осн. киб лекц

Полученное выражение (4.15) полностью совпадает с полученным ранее выражением (4.8) для АФХ и еще раз подтверждает тот факт, что амплитудно-фазовая характеристика может быть получена простой заменой переменной s на iω.

Функция W(–iω) получается аналогичным образом по формуле (4.15) заменой iω на (–iω). Записывая полученные выражения для комплексных функций W(iω) и W(–iω) в показательной фор-

ме

W (iω) = M (ω)eiϕ(ω); W (−iω) = M (ω)e−iϕ(ω) ,

частное решение уравнения (4.7) преобразуется к виду

yвын(t) = AM (ω)[eiϕ(ω)eiωt + e−iϕ(ω)e−iωt ] = 2AM (ω)cos[ωt + ϕ(ω)] .

Сравнение yвын(t), описывающего установившиеся колебания на выходе объекта, с входным сигна-

это как раз и есть амплитудно-частотная характеристика; разность фаз [ωt + ϕ(ω)]−ωt = ϕ(ω) − фазочастот-

ная характеристика.

С изменением частоты колебаний амплитудно- и фазочастотные характеристики изменяются по определенному закону в зависимости от физических свойств объекта. Однако все реальные физические системы обладают одним общим свойством, которое заключается в том, что при увеличении частоты входных колебаний выше некоторого предела (частоты среза) ωср объект практически не реагирует на эти колебания, т.е. амплитуда выходных колебаний равна нулю. Таким образом, для любого реального

объекта lim M (ω) = 0 .

ω→∞

4.5 Физический смысл частотных характеристик

Физический смысл частотных характеристик устанавливается при их экспериментальном определении.

Пусть на вход линейного объекта подается гармонический сигнал вида x(t) = Asinωt. На выходе объекта в установившемся режиме (собственное движение прекратилось) в силу принципа суперпозиции будет наблюдаться также гармонический сигнал с частотой, равной частоте входных колебаний, сдвинутый относительно них по фазе и другой амплитуды (рис. 4.10), т.е. y(t) = Bsin(ωt + ϕ).

Рис. 4.11 Годограф АФХ

Выходной сигнал y(t) в рассматриваемом случае можно записать, используя принцип суперпозиции, как сумму трех сигналов

y1(t) = 2 2 sin(0,5t – π/2); y2(t) = 3 3 sin(0,1t + π/2 – π/4);

y3(t)= – 1,5 0,8 sin(10t – 3π/2);

y(t) = 4sin(0,5t – π/2) + 9 sin(0,1t – π/4) – 1,2 sin(10t – (3π/2)).

4.6 Минимально-фазовые системы

Амплитудно-фазовую характеристику системы можно записать не в виде (4.8), а, воспользовавшись теоремой Безу, как

j=1

где qj – нули, a sj − полюсы передаточной функции.

Числитель функции (4.18) представляет собой произведение сомножителей (iω – qj ). Геометрически эта разность является вектором, начало которого лежит в точке qj, а конец − на мнимой оси в точке iω (рис. 4.12). Сравнение двух векторов(iω – qj′) и (iω – qj′′), один из которых qj′ лежит в левой полуплоскости и характеризуется фазой ϕ′, а другой qj′′ – в правой полуплоскости и характеризуется фазой ϕ′′, показывает, что при одном и том же модуле всегда ϕ′ < ϕ′′, т.е. для вектора, лежащего в левой полуплоскости, фаза меньше.

Системы (звенья), все нули и полюса передаточных функций которых лежат в левой полуплоскости (действительная часть нулей и полюсов является отрицательной величиной – Re qj < 0; Re sj < 0),

называются минимально-фазовыми.

Рис. 4.12 К определению минимально-фазовых систем

Системы (звенья), у которых хотя бы один нуль или полюс передаточной функции лежит в правой полуплоскости (действительная часть нулей, полюсов является положительной величиной – Re

qj >0;

Re sj >0), называются неминимально-фазовыми.

Можно показать, что для минимально-фазовых звеньев существуют зависимости:

где L(u) = ln M(u); λ = ln ωu ; u − переменная интегрирования.

Эти зависимости показывают, что амплитудно-фазовая характеристика минимально-фазовой системы (звена) полностью определяется ее ВЧХ, МЧХ или АЧХ. Это позволяет значительно упростить задачи анализа и синтеза рассматриваемых систем, ограничиваясь изучением их ВЧХ или АЧХ.

Неминимально-фазовую систему в простейшем случае можно представить в виде последовательного соединения минимально-фазовой системы и звена, имеющего один нуль в правой полуплоскости и, соответственно, характеризующегося АФХ:

Амплитудно-частотная характеристика этого звена М ′(ω) = 1, a фазо-частотная – ϕ′(ω) = π−arctg ωq .

Таким образом, рассматриваемое звено сохраняет амплитуду выходного гармонического сигнала равной амплитуде входного сигнала при любой частоте, фаза же при изменении частоты от 0 до ∞ меняется в интервале от π до 0, т.е. включение звена с АФХ W ′(iω) приводит к добавлению положительного сдвига фазы ϕ′(ω), который при iω → 0 равен π и уменьшается при возрастании частоты.

Подобные звенья на практике используются для корректирования фазовых характеристик цепей, для повышения устойчивости и т.д.

4.7 Понятие о логарифмических частотных характеристиках

Кроме рассматриваемых выше частотных характеристик, иногда используют, так называемые, логарифмические частотные характеристики (ЛЧХ). Для их получения выражение АФХ (4.15) записывается в виде

и логарифмируется

lgW (iω) = lgk0 +lgM0(ω) +iϕ(ω)lge .

Для оценки отношения двух величин используется логарифмическая единица – децибел. Связь между числом децибел Sдб и некоторым числом N дается формулой

Sдб = 20lg N = LmN .

Характеристика

L(ω) = Lm[k0M0(ω)] = Lmk0 + LmM0(ω) = 20lgM (ω) (4.21)

называется логарифмической амплитудной частотной характеристикой (ЛАЧХ).

При построении логарифмических частотных характеристик по оси абсцисс откладывается частота в логарифмическом масштабе – lgω, поэтому логарифмическая амплитудная частотная характеристика строится в координатах L(ω); lgω, логарифмическая фазовая частотная характеристика (ЛФЧХ) − ϕ(ω); lgω (рис. 4.13). Логарифмические частотные характеристики называют также диаграммами Боде.

Рис. 4.13 Логарифмические частотные характеристики:

а– ЛАЧХ; б – ЛФЧХ

4.8Взаимосвязь динамических характеристик

Основной динамической характеристикой объекта или системы является дифференциальное уравнение. Кроме него могут применяться:

1)передаточная функция;

2)частотные характеристики: амплитудно-частотная, фазочастот-ная, амплитудно-фазовая;

3)переходные характеристики: переходная функция, весовая функция.

Любая из этих характеристик может быть определена, если известно дифференциальное уравнение объекта. Но, несмотря на это, следует еще раз остановиться на их взаимосвязи.

В качестве примера рассмотрим взаимосвязь между переходной функцией и другими характеристиками.

Если известна переходная функция h(t), то по формуле (3.39) определяется передаточная функция объекта W(s) = sh(s), заменой s = iω в которой, в свою очередь, могут быть получены частотные характеристики: W(iω) = (iω) h(iω).

Так как δ(t) является производной от единичной ступенчатой функции, то для линейных систем весовая функция является производной от переходной функции, т.е. w(t) = h′(t).

Дифференциальное уравнение по экспериментально снятой кривой разгона получают с помощью различных методик, позволяющих определить его коэффициенты.

Связь между основными характеристиками приведена в табл. 4.1.

При анализе динамических характеристик одним из возникающих вопросов является определение коэффициента усиления объекта, под которым понимают отношение выходной переменной к входной в установившемся режиме:

но, так как y(∞) = lim y(t) , то

t→∞

lim y(t)

Используя теорему о конечном значении функции

lim y(t) = lim sy(s) ,

t→∞ s→0

где y(s) =W (s)X (s) = W (ss)A , можно записать, что

При единичном ступенчатом воздействии А = 1 и тогда

4.9 Тренировочные задания

1 Основной частотной характеристикой является амплитудно-фазовая характеристика (АФХ), которой называется конформное отображение мнимой оси плоскости корней характеристического уравнения на плоскость АФХ. Амплитудно-фазовая характеристика является комплексной функцией и может быть записана в показательной форме

W (i ω) = M (ω)ei ϕ(ω)

и алгебраической форме

W (i ω) = Re(ω) + i Im(ω),

где М(ω) называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ); ϕ(ω) – фазочастотной характеристикой (ФЧХ); Re(ω) – вещественно-частотной характеристикой (ВЧХ); Im(ω) – мнимой частотной характеристикой (МЧХ). Между этими характеристиками существует связь.

А Сформулируйте основные свойства конформного отображения.

В Если известны АЧХ и ФЧХ, то каким образом определяются ВЧХ и МЧХ? С Как перейти от ВЧХ и МЧХ к АЧХ и ФЧХ?

2 Частотные характеристики могут быть получены экспериментально в результате подачи на вход объекта гармонического сигнала, а также теоретически в передаточной функции комплексного параметра s на iω.

А Какие частотные характеристики получают экспериментально?

ВЗадана передаточная функция W (s) = s +3 4 , запишите амплитудно-фазовую характеристику в показательной и алгебраической форме.

СЗадано дифференциальное уравнение объекта управления y′′(t) + 4y′(t) + 4y(t) = 3x(t) , запишите ам- плитудно-фазовую характеристику.

3 Амплитудно-фазовая характеристика связана с другими динамическими характеристиками.

А Как определить весовую функцию по амплитудно-фазовой характеристике? В Как определить АФХ по переходной функции?

СЗадана весовая функция w(t) = e−t , запишите АФХ.

4.10Тест

1 В соответствии со свойствами конформного отображения линия переходит…

А В линию. В В точку.

С В треугольник.

2 Амплитудно-фазовая характеристика является…

А Случайной функцией. В Комплексной функцией.

С Детерминированной функцией.

3 Как экспериментально получают частотные характеристики? Подачей на вход объекта…

А Гармонического сигнала x(t) = Asinωt . В δ-функции – x(t) = δ(t) .

С Единичного ступенчатого сигнала x(t) =1(t) .

4 Как перейти от передаточной функции к частотным характеристикам? Положив…

А s = iω.

В s = ω.

С s = eiωt .

5 Если передаточная функция объекта управления W (s) = ks + s , то АФХ в показательной форме запишется…

С Re(ω) = ω .

9 Если переходная функция h(t) = t , то АФХ записывается…

А W (iω) = ω1 e−i π2 .

В W (iω) = ω12 .

−i π

С W (iω) = ω e 2 .

10 Амплитудно-частотная характеристика представляет собой…

А Отношение выходного сигнала к входному сигналу. В Отношение фаз выходного и входного сигналов.

С Отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного.

5 СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ ЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ

5.1 Звено направленного действия

При исследовании систем управления первостепенное значение приобретает характер преобразования сигналов в отдельных элементах, или звеньях. Динамические системы, передаточные функции которых имеют вид простых дробей, называются типовыми или элементарными звеньями. Любой промышленный объект представляется в виде связанных между собой типовых звеньев. Их основу составляет звено направленного действия, основное свойство которого заключается в том, что выходная величина y(t) зависит от входной величины x(t), но обратное воздействие выхода на вход отсутствует. Присоединение к выходу такого звена другого звена не изменяет передаточной функции первого звена. Физическая природа звена направленного действия может быть любой. Характеризуется оно соответствующим уравнением движения, которое и определяет конкретный тип элементарного звена.

Различают следующие звенья: усилительное, интегрирующее, идеальное и реальное дифференцирующие, форсирующее, чистого запаздывания, инерционно-форсирущее, апериодические первого и второго порядка, колебательное, которые по ряду общих закономерностей можно разделить на следующие группы:

1 Статические звенья, у которых статическая характеристика отлична от нуля, имеют однозначную связь между входной и выходной переменными в статическом режиме. К ним относят усилительное, апериодическое, колебательное звенья, у которых передаточный коэффициент связан с передаточной функцией соотношением k =W (s) s=0 . Кроме того, статические звенья являются фильтрами низкой часто-

ты, исключение составляет усилительное звено.

2Дифференцирующие звенья, у которых статическая характеристика равна нулю, – это идеальное

иреальное дифференцирующие звенья; в их передаточную функцию всегда входит сомножитель s, поэтому W (s) s=0 = 0 . Дифференцирующие звенья являются фильтрами высокой частоты, они вносят поло-

жительные фазовые сдвиги.

3 Астатические звенья – звенья, не имеющие статической характеристики, к ним относится интегрирующее звено, в передаточную функцию которого обязательно входит сомножитель 1s , поэтому W(0) =

∞. Интегрирующие звенья являются фильтрами низкой частоты.

5.2Типовые динамические звенья

5.2.1УСИЛИТЕЛЬНОЕ ЗВЕНО

Усилительное звено называют также статическим (безынерционным). Примером его может служить клапан с линеаризованной характеристикой в системах регулирования, различные усилители, рычажные передачи, редукторы и т.д. Это звено мгновенно и без искажений воспроизводит входную величину на выходе.

Уравнение движения усилительного звена имеет вид

где k – коэффициент усиления.

Передаточная функция усилительного звена получается в результате преобразования по Лапласу его уравнения y(s) = kx(s), откуда

Графики частотных характеристик (АЧХ, АФХ) представлены на рис. 5.1.

Частотные характеристики усилительного звена не зависят от частоты, причем ФЧХ тождественно равна нулю, т.е. в гармонических колебаниях, поданных на вход, изменяется только амплитуда в k раз. Амплитудно-фазовая характеристика является положительным действительным числом, ее график представляет собой точку на положительной ветви действительной оси.

Временные характеристики можно получить непосредственно из уравнения (5.1). Если входной сигнал x(t) = 1(t), то получают уравнение переходной функции

Рис. 5.1 Частотные характеристики усилительного звена:

а – АЧХ; б – АФХ