21348

Минимально фазовые и неминимально фазовые звенья

Реферат

Математика и математический анализ

Если в передаточной функции произвести замену то получаем называемое частотной характеристикой звена частотный коэффициент передачи звена. Общая фаза выходного сигнала звена будет складываться из частичных фаз определяемых каждым двучленом числителя и знаменателя. Если хотя бы один из корней звена расположен справа то такое звено не минимально фазовое звено.

Русский

2013-08-02

1.64 MB

54 чел.

Минимально фазовые и неминимально фазовые звенья

Передаточную функцию звена (элемента системы автоматического управления)  можно преобразовать, разложив на множители полиномы ее числителя и знаменателя. Конечно, если известны корни уравнений  (нули) и   (полюса).

.

Если в передаточной функции произвести замену  , то получаем   , называемое частотной характеристикой звена (частотный коэффициент передачи звена).

Общая фаза выходного сигнала звена будет складываться из частичных фаз, определяемых каждым двучленом числителя и знаменателя. Об этом будет более подробно в соответствующем разделе ниже.

Корни полиномов числителя и знаменателя можно изобразить на плоскости.

 Комплексная плоскость корней    и   :

Отсюда:

1. Корень  расположен в правой полуплоскости, то есть  ReSe0 .

2. Корень  расположен в левой полуплоскости, то есть  ReSk0 .

3. Углы наклона векторов  и  таковы, что   ke, причем , .

Звено, у которого все корни (полюса и нули) расположены в левой полуплоскости (являются левыми) называется минимально фазовым звеном.

Если хотя бы один из корней звена расположен справа, то такое звено - не минимально фазовое звено.

У минимально фазовых звеньев существует однозначная зависимость между частотными характеристиками.

То есть, располагая одной частотной характеристикой, можно построить остальные. Другими словами, в любой частотной характеристике заключена вся информация о поведении звена.

Неустойчивые звенья - всегда не минимально фазовые.

Типовые звенья. Характеристики звеньев

Все многообразие звеньев может быть по математическому описанию представлено лишь несколькими характерными (типовыми) звеньями.

Минимально фазовые звенья:

  1.  Идеальное усилительное звено (пропорциональное безинерционное, усилительное, звено нулевого порядка);

Реальное усилительное звено (апериодическое, генерационное первого порядка);

Идеальное дифференцирующее звено;

Реальное дифференцирующее звено;

Идеальное интегральное звено;

Идеальное формирующее звено;

Звенья второго порядка:

Апериодическое;

Колебательное;

Консервативное.

Не минимально фазовые звенья:

  1.  Звено чистого запаздывания;

Квазипериодическое звено;

Квазиколебательное звено.

Идеальное усилительное звено

Это рычаг - идеальное звено, если пренебречь весом и потерями в подшипниках.

 Получим частотные характеристики идеального усилительного звена. Заменяем в передаточной функции :    ;   

Тогда ВЧХ и МЧХ звена будут определяться как  ;  ;

Фазовая частотная характеристика  ФЧХ звена:    ;

Амплитудная частотная характеристика АЧХ: ;

Логарифмическая амплитудная характеристика ЛАХ звена: .

Переходная характеристика  .

Весовая функция .

Все характеристики идеального усилительного звена изображены на рисунках:

Реальное усилительное звено

Математические модели данного звена имеют вид:

дифференциальное уравнение:   ; соответствующая ему передаточная функция: ; частотные характеристики:

- АФЧХ;

- ВЧХ;     - МЧХ;   причем  ,    .

Следовательно,  (АФЧХ) располагается в четвертом квадранте координатной плоскости.  Кроме того (выполнили деление).  Если подставить  в , то получим , откуда после преобразований:

;  ;  .

Имеем окружность радиусом ,  сдвинутую на  вправо по оси абсцисс.

Можно утверждать, что АФЧХ расположена:

Амплитудно-частотная характеристика  реального усилительного звена имеет вид:     

Фазово-частотная характеристика: , причем ,     .

На графиках представлены все полученные зависимости:

Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАХ):

.

Для ее построения выполним исследования.

а) Зона низкой частоты. Н.Ч.

,     .

б) Зона высокой частоты. В.Ч.    

,      ;     ;

Наклон характеристики в области высоких частот .

Определим погрешность в точке  = 1/T.

.

Это соответствует ошибке по коэффициенту усиления в  раз.  Но ошибка с изменением частоты быстро уменьшается (смотри на рисунок). Значит, имеет смысл пользоваться асимптотическими характеристиками.

Для определения переходной характеристики звена можно выполнить  обратное преобразование Лапласа: .

Весовая функция реального усилительного звена: .

По переходной характеристике  h(t) можно определить характеристики звена (постоянную времени и коэффициент усиления).

Аналогично те же величины можно определить и из весовой функции звена

Идеальное дифференцирующее звено

Дифференциальное уравнение, передаточная функция и АФЧХ звена имеют вид:   ;      .                                  

ВЧХ, МЧХ, АЧХ, ФЧХ и ЛАХ звена соответственно равны:

;  ;  ; ;  .   

 Ниже представлены графики этих зависимостей:

Переходная характеристика и весовая функция звена равны:

ℒℒℒ;   .

Примеры дифференцирующих звеньев:     

1)

2)      .

y = Ic ; x = Uc .

3) ;   .  

y = UL ; x = IL .

Во всех трех случаях имеет место идеальное дифференцирование.

Дифференцирующие  звенья - лучшее средство коррекции!

Реальное дифференцирующее звено

Дифференциальное уравнение и передаточная функция такого звена имеют вид:           .

Примером реального дифференцирующего звена может служить RC - цепочка:

с передаточной функцией  .

Амплитудно-фазовая частотная характеристика реального дифференцирующего звена:  ;

ВЧХ и МЧХ:       

Причем, при ,             .  Вся АФЧХ расположится в первом квадранте. Так же, как для апериодического звена, можно показать, что это уравнение окружности.

АЧХ:  ;   ЛАХ:   

Для построения ЛАХ рассматриваются две частотные области - низкочастотная и высокочастотная:

Н.Ч.:   ;

В.Ч.:    .

 

ФЧХ:   

  

Переходная характеристика:

;

Весовая функция:.

 Это звено также опережающее и его можно применять для коррекции.

Интегрирующее звено

Данному звену соответствует интегральное уравнение  и передаточная функция .

Ниже приведены частотные характеристики интегрирующего звена.

АФЧХ:;  ВЧХ: ;   МЧХ:  ; АЧХ: ;   ФЧХ: ;

 ЛАХ:   .

Построение их не вызывает сложностей. ЛАХ интегрирующего звена изображена на рисунке:

Форсирующее звено

Данное звено используется в системах автоматического управления для целей коррекции. Его передаточная функция имеет вид:

;

Частотные характеристики:

АФЧХ:   ;     ВЧХ: ;

МЧХ: ;   ФЧХ:  ; ;  при   .

АЧХ:  .

ЛАХ:  ;

Для построения ЛАХ форсирующего звена рассматриваются области низких частот НЧ и высоких частот ВЧ:

НЧ:  ;   ;

ВЧ:  ;   .

Точка пересечения ЛАХ оси ординат определяется как:

.

Квазиинерционное звено

Имеется две разновидности квазиинерционного звена, представленные передаточными функциями    и .  В обоих случаях корни полинома знаменателя передаточной функции (полюса звена) - положительные. Следовательно, звено является не минимально фазовым.

Для первого звена его АФЧХ: .

Соответственно ВЧХ и МЧХ: ,       .

АЧХ:     (такая же, как  у инерционного звена).

ФЧХ:   , причем   , а . Следовательно, фазовая характеристика поменяла знак по сравнению с фазовой характеристикой инерционного звена.

Для построения АФЧХ звена выполним следующие преобразования:

 ,      ,     ,

,     - получили уравнение окружности.   А так как  и , то графиком АФЧХ является полуокружность, расположенная в первом квадранте:

Получим частотные характеристики для второй разновидности квазиинерционного звена.   

АФЧХ: ;  

ВЧХ:   ;    МЧХ:      ;     ФЧХ:  

   

Для построения АФЧХ выполняются аналогичные преобразования:

;    ;  .

АЧХ:   - совпадает с характеристикой предыдущего звена и реального усилительного звена.

Звенья  второго  порядка. Передаточные функции

Математически модели данных звеньев могут быть представлены дифференциальным уравнением    и передаточной функцией   .

В зависимости от величины коэффициентов  это звено может быть апериодическим второго порядка, колебательным, либо консервативным.

Примером звена второго порядка является RLC-цепочка:

Получим передаточную функцию RLC-цепочки. На основании законов Кирхгофа имеем:  ;   ;  .  Далее, после соответствующих подстановок и преобразований, получаем дифференциальное уравнение в операторной форме:  и передаточную функцию:

.

 где  постоянные времени      .

Другим примером может служить двигатель постоянного тока независимого возбуждения

Если составить уравнение якорной цепи и уравнение движения:

,    ;  ,  то можно получить передаточную функцию:

   где      .

В зависимости от постоянных времени Тм и Тя двигатель может являться либо колебательным, либо апериодическим звеном второго порядка:

Если , то звено апериодическое 2 порядка;

Если  , - колебательное звено;

Если , - граничный случай.

Представим передаточную функция звена второго порядка в виде:    

    где ;    .

Характеристическое уравнение (смотри знаменатель передаточной функции):  , корни которого: .

  1.  Если  постоянные таковы, что   , то корни .   Такому звену соответствует апериодическое движение 2 порядка. Передаточная функция трансформируется к виду:  .
  2.  Если    ,  тогда  корни  -  движение колебательное.
  3.  Если      -  граничный случай: .
  4.  Если ,  - консервативное звено. Физически это означает, что в данном звене отсутствует рассеяние энергии.  Звено теряет свойство диссипативности. При этом     .

Передаточную функцию колебательного звена можно привести к виду:

,

где  - частота собственных, недемифированных колебаний  (при ).

,    откуда ,     - коэффициент затухания.

1)  0 < <1  - звено колебательное.

2)   > 1 - апериодическое звено.

Частотные характеристики звеньев второго порядка

АФЧХ:

ВЧХ:  ;   МЧХ:   ;  

АЧХ:  ;  

ЛАХ:  .

Ниже приводится изображение частотных характеристик

 

Для построения логарифмической амплитудной характеристики рассматриваются области частот:

Н. Ч.           ;    .

В. Ч.   ;   ;    .

Асимптотической ЛАХ пользоваться нельзя. Очень велика погрешность. При =1  она составляет 6 дб. На практике пользуются нормированными кривыми поправок (добавок).

ФЧХ: ,       

,

при < 1/T1,

при > 1/T1.

ЛФХ:  Логарифмическую фазовую характеристику, как и амплитудную, также можно брать нормированную (из соответствующего справочника):

Переходная характеристика звена:

-1.

Весовая функция звена определяется путем дифференцирования переходной характеристики.

Звено чистого запаздывания

.

Упрощения: 1) пусть волна идет только в сторону возрастания r;

    2) если r = 0, то ;

        если r = l, то .

Передаточная функция:  .

 В качестве примера звена чистого запаздывания может служить транспортер:  

;     .

         - время чистого запаздывания.

   

 Другим примером являются длинные линии.

;    .

Чистое запаздывание имеет место в тиристорных преобразователях. Здесь  . m -пульсность управления. Характеризует число пульсаций или гармоник на периоде сетевого напряжения. Пусть . Тогда при частоте  .

 Ввиду важности звена тиристорного преобразователя в системах автоматического управления электроприводами звено чистого запаздывания имеет несколько видов аппроксимации.

1)  .

- коэффициент передачи тиристорного преобразователя.

  - информационная постоянная времени системы управления (постоянная входного фильтра).

Если первая гармоника входного сигнала одного порядка с частотой питающего напряжения, то сильно сказывается свойство полууправляемости тиристоров и чистое запаздывание необходимо принимать в рассмотрение. Данный эффект имеет место при наличии на входе системы высокочастотных помех. Заканчивается в течение периода питающего напряжения тиристорного преобразователя.

2)      где .  Получается в результате разложения  в ряд Тейлора:  .  Если учесть только  один член разложения, тогда .

3)  - тиристорный преобразователь представляется пропорциональным звеном.

Решение уравнения  дает бесконечное число нулей и полюсов.

 

Получили первый признак неминимальной фазовости – нули оказались в правой полуплоскости.

Рассмотрим частотные характеристики звена чистого запаздывания.

; ;   ;   .

Одному и тому же значению А() соответствует несколько k.  Следовательно АЧХ - неоднозначная частотная характеристика.

Рассмотрим очень медленный процесс. Переходная характеристика

-1-1.

Весовая функция .

20


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

48648. Расчет структуры электромагнитных полей 575 KB
  Метод исследования – метод разделения переменных при интегрировании дифференциальных уравнений для получения аналитических выражений потенциалов и напряженностей полей с последующим построением на ЭВМ структуры этих полей
48649. Расчет структуры электромагнитных полей 209.5 KB
  Параметры задачи Бесконечный проводящий цилиндр в магнитной среде R=8см=008м H0=20 і=5102 е=8 Координаты точки M: r=7см=007м =90 Решение Решение проводится в цилиндрических координатах связанных с центром основания цилиндра r радиусвектор точки наблюдения ось x направлена вдоль приложенного магнитного поля рис.1 в методом разделения переменных в соответствии с которым решение  будем искать в виде произведения двух функций каждая из которых зависит только от одной координаты:...
48650. Расчет структуры осесимметричных стационарных электромагнитных полей 203 KB
  Решение производится в цилиндрических координатах связанных с центром основания цилиндра r радиусвектор точки наблюдения ось x направлена вдоль приложенного магнитного поля рис.1 методом разделения переменных методом Фурьев соответствии с которым решение будем искать в виде произведения двух функций каждая из которых зависит только от одной координаты: 1.4 Этим самым решение уравнения 1.
48651. ПСИХОЛОГІЧНІ ВАЖЕЛІ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ БЕЗПЕКИ ЛЮДИНИ. МОДЕЛІ ФОРМУВАННЯ ЗДОРОВ’Я 278 KB
  Фактично люди мають дві нервові системи: центральну і вегетативну. Центральна нервова система керує відносинами людини із зовнішнім світом. Вона включає: спинний мозок, великі півкулі головного мозку, які зв’язані з проміжним мозком, середній мозок, задній мозок, довгастий мозок, мозочок. Вегетативна нервова система керує діяльністю внутрішніх органів.
48652. Расчет структуры электромагнитных полей 780 KB
  Задача настоящей работы – теоретическое исследование электромагнитного поля, основывающееся на классических представлениях о нём, и численное нахождение его характеристик.
48653. Перспективы и состояние разработок распределительных трансформаторов массовых серий 384.5 KB
  Распределительные трансформаторы мощностью 25 630 кВ А напряжением 6 10 кВ наиболее массовая серия ид производимых и эксплуатируемых трансформаторов в СССР. Производство и эксплуатация этих трансформаторов требует значительных материальных и трудовых затрат любое снижение затрат дает существенную экономию в народном хозяйстве. Снижение затрат на производство и эксплуатацию трансформаторов является основной задачей изготовителей для решения которой необходимо: снизить расход активных материалов при использовании...
48654. МЕХОВЫЕ ТОВАРЫ 13.31 MB
  Топография и химический состав шкурки стр. Меховые товары – это пушно-меховые и овчинно-шубное сырье шкурки выделанные меховые и овчинно-шубные изделия. Меховые товары невыделанные шкурки пушно-меховое сырьё и выделанные шкурки пушно-меховой полуфабрикат объединяются в группу пушно-меховые товары. Ценность меховых товаров определяется четырьмя основными свойствами которыми обладают пушно-меховые шкурки: высокими теплозащитными...
48655. Робота з программами навчального призначення: іноземна мова, математика 341.5 KB
  Запустив програму MS Word 2007. Щоб запустити програмуперекладач треба натиснути на рецензированиеперевод і вставити текст.Скопіював переклад у буферізакрив програму перекладач і вставив переклад у свій документ.
48656. Порівняння заробітної плати в Україні та інших країнах світу 242 KB
  Нарешті необхідність належної збалансованості економічних інтересів учасників виробництва потребує збільшення частки оплати праці у структурі суспільного продукту. Отже для розвитку економіки збільшення інвестицій необхідне зростання рівня оплати праці. Актуальність теми дослідження зумовлена необхідністю наближення рівня продуктивності працізаробітної плати і доходів найманих працівників до рівня розвинутих країн. Це зумовлює необхідність здійснення системного дослідження оплати праці в Україні та інших країнах світу.