим, что именно благодаря их существованию и действию человек перемещается по земле в отличие от его состояния постоянного полета в условиях невесомости. Контактное земное состояние человека определяется законом всемирного тяготения, открытым И. Ньютоном. Любые два тела притягиваются друг к другу. Сила притяжения между точечными телами направлена по их соединяющей прямой, прямо пропорциональна массам взаимно притягиваемых тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

гдеД- сила взаимного притяжения; G — гравитационная постоянная (коэффициент пропорциональности, значение которого постоянно (6,7 10 И Н • м 2 /кг 2 ).

Силы всемирного тяготения называются гравитационными силами. Сила тяготения, действующая приближенно к поверхности земли, определяется как сила тяжести тела.

Сила тяжести — это мера притяжения тела к Земле. Она равна произведению массы тела (т) и ускорения свободного падения (ц):

Исходя из формулы силы тяжести, ее значение зависит от массы тела и от расстояния между телом и центром Земли, масса которой — величина постоянная. Далее, масса тела есть сила, с которой тело действует на опору, или какой- то снаряд для выполнения упражнений в различных висах, поскольку тело человека притягивается к Земле. В таком случае масса приложена не к телу исполнителя упражнения, а к опоре или к снаряду (перекладина, кольца и др.). В случае если тело спортсмена неподвижно, то его масса всегда равна силе тяжести. Если же спортсмен и опора перемещаются с определенным ускорением, то тело может попадать в состояние или перегрузки, или невесомости. И зависит это от направления ускоренного перемещения. Если ускорение совпадает по направлению и равно ускорению свободного падения, вес тела приобретает нулевое значение, а само тело попадает в состояние невесомости. Поэтому невесомостью называют такое состояние тела, при котором его вес равен нулю. Невесомость появляется, к примеру, в космическом корабле, который движется в безвоздушном пространстве с выключенными двигателями. Кратковременное состояние невесомости в условиях Земли можно создать в самолете, если ему задать форму движения по траектории параболы. В случаях, когда сила воздействия на опору резко уменьшается, человек чувствует кратковременное состояние невесомости. Примером могут быть движение вниз на качелях или быстрое опускание в кабине лифта. Когда же ускорение движения опоры противоположно ускорению свободного падения, человек испытывает состояние физической перегрузки, что явно чувствуется на качелях при активном движении вверх. Кратковременно это встречается в ряде видов спорта, например при взлете с трамплина во фристайле или в прыжках в воду.

Понятие силы тяжести может быть использовано в случаях, когда упражнение связано или с нахождением тела на опоре (и перемещением), или под опорой, то есть в висе. Так, в исходном положении упора присев, принятого для кувырка вперед, сила тяжести частично приходится на руки, далее, при отталкивании, сила тяжести полностью переносится на руки.

Вес тела (статический)это мера воздействия тела на опору, находящуюся в состоянии покоя или подвижную, противодействующую его падению.

При анализе техники следует различать понятия силы тяжести и веса тела. Сила тяжести приложена к телу земным притяжением. Ее действие особо остро ощущается в упражнениях, связанных с пребыванием в свободном полете и приземлении. Например, все прыжки со взлетом и последующим действием силы тяжести, когда из крайне верхнего положения тело человека начинает двигаться к опоре (Земле). Хорошо ощущается действие силы тяжести при прыжках в глубину, то есть с возвышения вниз.

Вес тела человека приложен не к нему самому, а к его опоре. Этой опорой может быть поверхность гимнастического бревна. В висе на гимнастической стенке, перекладине, на кольцах вес тела приложен к точкам хвата за снаряд.

Ранее отмечалось, что внутренними силами человека являются мышечные силы. Помимо этого принято считать внутренними силами такие, как вес туловища относительно ног при выпрыгивании вверх или вес головы относительно туловища.

Сила тренияэто мера противодействия движению тела, направленная по касательной к соприкасающимся поверхностям. Сила трения (Т) определяется произведением нормального давления (N) и коэффициента трения (К):

Существуют статическая сила трения и динамическая. Статическая сила трения как сила трения покоя, возникает в случае, если сдвигающая сила не может переместить тело и удерживает его в неподвижности. Например, сила трения, возникающая у штангиста в положении выпада, когда сцепление подошвейных поверхностей ботинок с помостом удерживает человека в этой позе. Другим примером может быть сила трения, возникающая при удержании виса на кольцах, перекладине, брусьях. Динамическая сила трения или сила трения скольжения возникает в случае, когда одно тело перемещается относительно другого, не теряя контакта с ним, то есть скользит по нему. Примером может быть сила трения, которая возникает при скольжении ладонных поверхностей рук гимнаста по грифу перекладины при выполнении большинства динамических упражнений. Очень часты случаи перехода статической силы трения в динамическую и наоборот. Например: в упоре на перекладине — статическая сила трения; при обороте назад в упоре — динамическая; при остановке рук — статическая. Примером комбинированного действия статической и динамической сил трения может быть выполнение тура на одной ноге, когда статическая сила трения удерживает тело от продвижения в горизонтальном направлении, а динамическая — проявляется при круговом скольжении стопы но поверхности опоры. В кувырке вперед проявляется вид трения качения, когда точки соприкосновения сфупнпрованного тела и опоры на протяжении всего переката сменяются. Механизм трения качения объясняется деформацией соприкасающихся тел. При кувырке опора, как более твердое тело, вдавливается в упругое тело исполнителя. В результате на теле исполнителя образуются своеобразные ямки, края которых он преодолевает, выполняя упражнение, и не проскальзывает по опоре.

Сила трения скольжения — это сила, возникающая в пограничном состоянии соприкасающихся тел при их движении относительно друг друга. Эта сила всегда мешает движению, хотя роль силы трения покоя часто позитивна, особенно в спортивных двигательных действиях. Именно благодаря силе трения покоя, человек осуществляет перемещение в пространстве. К примеру, в процессе ходьбы человек отталкивается от земли, сдвигая опору назад. Такому действию препятствует сила трения покоя, действующая в противоположную сторону, то есть вперед. Именно эта сила придает ускорение шагающему человеку.

Сила трения качения имеет место при качении, перемещении устройств на колесной основе. В этих случаях сила трения качения проявляется в результате деформации опорной поверхности и шины колеса. Сила трения скольжения существенно выше силы трения качения. Это объясняет стремление человека применять принципы колеса в различных видах транспорта.

Сила упругой деформации (сила упругости) есть мера действия деформированного тела на другие тела, вызвавших эту деформацию. Сила упругой деформации (F ) определяется произведением величины деформации (X) и коэффициента упругости (жесткости) тела (X» ):

При действии одного тела на другое они деформируются, то есть изменяют свою форму, одновременно тела противодействуют деформации, стремятся восстановить свою форму за счет так называемых упругих сил. Взаимодействие спортсмена с поверхностью опоры, со снарядом будет упругим лишь тогда, когда после действия нагрузки тело восстанавливает свою форму посредством сил упругости. Сила упругости широко используется в различных видах спорта. Например, при прыжках в воду с трамплина после наскока спортсмена на доску отталкивания, последняя деформируется, изгибается, а затем, выпрямляясь, сообщает телу прыгуна дополнительную скорость для последующего полета. При этом сила упругости деформированной доски трамплина совершает положительную работу. Другим примером может быть появление упругой силы при растяжении различного рода эспандеров, при отталкивании от гимнастического мостика. При обучении кувырку вперед можно использовать такой мостик. При толчке обучаемый давит ногами на мостик, тот прогибается, запасает энергию упругой деформации и затем, восстанавливая свою форму, передает запасенную энергию телу спортсмена, воспринимаемую, но возможности, прямыми ногами. То же происходит при отталкивании во всех опорных прыжках, прыжках на батуте и во множестве других упражнений.

Сила инерции, как внутренняя сила, возникает при движении тела с ускорением, например при прыжке вверх или при опорном прыжке. В этом случае сила инерции направлена в сторону, противоположную ускорению, то есть вниз, и складывается с весом человека. 11адо помнить, что за счет действия силы инерции при прыжках, сила давления на опору увеличивается. А это значит, что возникает тренирующее действие прыжковых упражнений на человека из-за появления дополнительной нагрузки.

Реакция опорыэто мера противодействия опоры при действии на нее тела человека в состоянии покоя или движения.

Сила реакции опоры равна силе действия тела на опору, приложена к этому телу и направлена в противоположную сторону. Противодействие опоры воздействию на нее спортсменом извне называют реакцией опоры, то есть реакцией на внешнее воздействие. Существуют статическая и динамическая разновидности реакции опоры. Статическая реакция опоры возникает при действии статического веса, например веса стоящего человека, этого же человека со штангой на плечах, и направлена перпендикулярно к опоре. Динамическая реакция опоры возникает при движении человека по опоре с ускорением вверх, вверх и вперед, назад, в стороны, когда появляется сила инерции, то есть динамическая реакция опоры представляет собой ответ опоры на действие статического веса тела и силы инерции движущегося тела. Это те случаи, когда спортсмен перемещается по опоре с ускорением (бег, серия акробатических прыжков и др.) и посредством внутренних мышечных сил действует на опору, в результате чего сила реакции опоры возрастает на величину произведения массы тела на его ускорение (т а). Сила реакции опоры, изменение ее величины в процессе взаимодействия с опорой отражают характер мышечных усилий, которые спортсмен проявляет в ходе взаимодействия с опорой или снарядом.

Момент силы — это мера вращательного действия силы на тело. Момент силы (Мо) равен произведению силы (/•) на плечо ее действия: Mo(F) = Pd.

Под плечом силы понимается расстояние по прямой от центра момента, относительно которого берется момент силы, до линии действия силы (рис. 68, А,Б).

Момент силы бывает положительный, если сила вызывает поворот тела против часовой стрелки, и отрицательный — при повороте тела по часовой стрелке.

Например, при отталкивании в кувырке вперед возникает отрицательный момент силы к), образованный силой толчка ногами (/ф) и руками, как плечом ее действия (dp):

В этом случае момент силы окажется полноценным, если толчок ногами будет достаточным и руки, как плечо действия силы, будут в подконтрольном упруго- жестком состоянии во время отталкивания. После пересечения общим центром тяжести тела вертикали точек опоры руками на исполнителя оказывает кратковременное воздействие момент силы тяжести его тела:

где FT сила тяжести тела, dp — плечо действия силы, длина перпендикуляра, восстановленного из точки приложения силы тяжести (ОЦТ) до вертикали из точек опоры руками.

Момент инерции тела есть мера его инертности при вращательном движении (в упражнениях с вращениями). Момент инерции тела относительно оси вращения определяется произведением масс всех материальных точек тела на квадраты их расстояния до оси:

В процессе выполнения телесно-двигательных упражнений с вращениями тело исполнителя деформируется, его части и звенья удаляются от оси вращения или приближаются к ней. Примером может быть вращение фигуриста на льду на месте. При входе в поворот вокруг продольной оси спортсмен приближает предварительно отведенные в сторону руки к туловищу (к продольной оси вращения). Тем самым он уменьшает радиус вращения рук как значительной составляющей массы тела, что приводит, в соответствии с приведенной выше формулой, к уменьшению момента инерции и к увеличению скорости продольного вращения. Для завершения вращения и его остановки спортсмен выполняет обратные действия, отводит руки в стороны, увеличивая тем самым радиус вращения рук как значимой для массы тела части. В результате момент инерции увеличивается, при этом увеличивается инерционное сопротивление, вращение замедляется. Изменением момента инерции спортсмен управляет вращением вокруг оси.

Импульс силы есть мера воздействия силы на тело человека за определенный промежуток времени в поступательном движении. Он определяется произведением силы (если сила не изменяется во времени) и продолжительностью ее действия:

В связи с тем, что силы в двигательных действиях спортсмена постоянно изменяются, импульс переменной силы определяется в виде суммы переменных импульсов. Импульс силы как биомеханическая характеристика может применяться в качестве средства контроля эффективности спортивной техники, особенно в скоростно-силовых видах спорта. Импульс силы определяет изменение скорости, в то время как силой обусловливается только ускорение как индикатор изменения скорости. Примером проявления импульса силы могут быть действия по отталкиванию при катании на скейтборде. Спортсмен достигает эффекта скорости развитием максимально большой силы толчка ногой за возможно малый промежуток времени. То же самое происходит и при отталкивании в прыжках в длину, высоту и др.

Если импульс силы характеризует поступательное движение, то вращательное движение можно охарактеризовать с качественной стороны с помощью импульса момента силы.

Импульс момента силы есть мера воздействия момента силы относительно определенной оси и за определенный промежуток времени при вращательных двигательных действиях:

В то время как импульс силы характеризует прирост линейной скорости, импульс момента силы определяет изменение угловой скорости.

Изменение в характере двигательных действий при выполнении упражнения определяется импульсом силы и моментом импульса силы, поскольку упражнения сочетают в себе и поступательное, и вращательное движения. Отмеченные составляющие изменения характера двигательных действий находятся в зависимости от инерционных свойств тела, что проявляется в изменении его скорости и отражается такими динамическими характеристиками, как количество движения и момент количества движения.

Количество движения — это мера поступательного движения тела, характеризующая его способностью передаваться другому телу или части тела в виде механического движения. Количество движения (К) определяется произведением массы тела (т) и его скорости ( V):

Характерным примером накопления и передачи количества движения в гимнастическом упражнении является выполнение подъема махом вперед в упор на брусьях из размахивания в упоре на руках или предплечьях. При размахивании исполнитель приобретает количество движения дистальной частью тела — ногами. Па махе вперед, под углом продольной оси ног примерно 60° к горизонтали, происходит резкое торможение движения ног, что приводит, в совокупности с надавливанием на жерди руками, к передаче количества движения от ног к туловищу и его подъему в упор. Этот же механизм имеет место и при подъеме махом вперед в упор на кольцах, и во множестве других спортивных упражнениях.

Кинетический момент является мерой вращательного движения тела, характеризующей его способность передаваться другому телу в форме механического движения, и определяется как произведение момента инерции относительно оси вращения (I) на угловую скорость тела (со):

Кинетический момент, рассчитанный относительно собственного центра масс тела спортсмена, позволяет количественно оценить создание вращения на опоре при выполнении вращательных упражнений в спорте. Примером применения кинетического момента как динамической характеристики в процессе познания телесно-двигательных упражнений является установленный расчетным путем на модели гимнастических упражнений факт. Он заключается в том, что спортсмен может развить наибольший момент количества движения вокруг поперечной оси (до 16 кг м 2 /е), по сравнению с возможным кинетическим моментом вокруг продольной оси (до 6 кгм/с). Эта же характеристика позволяет установить значение каждой из приведенных выше составляющих кинетического момента при выполнении упражнений со сложными вращениями.

Энергетические характеристики. К энергетическим характеристикам двигательных действий спортсмена при выполнении телесно-двигательного упражнения относят: работу силы, мощность, механическую энергию (кинетическая и потенциальная энергия тела).

Выполнение телесно-двигательного упражнения — процесс и результат взаимодействия внутренних и внешних сил спортсмена. Участвующие в обеспечении двигательных действий силы на всем пути их действия совершают работу по перемещению тела и изменяют его пространственное положение, скорость движения частей и звеньев тела. Все это приводит к изменению энергии человека как биомеханической системы. Поэтому энергия как биомеханическая характеристика отражает состояние этой системы в рассматриваемый период времени, которое постоянно меняется в ходе выполнения упражнения и представляет собой результат выполненной работы, то есть, выполняемая спортсменом работа определяет и характеризует процесс, в ходе которого проявляется и видоизменяется энергия тела спортсмена как биомеханической системы.

Работа силы в некотором направлении есть произведение перемещения тела <(is)и действующей на этом пути силы (/*):

Под работой силы понимается мера действия силы на тело при определенном его перемещении под действием этой силы. Другими словами, работа силы определяется произведением силы на величину расстояния, в пределах которого она действовала на тело. Сила, действующая на тело, может быть направлена в сторону его перемещения или навстречу движущемуся телу. В первом случае работу принято называть положительной, и энергия тела увеличивается. Во втором случае работа носит отрицательный характер, а энергия тела по мере действия силы уменьшается. Эффективность выполнения телесно-двигательного упражнения в определенной мере характеризует работа, затраченная на все упражнение или его часть. Такая энергетическая характеристика называется мощностью, которая определяется работой, выполняемой в единицу времени:

Существует и другое определение мощности как произведение действующей силы на скорость перемещаемого тела:

Это должен знать каждый водитель:  Volkswagen Golf — какая КП выгоднее

Для осуществления качественного биомеханического анализа упражнения применяются известные в теории биомеханики понятия положительной и отрицательной работы. Положительная работа имеет место в тех случаях, когда мышцы сокращаются против действия внешней силы, против нагрузки. Примером может быть разгон копья вместе с «рабочей» рукой. Если же мышцы противодействуют растяжению при действии внешних сил, то эту работу называют отрицательной. Примером могут быть двигательные действия в приеме борьбы — противодействие борца его отрыву от опоры соперником, противодействие рукой в армрестлинге и др.

Выполнение любой работы всегда сопровождается тратами энергии. По мере выполнения работы энергия в биомеханической системе тела уменьшается. Цель функционирования этой системы всегда связана с созданием энергии, ее накоплением, рациональным перераспределением, с обеспечением запаса энергии как условием эффективности работы этой системы.

Энергия как биомеханическая характеристика всегда отражает возможную работоспособность системы: в нашем случае биомеханической системы тела спортсмена. В спортивной биомеханике рассматриваются и применяются в процессе анализа физических упражнений несколько видов энергии. В качественном биомеханическом анализе возможно использование сущности понятий: кинетическая энергия поступательного движения; кинетическая энергия вращательного движения; потенциальная энергия, обусловленная взаимным расположением частей и звеньев тела спортсмена; потенциальная энергия деформации частей и звеньев тела. Суммарная энергия тела спортсмена как биомеханическая система определяется сложением перечисленных выше видов энергии, а также тепловой энергии и энергии обменных процессов в организме.

Энергия является интегральной характеристикой работоспособности спортсмена как биомеханической системы, работоспособности организма в целом.

Механическая энергия обусловливается движениями частей и звеньев тела, их скоростями и взаимным расположением. Она трактуется в теории биомеханики как энергия взаимодействия и перемещения.

Кинетическая энергия тела есть энергия его механического движения, обусловливающая возможность человека совершать работу. Этот вид энергии появляется и запасается человеком в процессе его двигательных действий. По мере выполнения работы энергия тела спортсмена убывает и одной из важнейших задач его двигательной активности является своевременное пополнение энергии.

Ранее отмечалось, что перемещение человека в пространстве и во времени складывается из двух компонентов — поступательных и вращательных двигательных действий. Поступательная составляющая кинетической энергии определяется половиной произведения массы тела на квадрат его скорости с размерностью в джоулях:

Вращательная составляющая кинетической энергии есть половина произведения момента инерции тела на квадрат его угловой скорости:

Суммарная кинетическая энергия тела определяется суммой ее поступательной и вращательной составляющих:

Появление энергии в биомеханической системе тела человека определяется происходящими в мышцах метаболическими процессами, что достаточно подробно рассматривалось ранее. 11рироду этих процессов составляет интегративная совокупность анаболизма и катаболизма. Анаболизм (от rp. anabolic — подъем) — совокупность биохимических процессов в организме, реакций обмена веществ, обеспечивающих синтез необходимых организму веществ и тканей тела. 11роцесс анаболизма происходит на основе продуктов расщепления питательных веществ, но и также в известной мере на базе продуктов распада тканей организма и ранее ассимилированных веществ, то есть усвоенных продуктов расщепления питательных веществ и кислорода воздуха.

Катаболизм (от rp. katabolic — разрушение) представляет собой совокупность происходящих в организме реакций расщепления более сложных веществ на более простые.

Известно, что все происходящие в организме изменения энергии как следствие выполненной спортсменом работы, не отличаются высоким эффектом. Это связано с тем, что только четверть суммарной энергии используется для выполнения двигательных действий, для работы, а остальные три четверти составляют запас для предстоящих движений и долю рассеивания в окружающей среде и в организме. Поэтому полная энергия тела складывается из кинетической, потенциальной видов энергии и тепловой составляющей. Именно малая доля эффективно затрачиваемой энергии (25%) и желание спортсменов ее увеличить порождает стремление усилить процесс анаболизма искусственным фармакологическим путем, что не следует рассматривать как нормальное явление, так как понятие нормы жизнеобеспечения организма, его работоспособности следует связывать с понятием естественных метаболических процессов в нем.

В процессе выполнения телесно-двигательных упражнений спортсменом как биомеханической системой используются два источника проявления п пополнения энергии. Первый из них рассмотрен выше — это метаболические реакции в организме. Вторым является энергия внешней среды, чаще всего энергия упругой деформации опорных поверхностей, спортивных снарядов и др.

Потенциальной энергией называется та, которой обладает тело в соответствии со своим положением относительно других тел или взаимным расположением частей тела. Ею обладает любое тело, находящееся на определенной высоте над поверхностью земли. Этот вид энергии называется потенциальной энергией в поле силы тяжести и определяется формулой:

где G — сила тяжести тела, h — высота расположения тела над уровнем Земли.

К примеру, Земля силой тяжести действует на тело спортсмена, выполняющего прыжок в глубину (е возвышения); подброшенный вверх мяч в конечной точке взлета имеет скорость, равную нулю и максимальную потенциальную энергию: Е = mgh. По мере продвижения мяча, другого тела к земле, его потенциальная энергия уменьшается в соответствии с уменьшением расстояния до Земли. В связи с этим, по мере приближения к опоре увеличивается кинетическая энергия е ее максимальным значением в момент активного контакта с опорной поверхностью. В разных точках пути к опоре тело, мяч, любой снаряд обладают и потенциальной, и кинетической энергией, сумма которых всегда постоянна с наивысшим значением кинетической энергии в крайне верхнем положении и таким же значением потенциальной энергии в момент контакта с опорой.

Примером применения разных видов энергии может быть прыжок в высоту с места. В ходе полуприседания спортсмен готовит мышцы для отталкивания и взлета. В положении полуприседа с полунаклоном он обладает потенциальной энергией, обусловленной его внутренними силами. При отталкивании спортсмен, используя кинетическую энергию, набирает высоту. По мере взлета кинетическая энергия его тела переходит в потенциальную энергию, величина которой зависит от высоты подъема центра масс тела над опорой. Па уровне высоты максимального взлета кинетическая энергия тела полностью переходит в потенциальную энергию. В данном примере источником перехода одного вида энергии в другой является работа мышц в ходе толчка. Известно, что сила мышц ног, проявляемая при прыжке вверх, примерно в три раза выше по значению силы тяжести, действующей на спортсмена.

Потенциальная энергия всегда связана с процессом взаимодействия тел. И это взаимодействие, его характер определяет часто потенциальная энергия упругих тел, потенциальная энергия упругой деформации, что характерно для многих сторон в сфере спорта. Классическим примером является пружина, опирающаяся одной стороной о пол и сжатая с другой нажатием руки. Давая пружине постепенно распрямиться, человек ощущает давление на ладонь. Это давление есть работа силы упругой деформации. В процессе сжатия пружины человек, применяя кинетическую энергию собственного тела, переводит ее в потенциальную энергию сжатой пружины, которую затем может использовать по своему усмотрению. Этот принцип заложен во взаимодействии спортсмена с гимнастическим мостиком в опорном прыжке, с сеткой батута, при ударе ракеткой по мячу, при воздействии натянутой тетивы лука на стрелу и др. Во всех отмеченных случаях в опорной поверхности происходит сначала накопление потенциальной энергии упругой информации, а затем переход этой энергии в потенциальную энергию тела спортсмена, выполняющего упражнение.

Динамические характеристики и параметры

Средств измерений

В статических режимах выходной сигнал СИ в точности соответствует входному (при условии отсутствия статических погрешностей) и, следовательно, коэффициент преобразования К равен номинальному коэффициенту К во всем диапазоне изменения входной величины X(t). Уравнение преобразования имеет вид

и соответствует идеальному безынерционному линейному преобразованию. Реальные СИ обладают инерционными (динамическими) свойствами, обусловленными особенностями используемых элементов. Это приводит к более сложной зависимости между входным и выходным сигналами. Свойства СИ в динамических режимах, т.е. когда время изменения измеряемой величины сравнимо со временем измерения, описываются совокупностью так называемых динамических характеристик.

Основной их них является полная динамическая характеристика, полностью описывающая принятую математическую модель динамических свойств СИ. В качестве нее используют: дифференциальные уравнения; переходную, импульсную переходную, амплитудно-фазовую и амплитудно-частотную характеристики; совокупность амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик; передаточную функцию.

Дифференциальные уравнения наиболее полно описывают динамические свойства СИ. Общий вид уравнения с нулевыми начальными условиями:

где bi, Ki — постоянные коэффициенты. В подавляющем большинстве случаев оно может быть приведено к уравнению

Его решение Y(t) описывает выходной сигнал средства измерений при входном сигнале X(t). Данное уравнение отличается от (11.2) присутствием членов, содержащих произведения коэффициентов Ц и высших производных от Y(t), которые и описывают динамические свойства СИ. При их равенстве нулю уравнение (11.3) переходит в (11.2).

Порядок уравнения (11.3) бывает довольно высоким, по крайней мере выше второго. Его решение даже при известном виде функции Y(t) весьма затруднено. Кроме того, неизвестно аналитическое выражение для Y(t) и определение производных невозможно. Дифференциальные уравнения высокого порядка могут быть представлены системой дифференциальных уравнений первого и второго порядков. Это, по существу, означает представление сложного в динамическом смысле СИ совокупностью более простых, хорошо изученных динамических элементов (нулевого, первого и второго порядков).

Элемент нулевого порядка описывается уравнением (11.2), динамический элемент первого порядка — уравнением

где Т — постоянная времени. Вместо нее применяют и величину wг=1/Т, называемую граничной частотой.

Динамический элемент второго порядка описывается уравнением

где w — частота собственных колебаний; b — коэффициент демпфирования, или степень успокоения.

Переходная характеристика h(t)— это временная характеристика СИ, полученная в результате подачи на его вход сигнала в виде единичной функции заданной амплитуды X(t) = Хm×l(t). Она описывает инерционность СИ, обуславливающую запаздывание и искажение выходного сигнала относительно входного. Переходную характеристику находят либо опытным путем, либо решая соответствующее дифференциальное уравнение при

Импульсная переходная характеристика g(t)— это временная характеристика СИ, полученная в результате приложения к его входу сигнала в виде дельта-функции.

Переходная и импульсная характеристики связаны между собой:

Как и дифференциальное уравнение, эти характеристики в полной мере определяют динамические свойства СИ. Выходной сигнал при известном входном X(t) определяют с помощью интеграла Дюамеля:

Переходная и импульсная характеристики элементов первого порядка имеют вид:

Их графики приведены на рис. 11.4. Там же показан графический способ определения постоянных времени Т путем проведения касательных к точке начала процесса. Часто для оценки длительности переходного периода определяют время установления ty (см. рис. 11.4).

Для динамического элемента второго порядка вид характеристик h(t) и g(t) зависит от коэффициента демпфирования (рис. 11.5 и 11.6). Имеют место три режима (считается, что Хm = 1):

• колебательный при b 1

Критический режим является граничным между колебательным и апериодическим. Он характерен тем, что переходный процесс наиболее быстро стремится к установившемуся значению.

Рис. 11.6. Импульсная переходная характеристика динамического

элемента второго порядка при различных значениях

К частотным характеристикам относятся амплитудно-фазовая G(jw), амплитудно-частотная A(w) и фазочастотная j(w) характеристики. Частотные методы анализа основаны на исследовании прохождения гармонических колебаний различных частот через СИ. Если на вход линейного СИ подать входной сигнал X(jw)=Xm(w) e j w t , то выходной сигнал можно записать в виде

Амплитудно-фазовой характеристикой называют отношение

Она описывает изменение показаний СИ при изменении частоты входного сигнала и характеризует только установившийся режим его работы.

В практике измерений получила большое распространение амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)

представляющая собой зависящее от круговой частоты отношение амплитуды выходного сигнала линейного СИ в установившемся режиме к амплитуде входного синусоидального сигнала.

Фазочастотная характеристика (ФЧХ) j (w) — это зависящая от частоты разность фаз между выходным сигналом и входным синусоидальным сигналом линейного СИ в установившемся режиме.

Идеальный безынерционный элемент, описываемый уравнением (11.2), имеет следующие частотные характеристики: G(jw) = К, А(w) = К, j (w) = 0. Для элемента первого порядка (рис. 11.7), задаваемого уравнением (11.4),

Рис. 11.7. Амплитудно-частотная (а) и фазочастотная (б)

характеристики динамического элемента первого порядка

Динамический элемент второго порядка, описываемый уравнением (11.5), имеет следующие частотные характеристики:

Для него вид частотных характеристик существенно зависит от коэффициента демпфирования b (рис. 11.8). При b = 0,6. 0,7 в А(w) » К. Этот режим важен для многих практических применений таких элементов. При b 2 /w 2 + 2b р/w + 1).

Кроме полных характеристик часто используются частные, представляющие собой функционал или параметр полной динамической характеристики. К ним относятся: время реакции, неравномерность АЧХ, время нарастания переходной характеристики и ряд других.

Терминология динамических измерений приведена в рекомендациях МИ 1951-88.

Дата добавления: 2020-11-05 ; просмотров: 757 | Нарушение авторских прав

Динамическая характеристика автомобиля

Динамической характеристикой автомобиля называется зави­симость динамического фактора по тяге от скорости на различ­ных передачах. Динамическая характеристика, представленная на рис. 3.24,свидетельствует о том, что динамический фактор по тяге на низших передачах имеет большую величину, чем на высших. Это связано с тем, что на низших передачах тяговая сила увеличивается, а сила сопротивления воздуха уменьшается.

Поскольку при равномерном движении D = ψ, ордината каж­дой точки кривых динамического фактора, приведенных на дина­мической характеристике, определяет значение коэффициента со­противления дороги ψ

Так, например, точка Dv со­ответствующая значению дина­мического фактора при макси­мальной скорости mах, опреде­ляет коэффициент сопротивле­ния дороги ψv которое может преодолеть автомобиль при этой скорости, а ординаты точек максимума кривых динамического фактора представляют собой максимальные значения коэффици­ента сопротивления дороги, преодолеваемого на каждой передаче.

С помощью динамической характеристики можно решать раз­личные задачи по определению тягово-скоростных свойств авто­мобиля. Рассмотрим некоторые из этих задач.

Определение максимальной скорости движения автомобиля при заданном коэффициенте сопротивления дороги ψНа оси ординат откладываем значение коэффициента сопротивления дороги ψ характеризующее данную дорогу, и проводим прямую, параллель­ную оси абсцисс, до пересечения с кривой динамического факто­ра D. Точка пересечения и будет соответствовать максимальной скорости, которую может развить автомобиль при заданном ко­эффициенте сопротивления дороги ψ.

Определение максимального подъема, преодолеваемого на доро­ге с заданным коэффициентом сопротивления качению ƒ .Для на­хождения максимального подъема, который может преодолеть ав­томобиль при постоянной скорости на любой передаче на дороге с коэффициентом сопротивления качению ƒ на оси ординат от­кладываем значение коэффициента/и проводим прямую, парал­лельную оси абсцисс. Разность между максимальным значением динамического фактора Dmах на любой передаче и значением ко­эффициента ƒ соответствует максимальному подъему, преодоле­ваемому на выбранной передаче:

Определение максимального ускорения автомобиля при задан­ном коэффициенте сопротивления дороги ψ. Для нахождения мак­симального ускорения jmах, которое может развить автомобиль на любой передаче, необходимо найти разность между максималь­ным значением динамического фактора на выбранной передаче и значением коэффициента сопротивления дороги (Dтax ψ). Зная эту разность, можно определить значение максимального ускоре­ния по формуле (3.22)

Определение возможности буксования ведущих колес. При ре­шении данной задачи необходимо сопоставить динамические фак­торы по тяге и сцеплению. С этой целью определяют значение динамического фактора по сцеплению для заданного коэффици­ента сцепления φx. Найденное значение откладывают на оси ор­динат и проводят горизонтальную прямую.

В области, расположенной над проведенной прямой, следовательно, трогание автомобиля с места на I передаче невоз­можно, а при его движении неизбежна остановка.

В области, находящейся под этой прямой, выполняется условие следовательно, при полной нагрузке двигателя, или при полной подаче топлива, движение без пробуксовки ведущих колес невозможно лишь на I передаче. Для движения без буксования ве­дущих колес на I передаче необходимо уменьшить подачу топлива и динамический фактор по тяге (см. кривую І на рис. 3.24).

При определении тягово-скоростных свойств динамическая ха­рактеристика строится для автомобиля с полной нагрузкой.

Дата добавления: 2020-02-20 ; просмотров: 2529 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Экология СПРАВОЧНИК

Информация

Добавить в ЗАКЛАДКИ

Поделиться:

Динамические характеристики

Динамические свойства двухпозиционной САР существенно улучшает ступенчатый прерыватель (типа СИП), включенный в цепь управления исполнительным механизмом дозатора (см. рис. При больших колебаниях концентраций загрязнений, превышающих десятикратное значение, а следовательно, и при существенно изменяющихся соотношениях между концентрацией Сг6+ и дозой реагента-восстановителя, а также при неблагоприятных динамических характеристиках установки (недостаточный объем реактора, наличие большого количества примесей, мешающих потенциометрическим измерениям и участвующих в процессе восстановления хрома) двухпозиционные и импульсные САР могут не соответствовать предъявляемым требованиям. В этом случае повышение эффективности очистки воды возможно по двум направлениям: улучшение схемы очистной установки технологическими средствами (применение усреднителей большого объема, каскадная обработка реагентами) или усовершенствование системы автоматического регулирования процесса очистки, введя некоторые усложнения.[ . ]

Динамические характеристики экосистемы имеют различную продолжительность: изменения в биоценозах могут иметь суточные и сезонные колебания (ритмы); могут длиться на протяжении ряда лет и даже в пределах времени геологических эпох, выражая тем самым эволюционные процессы в биосфере, как глобальной экосистемы.[ . ]

Динамические характеристики объекта регулирования представлены кривой переходного процесса (кривой разгона) на рис. VIII.7. Она получена опытным путем нанесением скачкообразного изменения расхода извести путем перестановки регулирующего органа дозатора при неизменности всех других параметров.[ . ]

Для динамической характеристики отбирают средние или среднепропорциональные пробы через установленные промежутки времени (полчаса — час), не по одной, а сразу по две отдельные пробы, из которых одну сливают в общую бутыль для сбора сред-, ней пробы за смену или за сутки, а другую (индивидуальную) — з особую небольшую емкость и помечают, к какому времени она относится. Таким образом, на протяжении смены отбирается 8—16 индивидуальных проб, которые направляются в лабораторию для исследования на характерный для данного производства ингредиент, неблагоприятный с точки зрения санитарной охраны водоема.[ . ]

Под динамическими свойствами объекта регулирования подразумевается характер изменений параметра регулирования в переходном режиме работы объекта. Динамические характеристики определяются кинетикой регулируемой реакции, свойствами используемых реакционных аппаратов и технологической схемой процесса. При проведении гетерогенных реакций важную роль в динамике объекта играют особенности нейтрализующего реагента.[ . ]

Динамические характеристики рН-метра
У.7. Динамическая характеристика гидравлического регулятора с мембранным преобразователем
УП.6. Динамическая характеристика концентрации фтора на выходе из камеры смешения (а) при ступенчатом изменении дозы фторреагента в течение 20 мин (б)

Ухудшение динамических характеристик из-за обрастания ос бенно актуального для теплых морей, когда не только увеличив ■ется масса установок, но и вследствие появления неровное« изменяется присоединенная масса жидкости, вовлекаемая в дв жение при перемещении относительно воды. Особые трудное! возникают при обрастании внутренних поверхностей различнь воздушных камер, водоводов, трубопроводов.[ . ]

Ниже приведена динамическая характеристика групп типов леса, в которой для этапа сформировавшегося типа леса и этапа, предшествующего образованию леса, обобщены архивные лесоустроительные материалы и данные исследователей, изучавших сосновые леса Унжен-ской низменности в периоды преобладания спелых древостоев и интенсивной их рубки.[ . ]

РОЖДАЕМОСТЬ- см. Динамические характеристики популяций.[ . ]

Авторы [8] не приводят динамических характеристик своей САР и данных о качестве регулирования процесса.[ . ]

Таким образом, анализ динамических характеристик и технической эффективности водных ресурсосберегающих химико-технологических систем промышленных предприятий является одним из этапов, на котором проверяется адекватность полученных результатов функционирования синтезируемых ВХТС целям и задачам, поставленным на начальном этапе проектирования.[ . ]

Необходимость контроля динамических характеристик упругой системы оборудования в процессе испытаний на надежность связана с неизбежным ухудшением показателей его динамического качества. Это проявляется в росте уровня внешних возмущений в подвижных сопряжениях, снижении жесткости стыков, росте амплитуд колебаний и других негативных явлениях, что в конечном итоге сказывается на качественных характеристиках обработки. Кроме того, возможно существенное изменение АЧХ, АФЧХ и других динамических характеристик, что может привести к ухудшению работоспособности, когда с целью снижения уровня колебаний приходится искусственно уменьшать скорость подачи, величину снимаемого припуска, частоты вращения рабочих органов и другие режимные факторы, определяющие в значительной степени производительность обработки.[ . ]

Уровень шума, также как и динамические характеристики оборудования, является одним из параметров технического состояния (диагностическим признаком), по которому можно судить об объекте и который контролируется в процессе испытаний на надежность. При этом виброакустические характеристики относятся к косвенным признакам, функционально или стохастически связанным с выходными параметрами работы оборудования. Используя виброакустическую диагностику оборудования при оценке начального качества и в процессе испытаний с применением спектрального анализа частот диагностического сигнала, представляется возможным давать раздельную оценку влияния отдельных элементов (деталей) машины на формирование ее результирующей характеристики и выявить слабые места конструкции. Кроме того, изменение уровня шума и его спектрального состава часто свидетельствует о возникновении нарушений в работе оборудования и может использоваться для целей прогнозирования появления функциональных и параметрических отказов.[ . ]

Предусмотрена оптимизация динамических характеристик переходных процессов в системе, отдельных технологических блоков, технологического процесса установки, а также прогнозирование качественных показателей нефтепродуктов. Имеется связь с нижним уровнем.[ . ]

Трудности, с которыми связана динамическая характеристика состава сточных вод, дают основание еще раз подчеркнуть, что прибегать к ее определению следует только после тщательного выяснения на месте условий образования сточных вод и возможной степени неравномерности их состава. Кроме того, следует воспользоваться и тем обстоятельством, что очень часто колебания температуры стока во времени или активной реакции pH являются косвенными показателями неустойчивого или периодически меняющегося хода технологического процесса, который сопровождается образованием сточных вод разного состава или концентрации. Поскольку динамическая характеристика стока по температуре и pH имеет также самостоятельное санитарное и санитарно-техническое значение, определение динамической характеристики стока рекомендуется начинать с более простых и легко осуществимых на месте исследований колебаний температуры и pH стока во время отбора отдельных проб. Если же окажется нужным, то при последующем исследовании стока можно организовать отбор .индивидуальных проб для анализа на специфическое для данного стока вредное вещество.[ . ]

В основу расчета устойчивости САР кладутся динамические характеристики объекта регулирования. Наиболее наглядное представление о переходном процессе в объекте дают кривые разгона — временные характеристики, получающиеся в результате ступенчатого возмущения.[ . ]

В качестве примера приведем данные по оценке динамических характеристик ХТС очистки сточных вод отбельного цеха красильно-отделочного производства текстильного предприятия от анион-активных поверхностно-активных веществ, которые широко используют в технологии отделки тканей как смачивающие и моющие препараты. Изменение концентрации поверхностно-активных веществ в сточных водах такого производства в зависимости от времени работы иллюстрирует рис. 3.1. На основе корреляционного анализа изменения состава сточных вод на входе в ХТС получена автокорреляционная функция, представленная на рис. 3.2.[ . ]

Оптимизация отдельных технологических блоков и динамических характеристик переходных процессов также осуществляется по специальным алгоритмам с заданным критерием оптимизации и управления. Прогнозирование качественных показателей дает возможность по имеющимся математическим моделям и текущим данным технологического процесса определять качественные показатели нефтепродуктов с точностью не ниже точности определения этих показателей по лабораторным анализам.[ . ]

Одним из эффективных технологических средств улучшения динамических характеристик являются усреднители концентраций загрязнений и расходов воды. Наибольшее распространение получили усреднители типа резервуаров-смесителей с механическим или пневматическим перемешиванием и перегородчатые смесители конструкции Д. М. Ванякина. Расчет этих сооружений сводится к определению усреднительных объемов На основании графиков колебаний расходов и усредняемого состава загрязнений. Объем усреднителей рассчитывают исходя из некоторого среднего режима колебаний загрязнений. В ряде случаев следует учитывать и залповые сбросы высококонцентрированных стоков, и циклические колебания концентраций.[ . ]

Рядом исследователей [14, 15] проведены работы по экспериментальному изучению динамических характеристик стеклянных электродов. Инерционность установления равновесного потенциала в электродной сцстеме определяется в основном тремя факторами: наличием емкости между электродами и в соединительном кабеле, скоростью миграции свободных Н+ между средой и стеклянной мембраной и характером диффузии Н+ и ОН- в приэлектродном ламинарном слое жидкости. Последний фактор в значительной степени определяется условиями перемешивания измеряемой среды.[ . ]

Построенные по полученным экспериментальным данным амплитудно-фазово-частотные характеристики (АФЧХ), которые устанавливают связь частоты колебаний с фазой и амплитудой, позволяют оценить запас устойчивости и выявить влияние конструктивных факторов на динамические характеристики упругой системы машины.[ . ]

Человечество, как и всякую популяцию живых организмов, характеризуют статистические характеристики (численность, плотность, пространственная структура, половой и возрастной состав), а также динамические характеристики (рождаемость, смертность, миграционная активность, скорость роста, продолжительность жизни, кривые выживания).[ . ]

Таким образом, понятие элементарного события введено как результат сравнения произвольной динамической характеристики функционирования системы в некоторый момент времени с заранее известным (задаваемым ЛПР) ее критическим значением. Анализируются только такие динамические характеристики, которые относятся к какому-либо одному модельному элементу ВХС (дуге или вершине). Если соответствующая характеристика оказывается рассредоточенной вдоль соответствующей дуги, то с ее критическим значением будет сопоставляться экстремальное (минимальное или максимальное) значение этой характеристики в пределах этой дуги.[ . ]

Имея-в виду предложенную математическую модель процесса биохимической очистки и учитывая статические и динамические характеристики остальных звеньев, рассмотрим имеющиеся -в настоящее время САР технологического режима аэротенков.[ . ]

Другим важным фактором, предопределяющим структуру САР, является время переходного процесса реакции в условиях, близких к оптимальным, т. е. динамическая характеристика процесса. Методика ее получения такова. Проба сточной воды при интенсивном перемешивании подвергается воздействию залповой дозы реагента, рассчитанной на проведение исследуемой реакции до заданного уровня. Кривая переходного процесса во времени, выраженная в единицах pH или удельной проводимости, служит динамической характеристикой процесса. В главе VI приведен пример расчета реактора с применением экспериментально полученного времени переходного процесса.[ . ]

Поскольку мы должны выбрать единственную пару коэффициентов г0 иг, находящихся одновременно внутри областей устойчивости всех режимов (г0 = 0,05; 2) = 0,4), динамические характеристики автоматической системы на режимах с малыми коэффициентами передачи объекта несколько ухудшаются в сравнении с оптимальными. Амплитудно-частотные характеристики системы с настройками г0 = 0,05 и г, = 0,4 во всех режимах представлены на рис. Существенным положительным фактором, улучшающим динамику процесса фторирования, является усреднитель-ный потенциал выходного накопительного резервуара — резервуара чистой воды, время пребывания в котором 90 — 180 мин.[ . ]

С учетом динамики вод озера представляют собой маленькие модели океана на суше. Чем крупнее озеро и больше его глубина, тем ближе оно по своим качественным динамическим характеристикам к океану, и в этом отношении Каспийское море — действительно море. Как и в океане, вода в озерах летом часто разделена на слой перемешивания у поверхности, слой температурного скачка и более холодную глубинную воду, т. е. стратифицирована. Но многое определяется глубиной, размерами озера и географическим положением. Чем глубже и больше озеро, тем лучше выражена стратификация. Если же озеро неглубокое и небольшое, то слой перемешивания достигает дна и температура воды оказывается однородной по всей толще озера. Такое состояние называют гомотерм.ией. Во многих озерах оно отмечается весной и летом.[ . ]

Пока еще не проводилась работа по изучению факторов, определяющих углекислотное равновесие, как параметров регулирования; нет достаточно полных данных об их динамических характеристиках в том или ином процессе стабилизации воды. Методы и средства измерения указанных параметров, за исключением величины pH, не разработаны. Например, разность рК2 — сасо3 можно оценить по температуре воды. Сигнал с термометра сопротивления, пропорциональный температуре воды, преобразуется по уравнению /(/,°С) = рК2 —Р сасо3 (в соответствии с первой шкалой номограммы на рис.[ . ]

Основу математического моделирования составляют дифференциальные уравнения теплового и материального балансов, решение которых обосновывает получение реалистических динамических характеристик объекта. На основе их анализа и термодинамических данных создается математическое описание, позволяющее отразить спектр технологических режимов работы установки, включая ее пуск и останов. Следование принципу фундаментального моделирования позволяет воссоздать в тренажерной модели все существенные для обучения операторов сложные внутренние связи установки. Обучаемый сможет увидеть реакцию оборудования на воздействия, имитирующие различные его неисправности. Модель является полномасштабной, а создаваемый на ее основе компьютерный тренажер обеспечивает реализацию следующих технологических режимов: “холодный” и “теплый” старт, нормальный аварийный останов, нормальный технологический режим, уменьшение нагрузки, аварийные условия работы.[ . ]

Среди процессов, вызывающих снижение работоспособности машины, имеются такие, которые относятся к неконструктивным элементам (характер взаимосвязи соединений и стыков, посадки, динамические характеристики и т. д.). К таким процессам относятся изменение динамического качества, разрегулировка, изменение условий контакта и др.[ . ]

Реальная ВХТС допускает отклонение конечной концентрации ингредиентов от заданной величины, работая то с недостаточной эффективностью, то с ее превышением. При этом задачу оценки динамических характеристик (стабильности) функционирования данной ХТС можно сформулировать следующим образом: имея динамические характеристики входных воздействий и динамические характеристики самой ХТС, необходимо определить динамические характеристики изменений ее выходных параметров.[ . ]

Так можно получить зависимость параметра регулирования от основных возмущений — изменения состава поступающей в реактор среды и расхода или состава реагентов. В целом статические характеристики САР могут зависеть и от ряда других причин: расхода сточной воды, свойств регулирующих органов и системы подачи реагентов и полноты протекания реакции, которая в свою очередь является функцией температуры, расхода и соотношения концентраций вступающих во взаимодействие компонентов. Влияние всех этих факторов трудно рассчитать, располагая лишь исходными технологическими данными и результатами лабораторных исследований. В таких случаях статические характеристики следует получать непосредственно на действующем объекте регулирования. При этом, если допустимо временное нарушение нормального хода технологического процесса очистки, следует отдать предпочтение методу активного эксперимента, состоящему в том, что через определенные промежутки времени задают приращения одной из входных величин. Значения регулируемого параметра фиксируют каждый раз после достижения им новой установившейся величины. Все входные факторы изменяют на всем диапазоне их существования в рабочих условиях. Получение статических характеристик указанным методом, хотя и трудоемко при большом числе переменных факторов, однако обеспечивает достоверные результаты. Его можно совмещать с экспериментальным изучением динамических характеристик — кривых нормального разгона объекта регулирования, рассмотренных ниже.[ . ]

Первые следует отнести к известным в химической технологии кубовым реакторам, обладающим сосредоточенной емкостью. Системы авторегулирования с такими реакторами устойчивы даже при значительных возмущениях, благодаря их хорошим динамическим характеристикам (т/Го < 1).[ . ]

При использовании воды в технологии производства продукции одними из основных являются массообменные процессы, часто характеризующиеся нестационарностью входных воздействий. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании ВХТС с требуемыми динамическими характеристиками выходных параметров системы [22].[ . ]

Задачей экспериментального исследования систем аэрации является определение зависимости величины ОС (или КА) от гидродинамических и физико-химических параметров процесса. Гидродинамические условия в аэротенке определяются геометрическими свойствами системы и динамическими параметрами ее работы. Под геометрическими свойствами подразумеваются размеры сооружения (глубина, ширина, размещение аэраторов в плане и т.д.). Динамической характеристикой процесса является расход подаваемого воздуха. Физико-химические свойства (вязкость, поверхностное натяжение, плотность и др.) зависят от температуры, качественного и количественного состава примесей в воде, степени их гетерогенности и т. д.[ . ]

Этапы анализа и синтеза ВХТС промышленных предприятий должны быть сопряжены с решением задачи оценки их экологической безопасности и экономической эффективности. Одними из наиболее важных показателей экологической безопасности ВХТС являются: техническая эффективность системы обработки водных технологических потоков, ее динамические характеристики (стабильность параметров), а также санитарная эффективность ХТС и общая токсичность водных технологических потоков (с учетом эффекта суммирования загрязняющих веществ).[ . ]

Переключение контактов регулятора 11 подготовляет цепь для отключения действующего в данный момент промежуточного реле 8 и включения следующего. Однако переключение реле происходит только после того, как на выходе из реактора установится величина pH, определяемая настройкой позиционного регулятора рН-метра, и будет выдержан интервал времени, задаваемый реле 7. Этот интервал, определяемый динамической характеристикой реактора, обеспечивает достоверность определения р, не допуская ложного срабатывания при колебаниях pH с амплитудой, превышающей диапазон уставок позиционного регулятора. Если после выполнения указанных условий контакты регулятора 12 остаются в переключенном состоянии, происходят сброс одного реле 8 и включение следующего, изменяющего сопротивление резистора 9 в цепи обратной связи изодромного регулятора 3. После этого контур но отклонению начинает работать с новым значением — коэффициента усиления.[ . ]

Двумерные модели, включающие наряду с фотохимическими процессами и вертикальным переносом перенос и в меридиональном направлении (как упорядоченный, так и турбулентный), более физичны, чем одномерные. Они позволяют моделировать сезонные и меридиональные вариации малых компонентов стратосферы, но перенос в этих моделях параметризован, что не позволяет учитывать все обратные связи и в первую очередь влияние малых компонентов, включая озон, на динамические характеристики стратосферы. Расчет на двумерных моделях требует значительно большего машинного времени, чем на одномерных, и это иногда приводит к необходимости упрощения фотохимической части модели, к исключению тех реакций, которые авторы, зачастую субъективно, считают «малозначимыми». Полное описание моделей такого типа дано, например, в [169, 173, 267].[ . ]

На рис. 58 приведена простейшая система импульсной регулировки нейтрализации сточных йод [66]. Величина pH измеряется на выходе статных (вод из камеры ¡нейтрализации 1 датчиком 2, связанным с рН-мет-ром 3. Сигналы рН-метра передаются к трехпозиционному регулятору 4, который через реле 5 открывает или закрывает вентиль 6, установленный на ¡пути известкового молока из дозатора 7. Продолжительность работы вентиля устанавливают экспериментально с помощью часового реле 8 в зависимости от динамической характеристики протекающих через устройство сточных вод. Для ручного управления работой дозатора 7 известкового молока служит регулятор 9.[ . ]

Специфическую перестройку поведения клетки на фазовом портрете отражает траектория движения системы от начальной точки к бифуркационной границе (сепаратрисе) под влиянием управляющего параметра. Этот путь на плоскости определяют две переменные (хотя одна из них может и не изменяться). На «потенциальной» поверхности специфическое поведение системы передает маршрут, по которому ямка I приближается к ямке 2. Его направление определяют изменение по крайней мере двух переменных. Отсюда следует, что специфическим является начало ответа клетки на возмущающее воздействие, за которым нужно следить, контролируя одновременно несколько динамических характеристик. Специфику будет отражать неодинаковое изменение соотношения этих характеристик при нарастании напряженности фактора в пределах толерантной зоны.[ . ]

Вновь изготовленные машины и механизмы проходят обкатку на холостом ходу. После этого проводится паспортизация начального качества. При этом фиксируются те параметры машины, которые в процессе испытаний будут изменяться и для которых необходимость восстановления первоначального значения является критерием отказа. Контролируется правильность функционирования, геометрическая и технологическая точность, стабильность технологического процесса на периоде стойкости режущего инструмента, жесткость, уровень шума и вибраций, равномерность рабочих перемещений и др.; отклики упругой системы на холостом ходу и при натурной обработке в диапазоне технических характеристик, а также динамические характеристики упругой системы.[ . ]

Наряду с изучением свойств собственно объекта регулирования при синтезе САР необходимо составить ясное представление о характере внешних возмущений. По своей природе они могут быть разделены на причины, вызывающие только отклонение регулируемого параметра, как, например, колебания кислотности нейтрализуемых стоков, и на факторы, приводящие к изменению регулировочных свойств объекта. Так, отклонения расхода обрабатываемых стоков (в широких пределах) влияют на коэффициент самовыравни-вания объекта регулирования. Такой же эффект может вызывать изменение состава стоков, например, появление буферных свойств или новых веществ, вступающих в реакцию с нейтрализующим реагентом. Кроме того, значительные колебания расхода влияют и на динамические характеристики реактора.[ . ]

Динамические характеристики

Междуэлектродные емкости. МОП-ключи обладают следующими емкостями (рис. 8): между входом и выходом (Сси), между каналом и общей точкой схемы (Сс, Си), между затвором и каналом (Сз) и между ключами в пределах одного кристалла. Как правило, наличие этих емкостей ухудшает характеристики ключей.

Сси (емкость вход-выход). Наличие этой емкости приводит к прохождению сигнала через разомкнутый ключ, которое на высоких частотах возрастает. На рис. 9. показан этот эффект для микросхемы четырехканального аналогового коммутатора типа МАХ312. Здесь кривая 1 представляет собой амплитудно-частотную характеристику последовательного ключа, нагруженного на резистор 50 Ом в замкнутом состоянии. Кривая 2 — фазочастотная характеристика для этого же случая. Кривая 3 представляет амплитудно-частотную характеристику ключа в разомкнутом состоянии при той же нагрузке. Как видно, даже при нагрузке 50 Ом сквозное прохождение сигнала на высоких частотах становится значительным. При нагрузке 10 кОм ситуация со сквозной передачей сигнала, конечно же намного хуже.

Рис. 9. Частотные характеристики последовательного коммутатора на ИМС МАХ312

В большинстве низкочастотных применений емкостное сквозное прохождение сигнала через разомкнутый ключ не создает проблем. Если они возникают, хорошим решением является использование пары включенных каскадно ключей (рис. 10а) или, что еще лучше, использование последовательно-параллельного коммутатора (рис. 10б).

Последовательный каскад удваивает ослабление (в децибелах) ценой дополнительного делителя напряжения, в то время как последовательно-параллельная схема уменьшает прямое прохождение, снижая эффективное сопротивление нагрузки до Ro, когда последовательный ключ разомкнут. Многие фирмы выпускают ИМС аналоговых коммутаторов, содержащие по два нормально замкнутых (т.е. замкнутых при низком уровне управляющего сигнала) и два нормально разомкнутых ключа. Это, например, МАХ314, DG413, 590КН4 и др. Эти микросхемы позволяют наиболее просто построить последовательно-параллельные коммутаторы.

Рис.10. Схемы, обеспечивающие улучшенные характеристики коммутаторов в разомкнутом состоянии

Сс, Си (емкость относительно земли). Шунтирующая на землю емкость приводит к упомянутому ранее спаду частотной характеристики (кривые 1 и 2 на рис. 9). Совместно с сопротивлением источника сигнала и сопротивлением замкнутого ключа Ro эти емкости образуют фильтр нижних частот. Ситуация усугубляется при высокоомном источнике сигнала.

Емкость между ключами. Поскольку обычно на кристалле размещается несколько ключей, то не следует удивляться при появлении наводок между каналами. Виновницей может быть емкость между каналами, составляющая величину порядка 0,5 пФ. Эффект усиливается по мере роста частоты и увеличения импеданса источника сигнала.

Динамические помехи. Во время перехода от включенного состояния к выключенному и обратно в аналоговых ключах на полевых транзисторах могут возникать неприятные эффекты. Скачок управляющего напряжения, поданный на затвор, вызывает изменение заряда в цепи канала. Это наиболее существенно при уровнях сигналов, соответствующих разомкнутому ключу. Подобные эффекты возникают и в мультиплексорах во время изменения адреса канала.

Ввиду важности этой проблемы, рассмотрим ее более подробно. На рис. 11 изображена форма выходного сигнала, которую можно увидеть на выходе n-канального МОП-ключа, схема которого показана на рис. 3а, при нулевом уровне входного сигнала и нагрузке, состоящей из резистора сопротивлением 10 кОм и параллельного ему конденсатора с емкостью 20 пФ. Эти всплески и провалы вызваны переносом заряда в канал через емкость Сз, имеющую величину порядка 5 пФ, (рис. 8) при изменении напряжения затвора. Это напряжение делает резкий скачек от одного уровня питания к другому, перенося заряд q = +Сз(Uзи.выс — Uзи.низ).

Заметим, что величина переносимого заряда зависит только от полного изменения напряжения затвора и не зависит от времени, за которое это изменение происходит. Замедление изменения сигнала на затворе вызывает меньшую по амплитуде, но более долгую динамическую помеху с той же площадью под графиком. Фильтрация выходного сигнала ключа фильтром нижних частот дает тот же эффект. Такие меры могут помочь в тех случаях, когда важно добиться малого пика амплитуды динамической помехи, однако в смысле исключения пропускания управляющего напряжения с затвора на выход они неэффективны. Можно попробовать частично скомпенсировать заряд переключения путем добавки инвертированного сигнала затвора через компенсирующий подстроечный конденсатор малой емкости Ск (рис. 12).

Емкость затвор-канал распределена по всей длине канала, а это значит, что часть заряда переключения (помехи) попадает на вход ключа, вызывая переходные процессы на выходе источника сигнала. Эти процессы будут минимальны, если источник сигнала обладает нулевым выходным сопротивлением, т.е. является источником э.д.с. Уменьшение полного сопротивления нагрузки также приводит к снижению динамической помехи, но при этом нагружается источник коммутируемого сигнала и вносятся дополнительные статическая погрешность и нелинейность за счет конечного и нелинейного Ro. Уменьшение емкости затвор-канал за счет сокращения размеров интегрального МОП-транзистора уменьшает переходные помехи при переключении коммутатора, но за это приходится платить увеличением Ro.

На рис. 13 приведены кривые переноса заряда для ключа с управляющим pn-переходом (см. рис. 2). Как видно, для такого типа ключа существует сильная зависимость величины динамической помехи от сигнала, поскольку диапазон изменения напряжения затвора пропорционален разности между уровнем входного сигнала и уровнем отрицательного напряжения питания. Хорошо сбалансированные КМОП-ключи имеют относительно малую динамическую помеху, поскольку попадающие в канал заряды у комплементарных МОП-транзисторов стремятся скомпенсировать друг друга (когда на одном затворе напряжение растет, на другом — падает).

На рис. 14 приведены зависимости заряда переключения от входного напряжения для интегрального КМОП-коммутатора МАХ312 при двухполярном питании +15 В (кривая А) и однополярном +12 В (кривая В). Чтобы дать представление о масштабе этих эффектов, скажем, что заряд 30 пКл создает скачек напряжения в 3 мВ на конденсаторе емкостью 0,01 мкФ. Для многих применений это очень существенная величина.

Рис. 14. Зависимость заряда переключения КМОП-ключа МАХ312 от входного напряжения

Быстродействие. Ключи на полевых транзисторах имеют сопротивление в открытом состоянии Ro от 10 ом до сотен ом. В комбинации с емкостью подложки и паразитными емкостями это сопротивление образует фильтр нижних частот, ограничивающий область частот пропускаемых сигналов значениями порядка 10 МГц и даже ниже. Полевые транзисторы с меньшим Ro имеют обычно бoльшую емкость, так что выигрыша в скорости нарастания выходного сигнала они не дают. Значительная доля ограничения частотной характеристики вызвана элементами защиты — последовательными токоограничивающими резисторами и шунтирующими диодами, применяемыми почти во всех КМОП-схемах. Специальные высокоскоростные коммутаторы, например, МАХ453 фирмы Maxim имеют типичную полосу пропускания до 50 МГц и предназначены для передачи сигналов видеочастоты амплитудой +/- 1 В от низкоомных источников (обычно 75 Ом) на согласованную нагрузку.

Время переключения. Длительность переходного процесса включения и выключения (tвкл и tвыкл) коммутатора на МОП-транзисторах определяется временем перезаряда емкости затвор-канал. Уменьшение этой емкости связано с возрастанием Ro, поэтому обычно повышения скорости переключения добиваются снижением выходного сопротивления цепей, осуществляющих управление напряжением на затворе коммутирующего МОП-транзистора. При этом возрастает ток, потребляемый схемой от источника питания. Характерная величина времени переключения для КМОП-коммутаторов составляет около 0,2 мкс при токе потребления в статическом состоянии менее 1 мкА.

Это должен знать каждый водитель:  Безопасность стала официальной
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Всё про автомобили
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: