Файл: Критерий Найквиста в логарифмическом масштабе.pdf

Добавлен: 15.02.2019

Просмотров: 1441

Скачиваний: 4

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
background image

Подставляя (10) и (11) в (9), получим 

h t

P

P

td

Q

td

( )

( )

( )

sin

( )

cos

=

+

0

2

1

0

0

π

ω

ω

ω ω

ω

ω

ω ω

(12) 

Подставим в (12)  – t, тогда т.к. при 

t

h t

<

− =

0

( ) 0

, получим 

0

0

2

1

0

0

=

+

P

P

td

Q

td

( )

( )

sin

( )

cos

π

ω

ω

ω ω

ω

ω

ω ω

(13) 

Сложим (12) и (13) почленно, получим 

h t

P

Q

td

( )

( )

( )

cos

=

+

0

2

0

π

ω

ω

ω ω

(14) 

Вычтем из (12) уравнение (13), получим 

h t

P

td

( )

( )

sin

=

2

0

π

ω

ω

ω ω

(15) 

Выражения  (14)  и  (15)  дают  связь  переходной  функции  с  частотной  характеристикой  системы. 

Причём  для  определения  переходной  функции  необходимо  иметь  либо  мнимую 

Q( )

ω

,  формула  (14), 

либо вещественную 

P( )

ω

 формула (15), частотные характеристики. 

Обе формулы (14) и (15), как уже было сказано, справедливы только для устойчивых систем. 
Обычно для расчетов ПП используется вещественно-частотная характеристика замкнутой системы, 

т.к. в литературе для неё построено большее количество таблиц, графиков, номограмм. 

 
 
 

Свойства вещественно-частотных характеристик 

и соответствующих им переходных функций

 

 

1. Линейность 

P

t

Рис.97

0

P ( )

2

ω

P ( )

1

ω

P( )=

ω P ( )+P ( )

1

2

ω

ω

Если  ВЧХ   

P( )

ω

  может  быть  представлена  суммой 

  (рис.97),  то  переходная  функция 

  будет 

также 

равна 

сумме 

где 

P

i

i

k

( )

(

ω

=

=

1

P

)

ω

h t

(

t

( )

)

h t

h

i

i

k

( )

=

=

1

h t

P

i

i

( )

( )

=

2

0

π

ω

ω

td

ω

sin

ω

 

2. Изменение масштаба по оси ординат 

Умножим  левую и правую части уравнения (15) на постоянную величину A, получим 

Ah t

A P

td

( )

( )

sin

=

2

0

π

ω

ω

ω ω

(16) 

Если  изменить  масштаб  ВЧХ  по  оси  ординат  в  A  раз,  то  масштаб  по  оси  ординат  переходной 

функции изменится во столько же раз. 

 

3. Изменение масштаба по оси абсцисс 

Произведем замену в формуле (15) переменных 



=

=

,

,

1

1

A

t

t

A

ω

ω

 

h

t

A

P A

A

A

t

A

Ad

P A

t d

1

1

1

1

1

1

1

1

1 1

1

0

0

2

2







=

=

π

ω

ω

ω

ω

π

ω

ω

ω

ω

(

)

sin

(

)

sin

(17) 

Опустим индекс 1 у 

ω

1

 и   в уравнении (17), получим 

t

1

 

60


background image

h

t

A

P A

td



 =

2

0

π

ω

ω

ω ω

(

)

sin

(18) 

Если  масштаб  по  оси  абсцисс  ВЧХ  увеличить  в  A  раз,  то  масштаб  по  оси  абсцисс  переходной 

функции уменьшится в A раз. Из этого свойства следует (рис.98) 

P

h

t

Рис.98

0

P

1

(ω)

P

2

(ω)

h (t)

1

h (t)

2

ω

 

Если из двух сходных по форме частотных характеристик одна больше растянута по оси абсцисс 

ω

то  им  соответствуют  подобные  кривые  переходных  процессов,  но  время  ПП  будет  тем  меньше,  чем 
больше растянута 

P( )

ω

 по оси абсцисс. 

Физика:  Чем больше полоса пропускания частот САУ, тем меньше её инерционность и затухание 

сигнала. 

 

4.  Теорема о начальном значении вещественно-частотной характеристики. 

lim ( ) lim ( )

ω

ω

→∞

=

0

P

h

t

t

(19) 

Начальное значение ВЧХ 

P(

)

ω

= 0

 равно конечному значению переходной функции 

h t

(

)

= ∞

 

5. Теорема о конечном значении вещественно-частотной характеристики. 

lim ( ) lim ( )

ω

ω

→∞

=

P

h

t

0

t

(20) 

Конечное значение ВЧХ  

P(

)

ω

→ ∞

 равно начальному значению переходной функции 

h t

(

)

= 0

 

6.  Если ВЧХ при 

ω

i

≠ 0

 имеет разрыв 2-го рода (в точке разрыва ВЧХ обращается в бесконечность), то 

характеристическое  уравнение  системы  имеет  пару  чисто  мнимых  корней 

λ

ω

1 2

,

= ± j

i

.  Если  все 

остальные корни левые, то система, как известно, находится на границе устойчивости и при приложении 
ко входу 

g t

( )

= 1

 на выходе получаются гармонические колебания с частотой 

ω

i

 (рис.99). 

P

h

t

Рис.99

ω

i

ω

 

Из свойства 6 следует: 
6.1.    Если  ВЧХ  имеет  резко  выраженный  экстремум,  то  переходная  характеристика  будет  резко 

колебательной. 

6.2.    Если  ВЧХ  –  монотонно  убывающая  функция,  то  переходная  характеристика  носит 

апериодический характер. 

 
Примеры:  По виду ВЧХ построить качественную картину переходной функции. 

 

61


background image

P

P

ω

ω

1.

2.

 

                    

P

ω

3.

 

                    

P

h

ω

t

4.

ω=0

разрыв

 

Рис.100 

Если  ВЧХ  имеет  разрыв    при 

ω

= 0

,  то  система  находится  на  границе  апериодической 

неустойчивости (т.е. есть хотя бы один корень 

λ

i

= 0

). 

 

62


background image

Построение переходной характеристики по ВЧХ замкнутой системы

 

 
Связь переходной функции с ВЧХ замкнутой системы осуществляется по уравнению (15) 

h t

P

td

( )

( )

sin

=

2

0

π

ω

ω

ω ω

(15) 

Если 

P( )

ω

 имеет сложную зависимость, то аналитическое решение уравнения (15) затруднительно. 

 
 
Пример: 

X(p)

G(p)

a

0

p

3

+ a

1

p

2

+ a

2

p+1

k

W

p

Имеем систему

 

k

p

a

p

a

p

a

k

W

W

W

p

p

Ќ

+

+

+

+

=

+

=

1

1

2

2

1

3

0

W j

k

k

a

j a

a

P

jQ

з

(

)

(

)

(

)

( )

( )

ω

ω

ω

ω

ω

ω

=

+ −

+

=

+

1

1

2

2

0

3

P

k

k a

k a

a

a

( )

(

)

(

)

(

ω

ω

ω

ω

ω

=

+ −

+ −

+

1

1

1

2

1

2 2

2

0

3 2

)

  – ВЧХ замкнутой системы. 

Брать интеграл от 

P( )

ω

очень сложно, поэтому наибольшее распространение получил графический 

метод нахождения 

 по графику соответствующей ВЧХ замкнутой системы. 

h t

( )

Рассмотрим метод трапеций, разработанный профессором В.В. Солодовниковым, применительно к 

ВЧХ замкнутой системы. 

По этому методу ВЧХ заменяют ломаной (рис.101), так, чтобы: 
1.  Алгебраическая сумма площадей всех трапеций должна равняться площади, ограниченной ВЧХ 

и осями координат. 

2.  Все трапеции должны лежать большим основанием на оси частот и одной боковой стороной на 

оси ординат.  

По принципу суперпозиций 

h t

h t

i

i

( )

( )

=

=

1

,    где 

h t

P

td

i

i

( )

( )

sin

=

2

0

π

ω

ω

ω ω

P

P

x

ω

ω

t

x(t)

x (t)

2

x (t)

1

x (t)

3

ω

d1

ω

d1

ω

П1

ω

П1

ω

d2

ω

d2

ω

П2

ω

П2

ω

d3

ω

d3

ω

П3

ω

П3

P (0)

1

P (0)

2

P (0)

3

1

1

2

2

3

3

Рис.101

 

Построение отдельных составляющих 

h t

i

( )

 легко осуществляется с помощью таблиц, называемых 

h( )

τ

-функций, которые рассчитаны для нормированной единичной трапеции вида (рис.102). 

 

63


background image

 

ω

d

  –полоса  равномерного  пропускания 

частот. 

ω

П

= 1

 –полоса пропускания частот. 

 
Единичная 

трапеция 

характеризуется 

одним коэффициентом 

χ

ω

ω

=

d

П

Для  единичной  трапеции  в  литературе 

построены таблицы 

h( )

τ

-функций (табл.1). (По 

вертикали располагается табличное время t

табл

Таблица 1 

 

Коэффициент  наклона  %

 

 

τ 

0,0 

0,05 

0,10 

0,15 

0,20 

0,25 

0,30 

0,35 

0,40 

0,45 

0,50 

0,55 

0,60 

0,65 

0,70 

0,75 

0,80 

0,85 

0,90 

0,95 

1,00 

τ 

0,0 

0,000 

0,000 

0,000 

0,000 

0,000 

0,000 

0,000 

0,000 

0,000 

0,000 

0,000 

0,000 

0,000 

0,000 

0,000 

0,000 

0,000 

0,000 

0,000 

0,000 

0,000 

0,0 

0,5 

0,138 

0,165 

0,176 

0,184 

0,192 

0,199 

0,207 

0,215 

0,223 

0,231 

0,240 

0,248 

0,255 

0,259 

0,267 

0,275 

0,282 

0,290 

0,297 

0,304 

0,314 

0,5 

1,0 

0,310 

0,325 

0,340 

0,356 

0,371 

0,386 

0,402 

0,417 

0,432 

0,447 

0,461 

0,476 

0,490 

0,505 

0,519 

0,534 

0,547 

0,561 

0,575 

0,590 

0,602 

1,0 

1,5 

0,449 

0,469 

0,494 

0,516 

0,538 

0,560 

0,594 

0,603 

0,617 

0,646 

0,665 

0,685 

0,706 

0,722 

0,740 

0,758 

0,776 

0,794 

0,813 

0,832 

0,844 

1,5 

2,0 

0,571 

0,597 

0,628 

0,655 

0,682 

0,709 

0,732 

0,761 

0,785 

0,810 

0,831 

0,856 

0,878 

0,899 

0,919 

0,938 

0,957 

0,974 

0,991 

1,008 

1,022 

2,0 

2,5 

0,674 

0,707 

0,739 

0,771 

0,802 

0,833 

0,862 

0,891 

0,917 

0,943 

0,967 

0,985 

1,010 

1,030 

1,050 

1,067 

1,084 

1,090 

1,105 

1,120 

1,133 

2,5 

3,0 

0,755 

0,792 

0,828 

0,863 

0,895 

0,928 

0,958 

0,986 

1,013 

1,038 

1,061 

1,081 

1,100 

1,116 

1,131 

1,143 

1,154 

1,162 

1,169 

1,175 

1,177 

3,0 

3,5 

0,815 

0,853 

0,892 

0,928 

0,963 

0,994 

1,024 

1,050 

1,074 

1,095 

1,115 

1,132 

1,145 

1,158 

1,165 

1,170 

1,174 

1,174 

1,175 

1,176 

1,175 

3,5 

4,0 

0,850 

0,898 

0,937 

0,974 

1,008 

1,039 

1,066 

1,090 

1,110 

1,127 

1,141 

1,151 

1,158 

1,162 

1,163 

1,161 

1,156 

1,150 

1,141 

1,132 

1,119 

4,0 

4,5 

0,883 

0,923 

0,960 

0,998 

1,029 

1,057 

1,084 

1,104 

1,120 

1,129 

1,138 

1,141 

1,141 

1,138 

1,132 

1,127 

1,111 

1,099 

1,085 

1,071 

1,053 

4,5 

5,0 

0,895 

0,939 

0,977 

1,012 

1,042 

1,067 

1,087 

1,102 

1,112 

1,117 

1,117 

1,114 

1,107 

1,097 

1,084 

1,069 

1,053 

1,036 

1,019 

1,003 

0,987 

5,0 

5,5 

0,900 

0,940 

0,986 

1,015 

1,042 

1,063 

1,079 

1,088 

1,092 

1,096 

1,090 

1,076 

1,064 

1,050 

1,032 

1,016 

0,994 

0,979 

0,962 

0,951 

0,932 

5,5 

6,0 

0,903 

0,945 

0,981 

1,013 

1,037 

1,054 

1,065 

1,070 

1,068 

1,062 

1,051 

1,036 

1,020 

1,001 

0,984 

0,956 

0,949 

0,934 

0,922 

0,914 

0,907 

6,0 

6,5 

0,904 

0,943 

0,980 

1,009 

1,029 

1,043 

1,050 

1,049 

1,043 

1,033 

1,018 

1,001 

0,982 

0,965 

0,948 

0,936 

0,920 

0,910 

0,906 

0,904 

0,905 

6,5 

7,0 

0,904 

0,945 

0,978 

1,006 

1,024 

1,034 

1,037 

1,033 

1,023 

1,009 

0,992 

0,975 

0,957 

0,941 

0,927 

0,917 

0,911 

0,909 

0,911 

0,917 

0,926 

7,0 

7,5 

0,907 

0,945 

0,980 

1,005 

1,021 

1,027 

1,027 

1,020 

1,005 

0,989 

0,974 

0,956 

0,944 

0,931 

0,922 

0,919 

0,920 

0,927 

0,934 

0,946 

0,962 

7,5 

8,0 

0,911 

0,951 

0,983 

1,007 

1,020 

1,024 

1,021 

1,011 

0,998 

0,982 

0,966 

0,952 

0,941 

0,934 

0,932 

0,936 

0,944 

0,955 

0,970 

0,986 

1,002 

8,0 

8,5 

0,918 

0,956 

0,989 

1,010 

1,021 

1,024 

1,018 

1,007 

0,993 

0,978 

0,964 

0,954 

0,948 

0,948 

0,951 

0,958 

0,974 

0,990 

1,006 

1,023 

1,041 

8,5 

9,0 

0,925 

0,966 

0,996 

1,016 

1,025 

1,025 

1,017 

1,006 

0,992 

0,978 

0,968 

0,962 

0,961 

0,967 

0,976 

0,990 

1,006 

1,023 

1,038 

1,051 

1,060 

9,0 

9,5 

0,932 

0,972 

1,004 

1,020 

1,028 

1,026 

1,018 

1,006 

0,993 

0,982 

0,975 

0,972 

0,977 

0,987 

1,000 

1,015 

1,033 

1,048 

1,059 

1,065 

1,066 

9,5 

10,0 

0,939 

0,980 

1,009 

1,025 

1,030 

1,027 

1,018 

1,005 

0,994 

0,985 

0,982 

0,984 

0,993 

1,006 

1,020 

1,036 

1,049 

1,059 

1,063 

1,062 

1,056 

10,0 

10,5 

0,946 

0,985 

1,013 

1,028 

1,031 

1,026 

1,016 

1,004 

0,994 

0,989 

0,988 

0,994 

1,005 

1,019 

1,033 

1,046 

1,054 

1,058 

1,055 

1,048 

1,033 

10,5 

11,0 

0,947 

0,988 

1,015 

1,028 

1,030 

1,024 

1,013 

1,002 

0,993 

0,990 

0,993 

1,001 

1,014 

1,027 

1,039 

1,047 

1,048 

1,044 

1,034 

1,021 

1,005 

11,0 

11,5 

0,949 

0,988 

1,016 

1,027 

1,028 

1,021 

1,010 

0,998 

0,991 

0,991 

0,996 

1,006 

1,017 

1,029 

1,037 

1,039 

1,034 

1,024 

1,010 

0,994 

0,997 

11,5 

12,0 

0,950 

0,990 

1,015 

1,025 

1,024 

1,015 

1,004 

0,994 

0,988 

0,990 

0,997 

1,007 

1,018 

1,026 

1,029 

1,025 

1,015 

1,000 

0,984 

0,970 

0,958 

12,0 

12,5 

0,950 

0,989 

1,013 

1,022 

1,019 

1,010 

0,998 

0,990 

0,986 

0,989 

0,997 

1,007 

1,015 

1,019 

1,017 

1,010 

0,995 

0,980 

0,965 

0,955 

0,950 

12,5 

13,0 

0,950 

0,989 

1,012 

1,019 

1,015 

1,004 

0,993 

0,986 

0,984 

0,989 

0,997 

1,006 

1,012 

1,012 

1,005 

0,993 

0,980 

0,965 

0,955 

0,952 

0,955 

13,0 

13,5 

0,950 

0,990 

1,011 

1,016 

1,011 

1,000 

0,990 

0,983 

0,984 

0,989 

0,998 

1,005 

1,008 

1,004 

0,995 

0,982 

0,968 

0,958 

0,954 

0,958 

0,970 

13,5 

14,0 

0,951 

0,990 

1,010 

1,015 

1,008 

0,997 

0,987 

0,983 

0,985 

0,991 

0,999 

1,005 

1,005 

0,998 

0,987 

0,975 

0,965 

0,961 

0,965 

0,976 

0,991 

14,0 

14,5 

0,954 

0,990 

1,011 

1,014 

1,008 

0,996 

0,986 

0,984 

0,987 

0,994 

1,002 

1,005 

1,003 

0,994 

0,983 

0,970 

0,969 

0,971 

0,981 

0,997 

1,010 

14,5 

15,0 

0,956 

0,993 

1,012 

1,014 

1,006 

0,995 

0,987 

0,986 

0,991 

0,998 

1,005 

1,006 

1,002 

0,994 

0,983 

0,977 

0,978 

0,987 

1,001 

1,018 

1,032 

15,0 

15,5 

0,959 

0,995 

1,013 

1,014 

1,006 

0,995 

0,989 

0,989 

0,995 

1,002 

1,008 

1,007 

1,001 

0,992 

0,985 

0,984 

0,991 

1,003 

1,019 

1,032 

1,048 

15,5 

16,0 

0,956 

0,998 

1,015 

1,014 

1,006 

0,995 

0,990 

0,992 

0,999 

1,007 

1,010 

1,008 

1,001 

0,994 

0,990 

0,993 

1,003 

1,018 

1,031 

1,040 

1,039 

16,0 

16,5 

0,964 

0,999 

1,016 

1,015 

1,005 

0,996 

0,992 

0,995 

1,002 

1,009 

1,011 

1,008 

1,001 

0,995 

0,995 

1,001 

1,014 

1,027 

1,035 

1,037 

1,028 

16,5 

17,0 

0,965 

1,001 

1,016 

1,014 

1,005 

0,996 

0,993 

0,998 

1,005 

1,011 

1,012 

1,007 

1,000 

0,996 

0,999 

1,008 

1,020 

1,030 

1,032 

1,026 

1,012 

17,0 

17,5 

0,966 

1,002 

1,016 

1,013 

1,003 

0,995 

0,994 

0,999 

1,007 

1,011 

1,009 

1,005 

0,998 

0,997 

1,002 

1,012 

1,023 

1,027 

1,023 

1,013 

0,994 

17,5 

18,0 

0,966 

1,002 

1,015 

1,012 

1,002 

0,994 

0,994 

1,000 

1,007 

1,010 

1,008 

1,001 

0,997 

0,997 

1,004 

1,014 

1,020 

1,018 

1,008 

0,993 

0,978 

18,0 

18,5 

0,966 

1,001 

1,014 

1,010 

1,000 

0,993 

0,994 

1,001 

1,007 

1,009 

1,005 

0,999 

0,995 

0,997 

1,005 

1,012 

1,014 

1,007 

0,993 

0,978 

0,969 

18,5 

19,0 

0,966 

1,002 

1,013 

1,008 

0,998 

0,992 

0,994 

1,001 

1,006 

1,006 

1,001 

0,995 

0,993 

0,997 

1,004 

1,009 

1,006 

0,995 

0,981 

0,970 

0,967 

19,0 

19,5 

0,967 

1,001 

1,012 

1,006 

0,996 

0,991 

0,994 

1,001 

1,005 

1,004 

0,998 

0,992 

0,992 

0,997 

1,003 

1,005 

0,998 

0,985 

0,973 

0,967 

0,973 

19,5 

20,0 

0,967 

1,001 

1,011 

1,004 

0,995 

0,991 

0,994 

1,001 

1,004 

1,001 

0,995 

0,991 

0,992 

0,998 

1,003 

1,001 

0,991 

0,980 

0,972 

0,975 

0,986 

20,0 

20,5 

0,968 

1,002 

1,010 

1,003 

0,994 

0,991 

0,995 

1,001 

1,003 

1,000 

0,994 

0,991 

0,994 

0,999 

1,002 

0,998 

0,987 

0,978 

0,977 

0,990 

1,001 

20,5 

21,0 

0,968 

1,002 

1,010 

1,003 

0,994 

0,991 

0,996 

1,002 

1,003 

0,999 

0,993 

0,992 

0,996 

1,001 

1,002 

0,996 

0,987 

0,982 

0,989 

1,001 

1,015 

21,0 

21,5 

0,969 

1,003 

1,010 

1,002 

0,994 

0,992 

0,999 

1,004 

1,003 

0,998 

0,994 

0,995 

0,999 

0,995 

1,002 

0,995 

0,988 

0,988 

0,998 

1,013 

1,025 

21,5 

22,0 

0,971 

1,004 

1,011 

1,002 

0,994 

0,994 

1,000 

1,005 

1,004 

0,998 

0,995 

0,997 

1,000 

1,004 

1,002 

0,995 

0,991 

0,997 

1,010 

1,024 

1,029 

22,0 

22,5 

0,973 

1,005 

1,011 

1,002 

0,995 

0,995 

1,002 

1,006 

1,004 

0,998 

0,996 

1,000 

1,005 

1,005 

1,002 

0,996 

0,996 

1,006 

1,018 

1,028 

1,028 

22,5 

23,0 

0,973 

1,006 

1,011 

1,002 

0,995 

0,997 

1,003 

1,006 

1,004 

0,998 

0,997 

1,002 

1,007 

1,007 

1,002 

0,997 

1,001 

1,011 

1,022 

1,025 

1,016 

23,0 

23,5 

0,975 

1,006 

1,011 

1,002 

0,995 

0,998 

1,004 

1,006 

1,003 

0,998 

0,998 

1,003 

1,008 

1,006 

1,001 

0,998 

1,004 

1,015 

1,021 

1,016 

1,002 

23,5 

24,0 

0,975 

1,006 

1,010 

1,001 

0,995 

0,998 

1,005 

1,006 

1,002 

0,998 

0,999 

1,004 

1,007 

1,004 

0,999 

0,999 

1,007 

1,015 

1,016 

1,006 

0,990 

24,0 

24,5 

0,975 

1,006 

1,009 

1,000 

0,995 

0,999 

1,005 

1,005 

1,000 

0,997 

1,000 

1,004 

1,006 

1,02 

0,998 

0,999 

1,007 

1,012 

1,007 

0,995 

0,979 

24,5 

25,0 

0,975 

1,006 

1,008 

0,999 

0,995 

0,999 

1,004 

1,004 

0,999 

0,996 

1,000 

1,004 

1,004 

0,999 

0,996 

1,000 

1,007 

1,008 

0,998 

0,984 

0,975 

25,0 

25,5 

0,975 

1,006 

1,007 

0,998 

0,994 

0,999 

1,004 

1,002 

0,997 

0,996 

1,000 

1,003 

1,002 

0,997 

0,995 

1,000 

1,005 

1,001 

0,989 

0,978 

0,977 

25,5 

26,0 

0,975 

1,006 

1,006 

0,997 

0,994 

0,999 

1,003 

1,001 

0,996 

0,996 

1,000 

1,002 

0,999 

0,995 

0,995 

1,000 

1,002 

0,997 

0,984 

0,978 

0,983 

26,0 

 

0,0 

0,05 

0,10 

0,15 

0,20 

0,25 

0,30 

0,35 

0,40 

0,45 

0,50 

0,55 

0,60 

0,65 

0,70 

0,75 

0,80 

0,85 

0,90 

0,95 

1,00 

 

P

Рис.102

P(0)=1

ω

d

ω

П

=1

ω

 

Если определена   h-функция единичной трапеции, то затем по теоремам об изменении  масштабов 

по оси абсцисс и ординат легко перейти к реальным трапециям. 

Итак алгоритм расчета по методу трапеций: 
1.  ВЧХ по указанным правилам разбивают на трапеции, в примере число трапеций равно 3, 

i

= 3

 

64