Лазарева Т.Я., Мартемьянов Ю.Ф. Основы теории автоматического управления. Учебное пособие
Подождите немного. Документ загружается.
Можно показать, что для минимально-фазовых звеньев существуют зависимости:
λ
λ
λπ
−=ωϕ
ω−
ω
π
−=ω
ω−
ω
π
−=ω
∫
∫
∫
∞
∞−
∞
∞−
∞
∞−
,
2
cth
1
)(
;
)Re(1
)Im(
;
)Im(1
)Re(
d
d
dL
du
u
du
u
(4.19)
где L(u) = ln M(u);
ω
=λ
u
ln
; u − переменная интегрирования.
Эти зависимости показывают, что амплитудно-фазовая характеристика минимально-фазовой систе-
мы (звена) полностью определяется ее ВЧХ, МЧХ или АЧХ. Это позволяет значительно упростить за-
дачи анализа и синтеза рассматриваемых систем, ограничиваясь изучением их ВЧХ или АЧХ.
Неминимально-фазовую систему в простейшем случае можно представить в виде последовательно-
го соединения минимально-фазовой системы и звена, имеющего один нуль в правой полуплоскости и,
соответственно, характеризующегося АФХ:
π
ω+
ω−
=
+ω
−
ω
=ω
′
j
e
iq
iq
qi
qi
iW )( . (4.20)
Амплитудно-частотная характеристика этого звена М′(ω) = 1, a фазо-частотная –
q
ω
−π=ωϕ
′
arctg)(
.
Таким образом, рассматриваемое звено сохраняет амплитуду выходного гармонического сигнала рав-
ной 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 сдви-
га 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, ло-
гарифмические частотные характеристики (ЛЧХ). Для их получения выражение АФХ (4.15) записывается в
виде
)(
00
0
0
0
0
)(
1...)(
1...)(
)(
ωϕ
ω=
++ω
++ω
=ω
i
n
n
m
m
eMk
i
a
a
i
b
b
a
b
iW
и логарифмируется
eiMkiW lg)()(lglg)(lg
00
ω
ϕ
+
ω
+
=
ω .
Для оценки отношения двух величин используется логарифмическая единица – децибел. Связь ме-
жду числом децибел S
дб
и некоторым числом N дается формулой
LmNNS
=
=
lg20
дб
.
Характеристика
)(lg20)()]([)(
0000
ω
=ω+=ω=ω MLmMLmkMkLmL (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.
L
lg
ω
0
ϕ
lg
ω
0
π
/2
а) б)
20
lg
k
Рис. 4.13 Логарифмические частотные характеристики:
а – ЛАЧХ; б – ЛФЧХ
4.8 Взаимосвязь динамических характеристик
Основной динамической характеристикой объекта или системы является дифференциальное урав-
нение. Кроме него могут применяться:
1) передаточная функция;
2) частотные характеристики: амплитудно-частотная, фазочастотная, 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 характери-
стиками.
Если известна переходная функция h(t), то по формуле (3.39) определяется передаточная функция
объекта W(s) = s
⋅
h(s), заменой s = iω в которой, в свою очередь, могут быть получены частотные харак-
теристики: W(iω) = (iω) h(iω).
Так как δ(t) является производной от единичной ступенчатой функции, то для линейных систем ве-
совая 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 вход-
ной в установившемся режиме:
A
y
K
)(
∞
= , (4.22)
но, так как
)(lim)( tyy
t ∞→
=∞
, то
A
ty
K
t
)(lim
∞→
= .
Используя теорему о конечном значении функции
)(lim)(lim
0
ssyty
st →∞→
=
,
где
s
AsW
sXsWsy
)(
)()()( ==
, можно записать, что
)(lim
)(
lim)(lim
00
sWA
s
AssW
ty
sst →→∞→
== .
При единичном ступенчатом воздействии А = 1 и тогда
0
0
0
)(lim)(lim
a
b
sWty
st
==
→∞→
.
4.9 Тренировочные задания
1 Основной частотной характеристикой является амплитудно-фазовая характеристика (АФХ), ко-
торой называется конформное отображение мнимой оси плоскости корней характеристического урав-
нения на плоскость АФХ. Амплитудно-фазовая характеристика является комплексной функцией и мо-
жет быть записана в показательной форме
)ω(ϕ
)ω=ω
i
eMiW ()(
и алгебраической форме
)
ω
+
)
ω
=
)
ω
Im(Re(( iiW ,
где М(ω) называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ); ϕ(ω) – фазочастотной характери-
стикой (ФЧХ); Re(ω) – вещественно-частотной характеристикой (ВЧХ); Im(ω) – мнимой частотной ха-
рактеристикой (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 пара-
метра s на iω.
А Какие частотные характеристики получают экспериментально?
В Задана передаточная функция
4
3
)(
+
=
s
sW , запишите амплитудно-фазовую характеристику в по-
казательной и алгебраической форме.
С Задано дифференциальное уравнение объекта управления )(3)(4)(4)( txtytyty =+
′
+
′
′
, 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?
С Задана весовая функция
t
etw
−
=)(
, запишите АФХ.
5 СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ ЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ
5.1 Звено направленного действия
При исследовании систем управления первостепенное значение приобретает характер преобразова-
ния сигналов в отдельных элементах, или звеньях. Динамические системы, передаточные функции ко-
торых имеют вид простых дробей, называются типовыми или элементарными звеньями. Любой про-
мышленный объект представляется в виде связанных между собой типовых звеньев. Их основу состав-
ляет звено направленного действия, основное свойство которого заключается в том, что выходная вели-
чина y(t) зависит от входной величины x(t), но обратное воздействие выхода на вход отсутствует. При-
соединение к выходу такого звена другого звена не изменяет передаточной функции первого звена. Фи-
зическая природа звена направленного действия может быть любой. Характеризуется оно соответст-
вующим уравнением движения, которое и определяет конкретный тип элементарного звена.
Различают следующие звенья: усилительное, интегрирующее, идеальное и реальное дифференци-
рующие, форсирующее, чистого запаздывания, инерционно-форсирущее, апериодические первого и
второго порядка, колебательное, которые по ряду общих закономерностей можно разделить на следую-
щие 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
0
)(
=
=
s
sWk . Кроме того, статические звенья являются фильтрами низкой часто-
ты, исключение составляет усилительное звено.
2 Дифференцирующие звенья, у которых статическая характеристика равна нулю, – это идеальное
и реальное дифференцирующие звенья; в их передаточную функцию всегда входит сомножитель s, по-
этому
0)(
0
=
=s
sW . Дифференцирующие звенья являются фильтрами высокой частоты, они вносят поло-
жительные фазовые сдвиги.
3 Астатические звенья – звенья, не имеющие статической характеристики, к ним относится интег-
рирующее звено, в передаточную функцию которого обязательно входит сомножитель
s
1
, поэтому W(0) =
∞. Интегрирующие звенья являются фильтрами низкой частоты.
5.2 Типовые динамические звенья
5.2.1 УСИЛИТЕЛЬНОЕ 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
y(t) = kx(t), (5.1)
где k − коэффициент усиления.
Передаточная функция усилительного звена получается в результате преобразования по Лапласу
его уравнения y(s) = kx(s), откуда
k
sx
sy
sW ==
)(
)(
)(
. (5.2)
Подстановка s = (iω) дает выражение АФХ
W(iω) = k, (5.3)
отсюда АЧХ:
M(ω) = k; (5.4)
ФЧХ:
ϕ(ω) = 0. (5.5)
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
M
ω
0
i Im(
ω
)
Re(
ω
)
0
а) б)
k
k
Рис. 5.1 Частотные характеристики усилительного звена:
а – АЧХ; б – АФХ
x
t
0
а)
1
h
t
0
x
t
0
б)
w
t
0
δ
(t)
k
δ
(t)
k
Рис. 5.2 Графики временных характеристик усилительного звена:
а – переходная функция; б – весовая функция
h(t) = k1(t), (5.6)
она равна постоянной величине – коэффициенту усиления звена. Если же x(t) = δ(t), то получают урав-
нение весовой функции
w(t) = kδ(t). (5.7)
Графики временных характеристик изображены на рис. 5.2.
5.2.2 ИНТЕГРИРУЮЩЕЕ ЗВЕНО
Уравнение движения интегрирующего звена имеет вид
∫
ττ=
t
dx
T
ty
0
и
)(
1
)( , или )()(
и
txtyT =
′
; у(0) = 0, (5.8)
где Т
и
– постоянная времени звена.
Выходной сигнал интегрирующего звена равен интегралу по времени от входного сигнала, умно-
женному на коэффициент
и
1
T
.
Примером интегрирующего звена являются счетчики, суммирующие расход вещества или энергии
за определенный промежуток времени, уровень в емкости и т.п.
Передаточная функция интегрирующего звена получается в результате преобразования по Лапласу
(5.8):
sT
sWsxssyT
и
и
1
)()()( =⇒=
. (5.9)
2
π
M
0
ω
а)
ϕ
0
ω
б)
i Im(
ω
)
Re(
ω
)
в)
ω
→
∞
ω
→
0
0
-
π
/2
W(i
ω
)
Рис. 5.3 Частотные характеристики интегрирующего звена:
а – АЧХ; б – ФЧХ; в – АФХ
Частотные характеристики образуются в результате подстановки s = iω; их графики изображены на
рис. 5.3:
− АФХ
2
ии
11
)(
π
−
ω
=
ω
=ω
i
e
TiT
iW ; (5.10)
− АЧХ
ω
=ω
и
1
)(
T
M
; (5.11)
− ФЧХ
2/)(
π
−
=
ω
ϕ
. (5.12)
Амплитудно-частотная характеристика интегрирующего звена является гиперболической функцией
частоты, а фазочастотная не зависит от частоты и равна −
2
π
. В этом случае АФХ является мнимой
функцией частоты, и ее годограф для положительных частот совпадает с отрицательной ветвью мнимой
оси.
Переходные характеристики, графики которых изображены на рис. 5.4, определяют из уравнения
движения (5.8) подстановкой входного сигнала x(t) = 1(t) и x(t) = δ(t) соответственно для получения выраже-
ния:
− переходной функции
;
11
)(
и
0
и
t
T
dt
T
th
t
∫
== (5.13)
− весовой функции
и
0
и
1
)(
1
)(
T
dtt
T
tw
t
∫
=δ= . (5.14)
h
t
0
w
t
0
а)
б)
и
1
T
Рис. 5.4 Переходные характеристики интегрирующего звена:
а – переходная функция; б – весовая функция
Таким образом, при подаче на вход интегрирующего звена постоянного неисчезающего возмуще-
ния выходная координата увеличивается до бесконечности с постоянной скоростью, т.е. отличительной
особенностью является тот факт, что переходная функция не имеет установившегося (при t → ∞) ко-
нечного значения. Это свойство является причиной принципиального отличия астатических систем ав-
томатического регулирования, содержащих интегрирующее звено, от статических систем, которые не
содержат этого звена.
Реакция на δ-функцию является ступенчатой функцией с амплитудой
и
1
T
.
5.2.3 ИДЕАЛЬНОЕ ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩЕЕ ЗВЕНО
Уравнение идеального дифференцирующего звена
y(t) = kx′(t), (5.15)
т.е. изменение выходной координаты пропорционально скорости изменения входной координаты. В
операторной форме уравнение имеет вид y(s) = ksx(s), откуда передаточная функция
ks
sX
sY
sW ==
)(
)(
)(
. (5.16)
Частотные характеристики, графики которых представлены на рис. 5.5:
– АФХ
W(iω) = k iω = kωe
iπ/2
; (5.17)
– АЧХ
M(ω) = kω; (5.18)
– ФЧХ
ϕ(ω) =
2
π
. (5.19)
M
ω
0
ϕ
ω
0
а)
б)
Im
Re
0
в)
2
π
ω
= 0
ω
→
∞
Рис. 5.5 Частотные характеристики идеального
дифференцирующего звена:
а – АЧХ; б – ФЧХ; в – АФХ
Таким образом, АЧХ прямо пропорциональна частоте, а ФЧХ не зависит от частоты и равна
2
π
. Следо-
вательно, годограф АФХ при ω > 0 совпадает с положительной ветвью мнимой оси.
Переходная функция идеального дифференцирующего звена имеет вид:
h(t) = k1′(t) = kδ(t), (5.20)
т.е. представляет собой δ-функцию с площадью, равной k.
Весовая функция представляет собой производную от δ-функции:
w(t) = kδ′(t). (5.21)
В природе идеально дифференцирующих звеньев не существует, так как при ω → ∞ M(ω) → ∞, а
любой реальный объект практически фильтрует гармонические сигналы с частотой, большей частоты
среза данного объекта. Неосуществимость идеального звена видна также и из переходной функции, ко-
торая равна δ-функции и из весовой функции, равной производной δ-функции.
5.2.4 РЕАЛЬНОЕ ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩЕЕ ЗВЕНО
Встречаются звенья, которые реагируют только на скорость изменения входного сигнала. Они опи-
сываются уравнениями следующего вида и называются реальными дифференцирующими:
Ty′(t) + y(t) = Т
д
x′(t). (5.22)
Примером такого звена является RC-цепочка (рис. 5.6).
U
вх
R
С
Звено
U
вх
J
J
Рис. 5.6 RC-цепочка
M
0
ω
а)
ϕ
0
ω
б)
i Im(
ω
)
Re(
ω
)
в)
ω
→
∞
ω
=
0
0
T
T
д
2
π
T
T
д
Рис. 5.7 Частотные характеристики реального
дифференцирующего звена:
а – АЧХ; б – ФЧХ; в – АФХ
Передаточная функция имеет вид:
Ts
sT
sx
sy
sW
+
==
1)(
)(
)(
д
. (5.22)
Частотные характеристики, графики которых представлены на рис. 5.7:
– АФХ
)arctg2/(
22
дд
1
1
)(
ω−π
+ω
ω
=
ω+
ω
=ω
ii
e
T
T
Ti
iT
iW ; (5.23)
– АЧХ
1
)(
22
д
+ω
ω
=ω
T
T
M
; (5.24)
– ФЧХ
ω−
π
=ωϕ Tarctg
2
)( . (5.25)
У реального дифференцирующего звена при увеличении частоты амплитудно-частотная характе-
ристика возрастает, но ее верхний предел ограничен величиной
T
T
д
.
Фазо-частотная характеристика при увеличении частоты уменьшается от
2
π
до нуля.
Для положительных частот W(iω) представляет собой полуокружность диаметром
T
T
д
с центром в
точке
T
T
2
д
. Для доказательства запишем W(iω) в прямоугольных координатах
22
д
22
2
дд
11
)1)(1(
)1(
)Im()Re()(
ω+
ω
+
ω+
ω
=
ω−ω+
ω−ω
=ω+ω=ω
T
T
i
T
TT
TiTi
TiiT
iiW
.
Полученные значения Rе(ω) и Im(ω) подставим в уравнение окружности радиуса
T
T
2
д
с центром в
точке
T
T
2
д
:
2
д
2
2
д
2
)Re()]Im([
2
)Re(
−ω=ω+
−ω
T
T
i
T
T
или
2
д
2
22
д
2
д
22
2
д
2
1
2
1
=
ω+
ω
+
−
ω+
ω
T
T
T
T
T
T
T
TT
.
Раскрывая скобки, получаем тождество, которое и доказывает, что АФХ действительно представля-
ет собой полуокружность.
Используя взаимосвязь динамических характеристик, получаем уравнение переходной функции в
операторной форме по (3.39):
s
T
T
T
sTs
sT
sh
1
1
11
1
)(
дд
+
⋅=⋅
+
=
.
Применив обратное преобразование Лапласа к последнему выражению, получаем уравнение переход-
ной функции во временной области:
Tt
e
T
T
th
/
д
)(
−
= . (5.26)
Весовая функция находится как производная от переходной функции
Tt
e
T
T
tw
/
2
д
)(
−
−= . (5.27)
Графики переходных характеристик изображены на рис. 5.8.