5. Частотные характеристики систем автоматического управления

Частотные характеристики описывают вынужденные колебания на выходе САУ, устанавливающиеся в режиме стационарных колебаний после подачи гармонического воздействия на вход САУ.

Если воздействие на вход САУ имеет вид , где A_вх – амплитуда, а w – частота этого воздействия, на выходе САУ в установившемся режиме (после завершения переходного процесса и установления стационарного режима колебаний) также будет получена гармоническая функция вида: , отличающаяся от входной амплитудой и фазой. Ослабление или усиление амплитуды выходной величины по сравнению с входной A_вых/A_вх и сдвиг фазы j не являются постоянными для конкретной САУ, а зависят от частоты входного воздействия w: для каждой частоты входного сигнала будет своя амплитуда выходного сигнала и свой сдвиг фазы.

На Error: Reference source not found показаны зависимости x(t) и y(t) произвольной САУ в режиме стационарных колебаний. Видно, что управляемая величина САУ y(t) запаздывает, отстает от x(t) на величину . Величину запаздывания определяют между соответствующими точками синусоид: например, между вершинами, или, как показано на Error: Reference source not found, между точками пересечения графиков с осью t. Напомним, что сдвиг фазы j в градусах определяется по величине задержки  как:

,

где T  = 1/w – период гармонического сигнала. Сдвиг фазы j имеет знак «минус», если выходная величина САУ y(t) отстает от входной x(t), и знак «плюс», если y(t) опережает x(t).

5.1. Частотная передаточная функция и амплитудно-фазовая характеристика сау

Для анализа частотных характеристик САУ используют частотную передаточную функцию: отношение изображений по Фурье выходной и входной величин САУ при нулевых начальных условиях.

Изображением по Фурье произвольной функции времени f(t), называемой оригиналом, является ее комплексное изображение вида:

где t – время;  – частота; j – мнимая единица.

Изображения по Фурье гармонических входной и выходной величин САУ имеют вид:

Частотная передаточная функция САУ определяется как отношение y(j) к x(j):

Поскольку, как уже отмечалось, отношение амплитуд A_вых/A_вх и сдвиг фазы j не являются постоянными, а зависят от частоты , частотную передаточную функцию САУ записывают в виде:

(10)

где А() – модуль или амплитуда частотной передаточной функции, представляет собой отношение A_вых/A_вх для конкретного значения частоты – коэффициент усиления (ослабления) САУ на частоте ; () – аргумент или фаза частотной передаточной функции, показывает сдвиг фазы выходной гармоники по отношению к входной на частоте . Если на какой-то частоте  значение А() > 1, то САУ усиливает входной сигнал этой частоты, если А() < 1, то САУ сигнал ослабляет.

Частотную передаточную функцию САУ как функцию комплексной переменной можно записать не только в полярной системе координат, но и в декартовой:

(11)

где Р() – действительная, а jQ() – мнимая часть частотной передаточной функции.

Частотную передаточную функцию легко получить из передаточной функции подстановкой j вместо р:

.

График частотной передаточной функции в комплексной плоскости, представляющий собой геометрическое место концов векторов (годограф), полученных при различных значениях частоты w, называется амплитудно-фазовой частотной характеристикой (АФХ) САУ. АФХ строят для изменения частоты w от 0 до +¥ (Error: Reference source not found).

На графике АФХ, показанном на Error: Reference source not found, отмечена точка, соответствующая некоторому значению частоты входного сигнала w. Величину усиления (ослабления) амплитуды входного сигнала этой частоты на выходе САУ определяет длина радиус-вектора А(), а величину фазового сдвига – угол (). Величину () отсчитывают против часовой стрелки, т.е. в примере на Error: Reference source not found сдвиг фазы () для частоты  будет отрицательным и выходная величина САУ y(t) будет отставать от входной x(t).

ПРИМЕР построения АФХ апериодического звена первого порядка.

Рассмотрим пример АФХ конкретной САУ (Error: Reference source not found), частотная передаточная функция которой имеет вид:

.

Точка, отмеченная на АФХ (см. Error: Reference source not found) соответствует частоте  = 0,1, т.е. ее координаты в декартовой системе в соответствии с (11) имеют вид:

Усиление сигнала частоты  = 0,1 определяется по длине радиус-вектора, проведенного из начала координат в точку АФХ, соответствующую частоте (см. Error: Reference source not found), т.е., с учетом (11), амплитуда сигнала заданной частоты на выходе САУ будет в 13,814 раза больше входной амплитуды:

Сдвиг фазы выходного сигнала частоты  = 0,1 относительно входного определяется по углу поворота относительно действительной оси радиус-вектора, проведенного из начала координат в точку АФХ, соответствующую частоте (см. Error: Reference source not found). Рассчитанный с использованием (11) сдвиг фазы составляет –28, т.е. на выходе САУ сигнал заданной частоты будет отставать от входного на эту величину:

Найденный сдвиг фазы соответствует отставанию выходного сигнала по времени на 0,78 с:

С учетом найденных выше значений для амплитуды входного сигнала x(t) частоты  = 0,1 равной 1 на выходе САУ y(t) будет иметь вид, показанный на Error: Reference source not found.

Для сравнения рассмотрим частотные характеристики той же САУ для частоты  = 1 (Error: Reference source not found):

Как следует из найденных выше значений, сигнал частоты  = 1 на выходе САУ будет усилен по амплитуде только в 2,121 раза и будет опережать входной по фазе на 45, что соответствует опережению по времени на 0,125 с. Т.о., при единичной амплитуде x(t), y(t) будет иметь вид, показанный на Error: Reference source not found.

Важно понимать, что опережение по времени выходного сигнала y(t) по сравнению с входным x(t) в стационарном режиме колебаний не означает, что сигнал на выходе САУ появляется раньше входного – такого быть не может, система всегда вносит некоторое запаздывание в осуществление управления. Наличие опережения говорит о том, что после завершения переходного процесса на выходе САУ устанавливается режим стационарных колебаний, в котором некоторая точка синусоиды y(t), например максимум как на Error: Reference source not found, сдвинута влево относительно такой же точки синусоиды х(t).

ПРИМЕРЫ переходных процессов САУ, заканчивающихся возникновением фазовых сдвигов разного знака в режиме стационарных колебаний.