Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Цель работы: д ля звеньев, заданных передаточными функциями, выбираемыми из табл. 1 прил. 2, построить частотные характеристики при различных постоянных времени и коэффициента усиления с нулевыми начальными условиями: задав значения коэффициентов пропорциональности k и постоянных времени T ; изменив значение k с прежним T ; изменив значение T с первоначальным k . Параметры звеньев выбираются из табл. 2 прил. 2 в зависимости от варианта, задаваемого преподавателем.

3 .1 Теоретические сведения

В условиях реальной эксплуатации САР часто возникает необходимость определить реакцию на периодические сигналы, т.е. определить сигнал на выходе САР, если на один из входов подается периодически сигнал гармонической формы. Решение этой задачи возможно получить путем использования частотных характеристик. Различия между параметрами входных и выходных гармонических сигналов не зависят от амплитуды и фазы входного сигнала, а определяется только динамическими свойствами самого объекта и частотой колебаний. Поэтому в качестве динамических характеристик объекта используют частотные характеристики: амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) – А ( w ); фазовая частотная характеристика (ФЧХ) – j ( w ) и амплитудно-фазовая частотная характеристика (АФЧХ) – W ( j w ).

Если задана передаточная функция W ( p ) , то путём подставки p = j w получаем частотную передаточную функцию W ( j w ), которая является комплексным выражением, т.е. Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик, где Re ( w ) – вещественная составляющая, а Im ( w ) – мнимая составляющая. Частотная передаточная функция может быть представлена в показательной форме:

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик или Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик,

где Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик – модуль; Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик – аргумент; Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик – действительная часть; Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик – мнимая часть частотной передаточной функции W ( j w ) рис. 1.

Рисунок 1. Частотная

передаточная функция на

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Таким образом, для определенной частоты имеем вектор на комплексной плоскости, который характеризуется модулем A и аргументом j . Модуль представляет собой численное отношение амплитуды выходного гармонического сигнала к амплитуде входного сигнала. Аргумент представляет собой сдвиг по фазе выходного сигнала по отношению к входному сигналу. При этом отрицательный фазовый сдвиг представляется вращением вектора на комплексной плоскости по часовой стрелке относительно вещественной положительной оси, а положительный фазовый сдвиг представляется вращением против часовой стрелки.

Алгоритм построения частотных характеристик

1. Получить выражение для передаточной функции исследуемого объекта.

2. В передаточной функции заменить р на j w .

3. Освободиться от старших степеней j , используя следующие правила:

4. В знаменателе передаточной функции сгруппировать члены содержащие и не содержащие j .

5. Освободиться от иррациональности в знаменателе. Для этого числитель и знаменатель домножить на выражение, сопряженное выражению в знаменателе относительно j .

6. В числителе передаточной функции сгруппировать члены содержащие и не содержащие j .

8. Рассчитать все частотные характеристики и построить их графики.

1. Записать передаточную функцию исследуемого звена с нулевыми начальными условиями.

2. Выделить действительную и мнимую части.

3. Построить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) звена.

4. Построить фазово-частотную характеристику (ФЧХ) звена.

5. Построить амплитудно-фазовую частотную характеристику (АФЧХ) звена.

3.3 Примеры расчета

Для звеньев, заданных передаточными функциями

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик , Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик,

построить частотные характеристики при различных значениях постоянных времени и коэффициента усиления.

Пример 1. Рассмотрим реальное дифференцирующее звено.

1. Передаточная функция реального дифференцирующего звена: Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик, откуда Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик – амплитудно-фазовая частотная характеристика.

2. Освобождаемся от иррациональности в знаменателе. Для этого числитель и знаменатель домножаем на Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик, получим:

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик ,

откуда Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик.

Получили: Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик.

3. Подставляя значения k = 2, T = 3 , строим амплитудно-фазовую частотную характеристику при w , изменяющемся от 0

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Рисунок 2. Амплитудно-фазовые частотные характеристики

реального дифференцирующего звена

4. Амплитудная частотная характеристика:

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

5. Задаваясь значениями w из интервала от 0 до 6, с шагом 0,1, строим амплитудно-частотную характеристику (рис. 3).

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Рисунок 3. Амплитудно-частотные характеристики

реального дифференцирующего звена

6. Фазовая частотная характеристика имеет вид:

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик .

7. Задаваясь значениями w из интервала от 0 до 6, с шагом 0,1, строим фазово-частотную характеристику рис. 4.

8. Изменяя значение k = 4 , при прежнем T = 3 , строим амплитудно-фазовую частотную характеристику при w , изменяющемся от 0 до ¥ (см. рис. 2).

9. Амплитудная частотная характеристика при w от 0 до 6, с шагом 0,1 рис. 3.

10. Так как фазовая частотная характеристика имеет вид: Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик, т.е. не зависит от коэффициента усиления, то график фазово-частотной характеристики при изменении коэффициента усиления меняться не будет (см. рис. 4).

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Рисунок 4. Фазовые частотные характеристики

реального дифференцирующего звена

11. Изменяя значение T = 1 , при первоначальном , k = 2 строим амплитудно-фазовую частотную характеристику при w , изменяющемся от 0 до ¥ (см. рис. 2).

12. Амплитудная частотная характеристика при w от 0 до 6, с шагом 0,1 (см. рис. 3).

13. Фазово-частотная характеристика при w от 0 до 6, с шагом 0,1 (см. рис. 4).

Пример 2. Рассмотрим апериодическое звено второго порядка.

1. Передаточная функция апериодического звена второго порядка: Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик. Заменив р на jω , получим: Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик – амплитудно-фазовая частотная характеристика.

2. Освобождаемся от иррациональности в знаменателе. Для этого числитель и знаменатель домножаем на Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик, получим:

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

откуда Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик.

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик , Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик.

3. Подставляя значения k = 2, T 1 = 3, T 2 = 5 , строим амплитудно-фазовую частотную характеристику при w , изменяющемся от 0 до ¥ (рис. 5).

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Рисунок 5. Амплитудно-фазовые частотные характеристики

апериодического звена второго порядка

4. Амплитудная частотная характеристика:

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик Задаваясь значениями w из интервала от 0 до 7 с шагом 0,1, строим амплитудно-частотную характеристику, (см. рис. 7).

5. Фазовая частотная характеристика имеет вид:

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик Задаваясь значениями w из интервала от 0 до 7 с шагом 0,1, строим фазово-частотную характеристику (рис. 6).

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Рисунок 6. Фазово-частотные характеристики

апериодического звена второго порядка

Изменяя значение k = 4, при прежнем T 1 = 3, T 2 = 5, строим амплитудно-фазо-частотную характеристику при w , изменяющемся от 0 до ¥ (см. рис. 5).

6. Амплитудно-частотная характеристика при w от 0 до 7 с шагом 0,1 (рис. 7).

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Рисунок 7. Амплитудно-частотные характеристики

апериодического звена второго порядка

7. Так как фазовая частотная характеристика имеет вид:

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик ,

т.е. не зависит от коэффициента усиления, то фазово-частотная характеристика не изменится (см. рис. 6).

8. Изменяя значения T 1 = 1, T 2 = 2 , при первоначальном , k = 2 строим амплитудно-фазо-частотную характеристику при w , изменяющемся от 0 до ¥ (см. рис. 5).

9. Амплитудная частотная характеристика при w от 0 до 7 с шагом 0,1 (см. рис. 7).

10. Фазово-частотная характеристика при w от 0 до 6 с шагом 0,1 (см. рис. 6).

1. Назовите динамические характеристики объекта?

2. В каких формах может быть представлена частотная передаточная функция?

3. Как представляется частотная передаточная функции на комплексной плоскости?

4. Дать определение амплитудно-частотной характеристике.

5. Дать определение фазовой частотной характеристике.

6. Каков алгоритм построения частотных характеристик?

Видео:c03 8, Динамические звенья 1: амплитудно фазовая частотная характеристикаСкачать

c03 8, Динамические звенья 1: амплитудно фазовая частотная характеристика

Лабораторная работа № 3 «Экспериментальное построение амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик системы»

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

«Экспериментальное построение амплитудно-частотной

и фазо-частотной характеристик системы»

Ознакомиться на примере математической модели системы с принципом экспериментального построения графиков АЧХ и ФЧХ системы для дальнейшего их анализа.

2. УКАЗАНИЯ К САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЕ

При подготовке к лабораторной работе необходимо изучить тему: «Типовые динамические звенья» по литературе [1], [2]. Составить схемы моделей динамических звеньев в соответствии с вариантом задания.

3. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Пусть задано описание передаточной функции системы

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик. (3.1)

Сделав преобразование Фурье (Лапласа), можно получить следующее описание

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик(3.2)

Комплекснозначная функция Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикназывается комплексной частотной характеристикой системы (КЧХ) или амплитудно-фазовой частотной характеристикой (АФЧХ).

Обозначив модули соответствующих функций

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикНайти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик,

можно получить следующее описание

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик(3.3)

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик(3.4)

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик(3.5)

Функции Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристики Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикопределяемые зависимостями (3.4), (3.5), называются соответственно амплитудно-частотной (АЧХ) и фазочастотной (ФЧХ) характеристиками.

Если передаточная функция представлена полиномиальным выражением в виде (3.1), то АФЧХ системы можно представить следующим образом

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик(3.6)

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик(3.7)

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик, (3.8)

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик, Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик– действительные части соответствующих полиномов числителя и знаменателя;

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик, Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик– мнимые части полиномов числителя и знаменателя.

Функции Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристики Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикназываются соответственно действительной и мнимой частотными характеристиками.

Из (3.6) с учетом (3.7) и (3.8) можно записать выражения для АЧХ и ФЧХ

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик(3.9)

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик(3.10)

На рис. 3.1 представлены типовые АЧХ и ФЧХ системы.

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Рис. 3.1. АЧХ и ФЧХ системы

Частотные характеристики определяются следующими показателями:

· показатель колебательности Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик— характеризует склонность системы к колебаниям: чем выше Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристиктем менее качественна система (как правило, в реальных системах Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик);

· резонансная частота Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик— частота, при которой АЧХ имеет максимум (на этой частоте гармонические колебания имеют наибольшее усиление);

· полоса пропускания системы — интервал от Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикдо Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикпри котором выполняется условие

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик(3.11)

· частота среза — частота, при которой АЧХ системы принимает значение, равное Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикт. е.

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик(3.12)

(на рис. 3.1 условно принято Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик).

Частота среза косвенно характеризует длительность переходного процесса; справедливо соотношение

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик(3.13)

Таким образом, можно сделать важный вывод: чем шире полоса пропускания, тем система является более быстродействующей.

Далее рассмотрим закон преобразования гармонических сигналов линейными системами, имеющими Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик— АЧХ и Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик— ФЧХ (рис. 3.2).

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Рис. 3.2. Преобразование гармонических сигналов

Имеем (рассматривается установившийся режим работы системы, для чего верхний предел интегрирования берется равным ¥)

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик(3.14)

Результат имеет вид

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик(3.15)

Результат (3.15) можно трактовать так: если на вход системы подается косинусоидальный сигнал с амплитудой Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикто на выходе в установившемся режиме имеет место также косинусоидальный сигнал с той же частотой, но уже с другими амплитудой и фазой: амплитуда выхода равна Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристика сигнал имеет сдвиг фазы

Полученный факт используют для экспериментального определения Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристики Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикДля определения одной точки Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристики Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикна вход системы надо подать гармоническое воздействие

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик(3.16)

имеющее конкретную угловую частоту Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

В результате в системе возникнет переходный процесс (имеет место составляющая Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик) и установившиеся колебания с частотой Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикПосле затухания переходного процесса (т. е. в установившемся режиме), если система устойчива Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикНайти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик, на выходе будут иметь место установившиеся колебания с частотой Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикравной частоте воздействия, но отличающиеся по амплитуде и фазе. Одна точка АЧХ ( Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристики Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик) определяется зависимостями

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик(3.17)

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик— сдвиг фазы выходного сигнала по отношению ко входу. Аналогично можно построить все точки АЧХ и ФЧХ (рис. 3.3).

Логарифмической амплитудно-частотной характеристикой (ЛАЧХ или ЛАХ) системы называется график функции Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристиквида

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик(3.18)

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик(3.19)

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик(3.20)

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Рис. 3.3. Экспериментальное определение частотных характеристик
динамической системы (динамического звена):
а — система или звено; б — процессы на входе и выходе

Единицей измерения является децибел. По оси абсцисс откладывается частота w [с–1] в логарифмическом масштабе (рис. 3.4). Равномерной единицей на оси абсцисс является декада. Декада представляет собой промежуток, на котором значение частоты увеличивается в 10 раз (рис. 3.4).

Частота Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикна которой Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикпересекается с осью абсцисс, называется частотой среза. Поскольку Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикто начало координат чаще всего берется в точке Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик(исключая точку Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристиктак как Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик). Таким образом, начало координат можно брать в любой точке (в зависимости от интересующего нас диапазона частот, например: Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикили другие), исключая точку Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикОбычно начало координат помещают в точке Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Логарифмической фазовой частотной характеристикой (ЛФЧХ или ЛФХ) называется график зависимости

При построении логарифмической фазовой частотной характеристики отсчет углов j идет по оси ординат в обычном масштабе в угловых градусах. По оси абсцисс откладывается по-прежнему частота Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикв логарифмическом масштабе.

Важно иметь в виду, что ось абсцисс соответствует значению Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикт. е. прохождению амплитуды входного сигнала через звено в натуральную величину. Верхняя полуплоскость ЛАЧХ соответствует значениям Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик(усиление амплитуды), а нижняя полуплоскость — значениям Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик(ослабление амплитуды).

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Рис. 3.4. Логарифмические частотные характеристики

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

4.1. Ознакомиться с теоретической частью.

4.2. В соответствии с вариантом задания (см. табл. 3.1) промоделировать работу системы – колебательного звена, получив выходной сигнал системы на поданное на вход синусоидальное воздействие. Параметрами входного синусоидального сигнала выбрать начальную фазу, равную нулю и амплитуду, равную единице. Таким образом, Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик. Начальные условия нулевые. На монитор выводить графики сигналов Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристики Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик. Продолжительности интервалов наблюдения выбрать самостоятельно, чтобы в окно попадал интервал сигнала, превышающий время установления колебаний, но не менее 300 с. Для построения графиков функций можно воспользоваться скриптами из лабораторной работы № 1, модифицировав систему дифференциальных уравнений в соответствии с заданием.

Видео:9) ТАУ для чайников. Части 3.7 и 3.8: Частотные характеристики.Скачать

9) ТАУ  для чайников. Части 3.7 и 3.8: Частотные характеристики.

3. Частотные характеристики систем автоматического управления (АФЧХ, ЛАХ, ФЧХ) ч. 3.1

Лекции по курсу «Управление Техническими Системами» читает Козлов Олег Степанович на кафедре «Ядерные реакторы и энергетические установки» факультета «Энергомашиностроения» МГТУ им. Н.Э. Баумана. За что ему огромная благодарность!

Данные лекции готовятся к публикации в виде книги, а поскольку здесь есть специалисты по ТАУ, студенты и просто интересующиеся предметом, то любая критика приветствуется.

В этом разделе мы будем изучать частотные характеристики. Тема сегодняшней статьи:
3.1. Амплитудно-фазовая частотная характеристика: годограф, АФЧХ, ЛАХ, ФЧХ

Будет интересно, познавательно и жестко.

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Видео:Понятия: амплитудно-частотная, фазо-частотная характеристики - часть 10Скачать

Понятия: амплитудно-частотная, фазо-частотная характеристики - часть 10

3.1. Амплитудно-фазовая частотная характеристика: годограф АФЧХ, ЛАХ, ФЧХ

Определение: Частотными характеристиками называются формулы и графики, характеризующие реакцию звена (системы) на единичное синусоидальное воздействие в установившемся режиме, т.е. в режиме вынужденных гармонических колебаний звена (системы).

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Формула синусоидального воздействия может быть записана как:

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик— сдвиг фазы (нередко называют — фаза);
Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик— амплитуда;
Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикт.е. амплитуда на выходе звена(системы) и сдвиг фазы зависят от частоты входного воздействия x(t).

Используем показательную форму записи функции единичного гармонического воздействия и отклика на это воздействие (рис. 3.1.1):

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Определим связь между передаточной функцией и гармоничным воздействием, пользуясь показательной формой.
Рассмотрим звено уравнение динамики которого имеет следующий вид:

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

В показательной форме:

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Запишем в показательной Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикформе используя соотношения 3.1.1:

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Подставим эти соотношения в (3.1.1) получим:

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Поскольку Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик(амплитуда на выходе звена(системы) и сдвиг фазы зависят от частоты входного воздействия), то можно записать:

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

если вспомнить, что в преобразования Лапласа Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик, то:

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Получаем выражение для передаточной функции

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик— Амплитудно-фазовая частотная характеристика (АФЧХ)
Иногда Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикназывают частотной передаточной функцией.
Модуль АФЧХ= Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристиктождественно равен амплитуде выходного сигнала:

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Сдвиг фазы выходного сигнала:

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Обычно АФЧХ Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикизображается на комплексной плоскости. Формулы (3.1.6) и (3.1.7) позволяют изобразить Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикв полярных координатах Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик
Так же можно изображать в традиционных декартовых координатах:

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Если использовать для представления W(s) форму W(s)=K·N(s)/L(s), где L(s)- полиномы по степеням s, (причем свободные члены равны 1), а К – общий коэффициент усиления звена (системы), то

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Сдвиг фазы Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикможно определить по виду многочленов Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристики Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик(см. формулу (3.1.9)) т.е. как разность фаз (аргументов) числителя и знаменателя:

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Постоим АФЧХ для «абстрактного» звена (системы) с передаточной функцией:

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Подставляя в формулу различные значения Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик, получаем набор векторов, на комплексной плоскости

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Рассмотрим действительную и мнимую части полученных векторов Из рисунка 3.1.3 видно, что:

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Амплитуда и сдвиг фазы рассчитываются для векторов, соответствующих положительным частотам и лежащих в 4 квадранте Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикпо формулам:

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

В общем случае для любых углов сдвига необходимо учитывать переход между квадрантами на плоскости. Тогда формула принимает вид:

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

где:
j = 0, 2, 3, 4. если вектор в I и IV квадрант;
j = 1, 3, 4, 4. если вектор в II и III квадранте.

Во всех технических системах отклик системы, как правило, отстает от входного воздействия, то есть сдвиг фазы всегда отрицательный. Исходя из формулы 3.1.10, степень полинома L(s) выше, чем полинома N(s). Поскольку обычно степень полинома L(s) выше, чем полинома N(s), то с увеличением частоты на входе в звено (в систему) сдвиг фазы обычно отрицателен, т.е. сигнал на выходе звена еще больше отстает по фазе от входного сигнала при увеличении частоты.
В предельном случае, если частота растет до бесконечности, мы можем вообще не получить выходного воздействия. Обычно при ω→ ∞ величина амплитуды на выходе звена стремится к 0, то есть lim A(ω→∞) = 0.

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикпри замене Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикна Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикимеет зеркальное изображение.

Анализируя годографы АФЧХ при Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик> 0 (сплошная линия на рисунке 3.1.3) и при Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикРисунок 3.1.4 – «Зеркальная» симметрия относительно оси ординат.

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Кроме анализа свойств звена (системы) по годографу АФЧХ, широкое распространение получили анализ логарифмической амплитудной характеристики (ЛАХ) и фазочастотной характеристики (ФЧХ).

ЛАХ определяется как Lm(ω)=20lgA(ω).

Поскольку зачастую удобнее использовать десятичные логарифмы (lg), чем натуральные(ln), в теории управления (также и в акустике) значительно чаще используется специальная единица – децибел (1/10 часть Бела):
+1Бел – единица, характеризующая увеличение в 10 раз.
+1дБ (децибел) – соответствует увеличению в Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикраз.

В формуле Lm(ω)=20lgA(ω) величина Lm(ω) измеряется также в децибелах. Происхождение множителя 20 таково: A(ω) – амплитуда, линейная величина, а мощность — квадратичная величина (например, напряжение в сети измеряется в Вольтах, а мощность (Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик) пропорциональна квадрату напряжения, поэтому в формуле для Lm(ω) стоит множитель 20 (чтобы привести ЛАХ (Lm(ω)) к традиционной мощностной характеристике).

Если Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикбольше Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикна 20 дБ, то это означает, амплитуда Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикбольше амплитуды Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикв 10 раз, Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Окончательно: Lm(ω)=20lg│W(iω)│= 20lgA(ω)

Из этого следует, что +1 децибел (+1 дБ) соответствует увеличению амплитуды в Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикраз (очень малая величина); -1 дБ – уменьшение амплитуды в Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристикраз.

Графики A(ω) и φ(ω) имеют вид:

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Учитывая, что “ω” обычно изменяется на порядки и значение A(ω) – также на порядки, график Lm(ω) строится, фактически, в логарифмических координатах, т.е. Lm(ω) =Lm(lg(ω)), например:

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Наклон (– 40 дБ/дек) соответствует уменьшению амплитуды в 100 раз при увеличении частоты в 10 раз.

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Рассмотренные характеристики Lm(ω), то есть ЛАХ и ФЧХ имеют широкое распространение при анализе динамических свойств звена (системы), например, при анализе устойчивости САР (см. раздел “Устойчивость систем автоматического управления”).

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Рисунок 3.1.10 – пример ЛАХ и ФЧХ для сложной системы

Пример 1

В качестве примера построим АФЧХ для демпфера, модель которого разобрана в этой статье. . Добавим на схему блок «Построение частотных характеристик», в качестве входа возьмем возмущающее воздействие, в качестве выхода — положение положение груза. Для наглядности иллюстрации примем в качестве выхода положение в миллиметрах (х1000), поскольку модель у нас размерная и результат получается в метрах уже достаточно маленьким примерно 0.004 метра. см. рис. 3.11

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Параметры блока «Построение частотных характеристик» приведены на рисунке 3.1.12, для иллюстрации зависимости АЧХ и ЛАХ. Результат работы блока — график с выбранными параметрами — изображен на рисунке 3.1.13:

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Анализ графика в линейном масштабе по ω чаще всего не очень удобен, поскольку весь график собирается в узкой области, а дальше график абсолютной амплитуды практически сливается с 0. Если мы хотим исследовать частоты хотя бы до 1000 Гц, мы увидим практически вертикальные и горизонтальные прямые. Изменения масштаба шкалы АЧХ и ω на логарифмический дает возможность лучше исследовать частотные характеристики (см. рис. 3.1.14).

На рисунке 3.1.14 представлены частотные характеристики демпфера в логарифмическом масштабе и иллюстрация соотношения между абсолютной величиной амплитуды АФЧХ и ЛАХ в децибелах.

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Пример 2

Постоим частотные характеристики для чуть более сложной модели, а именно — для гидравлического демпфера, рассмотренного в предыдущей лекции.

Для начала посмотрим на модель в виде блоков.

Модель, подготовленная для анализа, представлена на рисунке 3.1.15. В отличие от исходной модели, описанной ранее, входное воздействие задается блоком «ступенька» с скачком с 0 до 1 на 10 секунде расчёта. В блоке «линейная функция» происходит пересчет сигнала «ступенька»:
0 — соответствует 200 бар в камере (конечное состояние в предыдущем примере)
1 — соответствует 400 бар в камере.
Это сделано для того, чтобы можно было подавать синусоидальный сигнал и не получать отрицательное давление в камере плунжера. Также для наглядности графика мы усиливаем выходное перемещение, переводя его из метров в миллиметры.

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Частотные характеристики, получаемые в конце расчёта, приведены на рисунке 3.1.16. Видно что характеристики отличаются от простого пружинного демпфера (сравните с 3.1.14)

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Блок «Построение частотных характеристик» осуществляет расчет характеристик для линеаризованной модели в окрестности заданной точки. Это означает, что частотные характеристики системы в разные моменты времени могут отличаться для нелинейных моделей. Например, в нашем случае характеристики в начале расчёта будут отличаться от характеристик, полученных в конце расчёта.

Для подробных и нелинейных моделей, блок «Построение частотных характеристик» может не работать из за наличия разрывов и нелинейностей в модели. Как например, для «точной» модели демпфера, которую мы проверяли в предыдущей статье. В этом случае возможно построить частотные характеристики непосредственно моделированием, путем подачи синусоидального сигнала с разной частотой и измерения отклика. В SimInTech для этого используется блок «Гармонический анализатор», который подключается ко входу модели и генерирует синусоидальное воздействие. В этот же блок направляется отклик системы, и производится вычисление необходимых параметров для построения различных характеристик системы, которые можно вывести на графики с помощью блока «фазовый портрет».

Модель гидравлического демпфера, собранного из библиотечных блоков SimInTech, представлена на рисунке 3.1.7

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Расчеты с моделью показывают, что при сохранении общего вида графиков значения, полученные для «подробной модели», отличаются от линеаризованной модели (см. рис. 3.18 — 3.19)

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Использование прямого моделирования для получения характеристик является более надежным способом и работает не только с линейными моделями, но также может быть применимо для построения характеристик некоторых реальных объектов, если их можно подключить к среде моделирования и воздействовать в реальном режиме времени. Однако затраты на вычисления значительно будут больше. Например, для получения характеристик демпфера пришлось выполнить процесс в 40 000 секунд модельного времени, на обычном компьютере это заняло порядка 35 минут. График процесса перемещения плунжера в процессе вычисления характеристик приведен на рисунке 3.1.20.

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Блок «Гармонический анализатор» имеет выходы:
Re(w*t) – текущее значение действительной части амплитудно-фазовой частотной характеристики исследуемой системы;
Im(w*t) – текущее значение мнимой части амплитудно-фазовой частотной характеристики.
Это позволяет построить годограф исследуемой системы с помощью фазового портрета. (см. рис. 3.1.21)

Найти уравнение движения и построить графики амплитудно частотной фазо частотной характеристик

Модели, использованные для иллюстрации в лекции можно взять здесь…

🔥 Видео

Теория автоматического регулирования. Лекция 4. Частотные характеристики САУСкачать

Теория автоматического регулирования. Лекция 4. Частотные характеристики САУ

ТОЭ - Расчет RC цепи. Найти коэффициент передачи H(jw), построить график АЧХСкачать

ТОЭ - Расчет RC цепи. Найти коэффициент передачи H(jw), построить график АЧХ

Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики(АЧХ и ФЧХ) последовательной RLC цепи. ЗадачаСкачать

Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики(АЧХ и ФЧХ) последовательной RLC цепи. Задача

Амплитудно фазовая характеристикаСкачать

Амплитудно фазовая характеристика

Расчёт и построение амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристики RLC цепиСкачать

Расчёт и построение амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристики RLC цепи

Уравнение движенияСкачать

Уравнение движения

Частотные характеристики | Утро с теорией управления, лекция 5Скачать

Частотные характеристики | Утро с теорией управления, лекция 5

Уравнения и графики механических гармонических колебаний. 11 класс.Скачать

Уравнения и графики механических гармонических колебаний. 11 класс.

Логарифмическая амплитудная характеристика САУ: построение ЛАХ для конкретной системыСкачать

Логарифмическая амплитудная характеристика САУ: построение ЛАХ для конкретной системы

3-1. Частотные характеристики цепи 1 порядкаСкачать

3-1. Частотные характеристики цепи 1 порядка

23) Построение Л.А.Ч.Х. и Л.Ф.Ч.Х. системы по её передаточной функцииСкачать

23) Построение Л.А.Ч.Х. и Л.Ф.Ч.Х. системы по её передаточной функции

MatLab. Амплитудно-частотные характеристики динамической системы.Скачать

MatLab. Амплитудно-частотные характеристики динамической системы.

Физика - уравнения равноускоренного движенияСкачать

Физика - уравнения равноускоренного движения

Урок 15. Решение задач на графики движенияСкачать

Урок 15. Решение задач на графики движения

10 класс, 43 урок, Уравнение касательной к графику функцииСкачать

10 класс, 43 урок, Уравнение касательной к графику функции

Уравнения и графики механических гармонических колебаний. Практ. часть - решение задачи. 11 класс.Скачать

Уравнения и графики механических гармонических колебаний. Практ. часть - решение задачи. 11 класс.

Выполнялка 53.Гармонические колебания.Скачать

Выполнялка 53.Гармонические колебания.
Поделиться или сохранить к себе: