Файл: Лекции.doc

3.2. Частотные характеристики

Пусть на вход устойчивой системы или звена подается гармонический сигнал вида

f(t) = a_f sint. (3.10)

Учитывая, что

, (3.11)

целесообразно найти вынужденную реакцию системы на воздействие вида , (3.12)

а затем учесть мнимую часть этой вынужденной реакции (см. формулы (3.10) и (3.11)).

Линейная система описывается передаточной функцией

,

т.е. описывается дифференциальным уравнением

При входном сигнале (3.12) сигнал на выходе найдем в виде

. (3.13)

(3.14)

Отношение комплексных амплитуд выходного сигнала (после затухания свободного движения) и входного гармонического сигнала

, (3.15)

называют частотной передаточной функцией (ЧПФ), или комплексным коэффициентом передачи (ККП).

На основании формулы (3.15) можно записать

b_x = a_fW(j). (3.16)

Используя соотношения (3.10) и (3.11), можно записать

. (3.17)

Тогда

. (3.18)

Выделяя в выражении (3.15) действительную и мнимую части, можно записать

W(j) = Re W(j) + jIm W(j) = U() + jV() = A(), (3.19)

где

A() = - модуль ЧПФ, (3.20)

() = arctg(V()/U()) - аргумент ЧПФ. (3.21)

Выражение (3.18) с учетом (3.19) можно записать в следующем виде

x(t)=Im[A()a_f]=A()a_fsin[t+()]=a_xsin[t+()]. (3.22)

Следовательно, при подаче на вход устойчивой линейной системы гармонического сигнала на ее выходе после затухания свободного движения установится гармонический сигнал с той же частотой, но амплитудой

a_x = A()a_f (3.23)

и со сдвигом по фазе

() = arg W(j).

Соотношения (3.22) и (3.23) позволяют установить физический смысл модуля и аргумента ЧПФ.

Модуль ЧПФ есть отношение амплитуд выходного и входного сигналов системы в режиме установившихся гармонических колебаний на данной частоте.

Аргумент ЧПФ - сдвиг по фазе между выходным и входным сигналами системы в режиме установившихся гармонических колебаний на данной частоте.

Графики функций A() и () называются соответственно амплитудной частотной (АЧХ) и фазовой частотной (ФЧХ) характеристиками.

Указанный выше физический смысл каждой ординаты A() и () является основанием для экспериментального получения АЧХ и ФЧХ линейных звеньев и систем.

Графики АЧХ и ФЧХ, построенные в логарифмическом масштабе, называют логарифмическими частотными характеристиками: ЛАЧХ и ЛФЧХ. Зачем нужны логарифмические частотные характеристики (ЛЧХ)? Для ответа на этот вопрос рассмотрим частотные характеристики последовательного соединения звеньев.

При последовательном соединении звеньев (см. (2.44))

W(p)=.

Заменяя p на j, можно записать

W(j)=. (3.24)

Учитывая, что W(j)= A() (3.25)

W_i (j)= A_i () (3.26)

и подставляя выражения (3.25) и (3.26) в формулу (3.24), получим

A()=,

откуда следует, что

A()=; (3.27)

() = . (3.28)

Выражения (3.27) и (3.28) показывают, что для вычисления частотных характеристик последовательного соединения звеньев необходимо для каждого из фиксированных значений частот перемножить модули ЧПФ и суммировать их аргументы. Для того, чтобы исключить операции умножения целесообразно использовать логарифмические характеристики. Из (3.27) следует:

L() = 20lgA() = ;

L_i() = 20lgA_i().

Для их построения по оси абсцисс откладываются значения частот в логарифмическом масштабе. Эта ось равномерно разбивается на декады. Декада соответствует десятикратному изменению частоты (в рад/с), например, от 0,1 до 1, от 1 до 10 и т.д. Масштабирование каждой декады выполняется одинаково на основе следующего соотношения

m_ = m_дек  (мантисса десятичного логарифма цифр от 2 до 9),

где m_дек - масштаб декады в мм,

m_ - масштаб частоты от начала своей декады (своего порядка).

При построении ЛАЧХ значение модуля ЧПФ откладывается в децибелах (дБ) в равномерном масштабе. Если модуль ЧПФ A(), то число децибел равно L()=20lgA()дБ.

При построении ЛФЧХ по оси ординат откладывается значение () в градусах или радианах.

В заключение отметим, что за редким исключением строят не точные, а асимптотические ЛАЧХ (см. пример 3.1).

3.3. Типовые динамические звенья и их передаточные функции

Согласно теореме Виета полином n-го порядка может быть представлен в виде произведения двучленов, а поэтому передаточная функция системы примет вид:

= kW_Э1(p)  W_Э2(p)  ...  W_ЭK(p), (3.29)

где q_i - корни полинома числителя W(p), называемые ее нулями, r_i - корни полинома знаменателя W(p), называемые ее полюсами (напомним, что полюса передаточной функции системы есть корни характеристического уравнения этой же системы); k=^b0/a₀.

Выражение (3.29) показывает, что любую систему можно представить в виде соединения элементарных звеньев, которые принято называть типовыми динамическими звеньями. Каждое типовое динамическое звено имеет один вход, один выход, обладает свойством однонаправленности передачи входного воздействия и имеет порядок не выше второго.

Передаточные функции типовых динамических звеньев.

а) Безынерционное усилительное звено

x(t) = k f(t); X(p) = k F(p); W(p) = X(p)/F(p) = к . (3.30)

Рис.3.2. Структурная схема усилительного звена:

б) Интегрирующее звено

k_и f(t); x(t) = k_и;

X(p) = (k_и/p) F(p); W(p) = X(p)/F(p) = k_и/p или, если принять, что 1/к_и=Т_и - постоянная времени интегрирующего звена, то

W(з)=1/Т_ир (3.31)

Характеристическое уравнение p = 0, т.е. p₁= 0.

Рис.3.3. Структурная схема интегрирующего звена:

В) Идеальное дифференцирующее звено

x(t) = k_д;

X(p) = k_д p F(p);

W(p) = X(p)/F(p) = k_д p=Т_др, (3.32)

где к_д=Т_д – постоянная времени дифференцирующего звена.

Рис.3.4. Структурная схема идеального дифференцирующего звена

г) Апериодическое звено (инерционное звено первого порядка)

T + x(t) = 1 f(t);

(T p + 1) X(p) = 1 F(p);

W(p) = X(p)/F(p) = 1/(T p + 1). (3.33)

Характеристическое уравнение: T p + 1 = 0;

p₁= -1/T, где Т – постоянная времени апериодического звена.

Рис.3.5. Структурная схема апериодического звена

д) Форсирующее звено

, (3.34)

где Т_ф – постоянная времени форсирующего звена.

Рис.3.6. Структурная схема форсирующего звена

е) Динамическое звено второго порядка

+ 2T₀  + x(t) = 1 f(t);

( p²+2T₀ p + 1) X(p) = 1 F(p);

W(p) = X(p)/F(p) = 1/( p²+2T₀ p + 1). (3.35)