Частотные характеристики динамических звеньев
Основные частотные характеристики Аналитическое выражение для комплексного коэффициента передачи W(jω) можно получить по операторной передаточной функции W(s), приравняв в переменной Лапласа s = σ + jω действительную часть σ нулю. Из комплексной передаточной функции
получают амплитудную (АЧХ) A(ω) = Aвых(ω)/Aвх, фазовую (ФЧХ) φ(ω) = φвых(ω) - φвх, действительную (ВЧХ) P(ω) = ReW(jω) и мнимую (МЧХ) Q(ω) = ImW(jω) частотные характеристики, связанные соотношениями , ; , . Если представить комплексный коэффициент передачи в виде дроби ,
то амплитудная характеристика будет равна
,
а фазовая характеристика
.
Обобщающей является амплитудно-фазовая частотная характеристика (АФЧХ или просто АФХ) – кривая (годограф), которую чертит на комплексной плоскости конец вектора W(jω) при изменении частоты ω от 0 до +∞. В ходе расчетов следует отбросить отрицательные, мнимые и комплексные частоты и по возможности сократить получающиеся выражения для действительной и мнимой частей на ω. При построении частотных характеристик учитывают гладкость кривой (при разрывах годограф изменяется асимптотически), указывают на графике стрелкой направление увеличения частоты и/или крайние частоты. В каком бы порядке не были расположены частоты в таблице, построение кривой следует всегда производить по возрастанию значений частоты. Быстрая проверка правильности расчетов: - АФЧХ и АЧХ начинаются при значении bm/an = kуст; - АФЧХ и АЧХ заканчиваются в нуле (m<n) или при b0/a0 (для m= n); - АФЧХ устойчивой системы, не имеющей нулей, проходит по часовой стрелке столько квадрантов, каков порядок характеристического полинома. Реакцию системы на гармоническое воздействие любой частоты ω в показательной форме получают путем умножения на А(ω) амплитуды входного сигнала и добавления φ(ω) к его фазе. Пример 1. Построить частотные характеристики системы с ПФ W(s) = 2/(s2+5s+6). Подставляем s=jω, учитывая, что , снижаем порядок j
.
В данном случае числители и знаменатели дробей (действительной и мнимой частей) на ω сократить нельзя. Составляем таблицу (таблица 3.4), используя обязательные значения частот (можно взять больше точек, но не меньше), и подставляем эти значения: - крайние частоты 0 и +∞; - частоты пересечения характеристик с осями (определяются путем приравнивания числителей дробей мнимой и действительной части к нулю и решения полученного уравнения); - частоты разрыва характеристики (находят, приравнивая знаменатель нулю и решая уравнение) и близкие к ним (чуть больше-чуть меньше) частоты; - прочие частоты для повышения точности расчета.
Таблица 3.4
Приравнивая Re(ω) = 0, получаем 6 - ω2 = 0, откуда ω = 2,45. Приравнивая Im(ω) = 0, получаем 10ω = 0, откуда ω = 0. По виду биквадратного уравнения 36+13ω2+ω4=0 определяем, что частот разрыва (действительных корней) нет. Частоты 1 и 3 рад/с добавлены произвольно для более точного построения графика. По одной таблице можно построить АФЧХ на комплексной плоскости (рисунок 3.1, а), индивидуально ВЧХ и МЧХ (рисунок 3.1, б), и после дополнительных расчетов АЧХ и ФЧХ (рисунок 3.1, в).
а б в Рисунок 3.1
Пример 2. Записать аналитически реакцию системы с известными АЧХ и ФЧХ (рисунок 3.2) на воздействие х(t) = 3,5sin(t).
Рисунок 3.2
Общий вид гармонического сигнала Asin(ωt + φ). Следовательно, входное воздействие характеризуется параметрами: амплитуда 3,5, фаза 0 рад, частота ω = 1 рад/с. Находим для этой частоты по графику A(ω) = 0,36; φ(ω) = -45° = -0,785 рад. Отсюда амплитуда выходной величины равна 3,5·0,36 = 1,26; фаза выходной величины 0 – 0.785 рад и окончательный вид реакции y(t) = 1,26sin(t – 0,785). Пример 3. При воздействии x(t) = 2sin10t найти сигнал на выходе системы с передаточной функцией W(s) = 4/(0,1s + 1). Получаем по ПФ аналитические выражения для АЧХ и ФЧХ ; .
Для известной частоты 10 рад/с значения АЧХ и ФЧХ равны ; . Выражение для выходного гармонического сигнала .
В тех случаях, когда протекающие процессы в САУ изучены слабо, и вывод ДУ, описывающих эти САУ, затруднен, в основу математического моделирования кладут не уравнения движения, а так называемые частотные характеристики (ЧХ) систем.
Частотные характеристики динамических звеньев
Если на вход стационарного ДЗ (рисунок 3.3) действует гармонический сигнал
, (3.6)
то на выходе ДЗ установится также гармонической сигнал
(3.7)
той же угловой частоты w, но с измененными амплитудой Ymи начальной фазой y2(рисунок 3.3). Эти изменения зависят как от свойств самого ДЗ, так и от угловой частоты входного воздействия. Отношение амплитуд выходного и входного сигналов
и разность их фаз j(w) = y2- y1
являются функциями частоты. Их называют соответственно амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) и фазово-частотной характеристикой (ФЧХ) звена.
Эти характеристики показывают, что линейное ДЗ изменяет амплитуду и фазу гармонического сигнала: в установившемся режиме амплитуда уменьшается или увеличивается в A раз, а фазовый сдвиг уменьшается или увеличивается на j градусов (радиан) при изменении угловой частоты w. Частотные характеристики зависят от свойств ДЗ, но не зависят от амплитуды и фазы входного воздействия. АЧХ может служить для оценки фильтрующих свойств, а ФЧХ – инерционных свойств ДЗ. Частотные характеристики всякого элемента САУ связаны с его ПФ W(s). Подставляя в выражение ПФ вместо оператора Лапласа s мнимую величину jw, получают комплексную функцию частоты W(jw), которую называют частотной передаточной функцией. Эта функция при любой частоте w является комплексной величиной и поэтому может быть представлена в показательном виде
, (3.8)
где A(w); j(w) – соответственно модуль и аргумент частотной ПФ,
, (3.9)
. (3.10) Следовательно, модуль и аргумент частотной ПФ определяют соответственно АЧХ и ФЧХ звена. Частотная ПФ, как комплексная функция, может быть также представлена и в алгебраическом виде
, (3.11)
где U(w); V(w) – функции частоты, называемые соответственно вещественной (действительной) и мнимой ЧХ. Они не имеют конкретного физического смысла, но используются в расчетах и определяются по формулам:
U(w) = ReW(jw); (3.12)
V(w) = ImW(jw). (3.13)
Частотные характеристики связаны между собой известными соотношениями (рисунок 3.4):
(3.14) и (3.15)
Если частотная ПФ задана в алгебраическом виде (3.11), преобразование ее к показательному виду (3.8) осуществляют по формулам (3.14). Соотношения (3.15) позволяют осуществить при необходимости обратное преобразование.
Кроме аналитического описания ЧХ изображают графически в декартовых координатах. Построение АЧХ и ФЧХ осуществляют по формулам (3.9) и (3.10). На рисунках 3.5 и 3.6 изображены в самом общем виде соответственно АЧХ и ФЧХ обыкновенных инерционных ДЗ или САУ. К обычным ЧХ относят амплитудно-фазовую частотную характеристику (АФЧХ). АФЧХ представляет собой годограф частотной ПФ W(jw), т.е. геометрическое место концов вектора W(jw) при изменении частоты w от 0 до ±¥. Эту характеристику строят на комплексной плоскости в полярных (A, w) или декартовых (U, V) координатах конца вектора W(jw) по формулам (3.8), (3.9) или (3.11), (3.12). Типичный годограф W(jw) обыкновенного инерционного ДЗ показан на рисунке 3.2 в диапазоне частот -¥ < w < +¥. Рабочая ветвь годографа соответствует физически реализуемым положительным частотам w >0. Фазовые углы j(w) отсчитывают от положительной действительной полуоси (+1) против движения часовой стрелки. Инерционные звенья характеризуются отрицательными фазовыми углами j(w) < 0.
Популярное: Личность ребенка как объект и субъект в образовательной технологии: В настоящее время в России идет становление новой системы образования, ориентированного на вхождение... Почему люди поддаются рекламе?: Только не надо искать ответы в качестве или количестве рекламы... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (2073)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |