控制系統的帶寬與二階系統的簡單定性理解


先上自動控制原理上面的定義:

  當控制系統的幅頻特性下降到比零頻率幅值低3dB時,所對應的頻率為帶寬頻率,簡稱帶寬。

  系統的帶寬反應了系統響應的快速性,也反映了對輸入信號的復現能力。帶寬大,系統的響應越快咯,但是帶寬過寬,那么現實世界中的噪聲會引入系統,造成不利影響。

這么說也許過於抽象,不知諸位看客是否想過為什么奈奎斯特穩定判據和對數穩定判據是研究單環系統的開環傳遞函數的特性呢?研究開環系統的幅頻特性為什么是有必要的呢?

  因為開環傳函影響的是系統的反饋特性!

  因為開環傳函影響的是系統的反饋特性!

  因為開環傳函影響的是系統的反饋特性!

  重要的事情就不免俗地說三遍啦。

  對於正弦信號而言,開環傳遞函數的幅頻特性實際上反映的是反饋回來的信號的放大倍數(也可能是縮小)和相角延遲。這個和系統的穩定性有着密切的關系。如果反饋回來的信號為-180°,並且增益也比較大(大於等於1),那么系統就自然不會穩定。然而在實際系統中,由於功率(能量)的限制,噪聲的影響,自激振盪這種典型的不穩定狀態就很好解釋了。請見下面的例子。

 

  系統截止頻率對應的相角與-180°相差的度數成為相角裕度,為何?因為倘若系統截止頻率處的相移為-180°,則系統將處於自激振盪狀態。舉個簡單的例子:前向通道和反饋通道分別為積分環節,則有

 

>> fw = tf(1 , [1 , 0]);
>> fd = fw ;
>> sys = feedback(fw , fd );
>> impulse(sys)

 

  結果如上圖所示,系統的響應為以截止頻率振盪的正弦波,因為存在脈沖輸入能量,才能夠使系統產生輸出。在實際物理電路系統中,存在電源和噪聲,在這種正反饋機制下,很容易就產生了自激振盪,而又受制於實際功率和電壓幅值的影響,系統的輸出不可能為無窮大,從而可以用於固定頻率等幅振盪信號的產生。

  再來簡單定性分析一下二階系統的響應特性:

  系統:2/(s2+2s+2)——注意到這里分子為2,為了保證閉環增益相同嘛。

  該系統存在兩個輻角各位135°和225°的極點,相當於在系統的快速性和響應振盪性兩個性質之間做了一定的折衷考慮,所以雖然存在超調,但是穩定的速度也比較快:

 

  系統:1/(s2+0.1s+1)

  該系統的兩個極點的復數分量相對於實部分量大得多,所以振盪比較厲害。

  系統:1/(s2+1)

  該系統只有兩個相同的極點,所以不存在振盪,慢慢地趨近穩態值。

  說到這里就不得不提阻尼比這個概念了,我猜這個概念的實際意義就是穩態分量相比於振盪分量的一個參考比,且阻尼比大於等於1時基本上就沒有振盪分量的事兒了。當然這只是定性分析。

  注:以上伯德圖是閉環系統的哦,不是系統的開環幅頻特性,我比較懶,就沒改了。

 


免責聲明!

本站轉載的文章為個人學習借鑒使用,本站對版權不負任何法律責任。如果侵犯了您的隱私權益,請聯系本站郵箱yoyou2525@163.com刪除。



 
粵ICP備18138465號   © 2018-2025 CODEPRJ.COM