stringtranslate.com

Реакция на шаг

Типичная реакция на скачок для системы второго порядка, иллюстрирующая перерегулирование , за которым следует звон , все затухает в течение времени установления .

Реакция на скачок системы в заданном начальном состоянии состоит из временной эволюции ее выходов, когда ее управляющие входы являются ступенчатыми функциями Хевисайда . В электронной инженерии и теории управления реакция на скачок — это временное поведение выходов общей системы , когда ее входы изменяются от нуля до единицы за очень короткое время. Концепция может быть расширена до абстрактного математического понятия динамической системы с использованием параметра эволюции .

С практической точки зрения, знание того, как система реагирует на внезапный вход, важно, поскольку большие и, возможно, быстрые отклонения от долгосрочного устойчивого состояния могут иметь экстремальные эффекты на сам компонент и на другие части всей системы, зависящие от этого компонента. Кроме того, вся система не может действовать, пока выход компонента не установится в некоторой близости от его конечного состояния, задерживая общую реакцию системы. Формально, знание реакции на скачок динамической системы дает информацию об устойчивости такой системы и о ее способности достигать одного стационарного состояния при старте из другого.

Формальное математическое описание

Рисунок 4: Представление динамической системы в виде черного ящика, ее входных данных и ее реакции на скачок.

В этом разделе дается формальное математическое определение переходной характеристики в терминах абстрактной математической концепции динамической системы : здесь перечислены все обозначения и допущения, необходимые для последующего описания.

Нелинейная динамическая система

Для общей динамической системы реакция на скачок определяется следующим образом:

Это функция эволюции , когда управляющие входы (или исходный член , или форсирующие входы) являются функциями Хевисайда: нотация подчеркивает эту концепцию, указывая H ( t ) в качестве нижнего индекса.

Линейная динамическая система

Для линейного инвариантного во времени (LTI) черного ящика, для удобства записи, пусть: реакция на скачок может быть получена путем свертки функции управления скачка Хевисайда и импульсной реакции h ( t ) самой системы

что для системы LTI эквивалентно простому интегрированию последнего. Наоборот, для системы LTI производная от ступенчатой ​​реакции дает импульсную реакцию:

Однако эти простые соотношения не верны для нелинейной или изменяющейся во времени системы . [1]

Временная область против частотной области

Вместо частотной характеристики производительность системы может быть определена в терминах параметров, описывающих зависимость реакции от времени. Реакция на скачок может быть описана следующими величинами, связанными с ее поведением во времени ,

В случае линейных динамических систем, многое можно вывести о системе из этих характеристик. Ниже представлена ​​реакция на скачок простого двухполюсного усилителя, и некоторые из этих терминов проиллюстрированы.

В системах LTI функция, которая имеет самую крутую скорость нарастания, не создающую перерегулирования или звона, — это функция Гаусса. Это потому, что это единственная функция, преобразование Фурье которой имеет ту же форму.

Усилители обратной связи

Рисунок 1: Идеальная модель отрицательной обратной связи; коэффициент усиления разомкнутой цепи равен A OL , а коэффициент обратной связи равен β.

В этом разделе описывается реакция на скачок простого усилителя с отрицательной обратной связью, показанного на рисунке 1. Усилитель с обратной связью состоит из основного усилителя с разомкнутой петлей усиления A OL и петли обратной связи, регулируемой коэффициентом обратной связи β. Этот усилитель с обратной связью анализируется для определения того, как его реакция на скачок зависит от постоянных времени, управляющих реакцией основного усилителя, и от величины используемой обратной связи.

Усилитель с отрицательной обратной связью имеет коэффициент усиления, определяемый выражением (см. усилитель с отрицательной обратной связью ):

где A OL = коэффициент усиления разомкнутой цепи , A FB = коэффициент усиления замкнутой цепи (коэффициент усиления при наличии отрицательной обратной связи) и β = коэффициент обратной связи .

С одним доминирующим полюсом

Во многих случаях прямой усилитель можно достаточно хорошо смоделировать в терминах одного доминирующего полюса постоянной времени τ, так что его коэффициент усиления в разомкнутом контуре определяется выражением:

с нулевым коэффициентом усиления частоты A 0 и угловой частотой ω = 2π f . Этот прямой усилитель имеет единичную реакцию на скачок

,

экспоненциальный подход от 0 к новому равновесному значению A 0 .

Передаточная функция однополюсного усилителя приводит к коэффициенту усиления замкнутой цепи:

Этот коэффициент усиления с замкнутой петлей имеет ту же форму, что и коэффициент усиления с разомкнутой петлей: однополюсный фильтр. Его ступенчатая реакция имеет ту же форму: экспоненциальный спад к новому равновесному значению. Но постоянная времени ступенчатой ​​функции с замкнутой петлей равна τ / (1 + β A 0 ), поэтому она быстрее, чем реакция прямого усилителя в 1 + β A 0 :

По мере увеличения коэффициента обратной связи β реакция на скачок будет становиться быстрее, пока первоначальное предположение об одном доминирующем полюсе не перестанет быть точным. Если есть второй полюс, то, поскольку постоянная времени замкнутого контура приближается к постоянной времени второго полюса, необходим двухполюсный анализ.

Двухполюсные усилители

В случае, когда коэффициент усиления разомкнутой цепи имеет два полюса (две постоянные времени , τ 1 , τ 2 ), реакция на скачок немного сложнее. Коэффициент усиления разомкнутой цепи определяется как:

с нулевым коэффициентом усиления частоты A 0 и угловой частотой ω = 2 πf .

Анализ

Передаточная функция двухполюсного усилителя приводит к коэффициенту усиления замкнутой цепи:

Рисунок 2: Расположение сопряженных полюсов для усилителя с двухполюсной обратной связью; Re( s ) — действительная ось, а Im( s ) — мнимая ось.

Временную зависимость усилителя легко обнаружить, переключив переменные на s = j ω, после чего коэффициент усиления становится:

Полюса этого выражения (то есть нули знаменателя) находятся в точках:

что показывает, что для достаточно больших значений βA 0 квадратный корень становится квадратным корнем отрицательного числа, то есть квадратный корень становится мнимым, а положения полюсов являются комплексно-сопряженными числами, либо s +, либо s ; см. рисунок 2:

с

и

Используя полярные координаты с величиной радиуса до корней, заданной как | s | (рисунок 2):

а угловая координата φ определяется по формуле:

Таблицы преобразований Лапласа показывают, что временная характеристика такой системы состоит из комбинаций двух функций:

то есть решения представляют собой затухающие колебания во времени. В частности, единичный шаг отклика системы равен: [2]

что упрощается до

когда A 0 стремится к бесконечности, а коэффициент обратной связи β равен единице.

Обратите внимание, что затухание отклика задается ρ, то есть постоянными времени усилителя с разомкнутой петлей. Напротив, частота колебаний задается μ, то есть параметром обратной связи через β A 0 . Поскольку ρ является суммой обратных величин постоянных времени, интересно отметить, что ρ доминирует более короткая из двух.

Результаты

Рисунок 3: Переходная характеристика линейного двухполюсного усилителя с обратной связью; время измеряется в единицах 1/ ρ , то есть в терминах постоянных времени A OL ; кривые построены для трех значений mu  =  μ , которое контролируется  β .

На рисунке 3 показана временная реакция на единичный шаг входного сигнала для трех значений параметра μ. Видно, что частота колебаний увеличивается с μ, но колебания заключены между двумя асимптотами, заданными экспонентами [ 1 − exp(− ρt ) ] и [ 1 + exp(−ρt) ]. Эти асимптоты определяются ρ и, следовательно, постоянными времени усилителя с разомкнутой петлей, независимо от обратной связи.

Явление колебания около конечного значения называется звоном . Выброс — это максимальный размах выше конечного значения, и он явно увеличивается с μ. Аналогично, выброс — это минимальный размах ниже конечного значения, снова увеличивающийся с μ. Время установления — это время, за которое отклонения от конечного значения опускаются ниже некоторого заданного уровня, скажем, 10% от конечного значения.

Зависимость времени установления от μ не очевидна, и приближение двухполюсной системы, вероятно, недостаточно точно, чтобы делать какие-либо реальные выводы о зависимости времени установления от обратной связи. Однако асимптоты [ 1 − exp(− ρt ) ] и [ 1 + exp (− ρt ) ] явно влияют на время установления, и они контролируются постоянными времени усилителя с разомкнутой петлей, особенно более короткой из двух постоянных времени. Это говорит о том, что спецификация времени установления должна быть выполнена путем соответствующей конструкции усилителя с разомкнутой петлей.

Два основных вывода из этого анализа таковы:

  1. Обратная связь управляет амплитудой колебаний относительно конечного значения для данного усилителя с разомкнутой петлей обратной связи и заданных значений постоянных времени разомкнутой петли τ 1 и τ 2 .
  2. Усилитель с разомкнутой петлей определяет время установления. Он устанавливает временную шкалу рисунка 3, и чем быстрее усилитель с разомкнутой петлей, тем быстрее эта временная шкала.

В качестве отступления можно отметить, что в реальном мире отклонения от этой линейной двухполюсной модели возникают из-за двух основных осложнений: во-первых, реальные усилители имеют более двух полюсов, а также нули; и, во-вторых, реальные усилители нелинейны, поэтому их переходная характеристика изменяется в зависимости от амплитуды сигнала.

Рисунок 4: Реакция на скачок для трех значений α. Вверху: α = 4; В центре: α = 2; Внизу: α = 0,5. При уменьшении α разделение полюсов уменьшается, а выброс увеличивается.

Контроль перерегулирования

Далее обсуждается, как можно контролировать перерегулирование путем выбора соответствующих параметров.

Используя приведенные выше уравнения, величину перерегулирования можно найти, дифференцируя реакцию на скачок и находя ее максимальное значение. Результат для максимальной реакции на скачок S max : [3]

Конечное значение реакции на скачок равно 1, поэтому экспонента — это фактическое превышение. Очевидно, превышение равно нулю, если μ = 0, что является условием:

Это квадратичное уравнение решается относительно отношения постоянных времени, устанавливая x = ( τ 1 / τ 2 ) 1/2 с результатом

Поскольку β A 0 ≫ 1, то 1 в квадратном корне можно отбросить, и результат будет таким:

На словах, первая постоянная времени должна быть намного больше второй. Чтобы быть более авантюрным, чем конструкция, не допускающая перерегулирования, мы можем ввести фактор α в приведенное выше соотношение:

и пусть α будет задано величиной допустимого перерегулирования.

Рисунок 4 иллюстрирует процедуру. Сравнение верхней панели (α = 4) с нижней панелью (α = 0,5) показывает, что более низкие значения для α увеличивают скорость отклика, но увеличивают выброс. Случай α = 2 (центральная панель) является максимально плоской конструкцией, которая не показывает пиков на графике усиления Боде в зависимости от частоты . Эта конструкция имеет встроенный запас прочности, основанный на правиле большого пальца, для работы с неидеальными реалиями, такими как множественные полюса (или нули), нелинейность (зависимость амплитуды сигнала) и производственные отклонения, любое из которых может привести к слишком большому выбросу. Регулировка разделения полюсов (то есть настройка α) является предметом частотной компенсации , и одним из таких методов является разделение полюсов .

Контроль времени установления

Амплитуда звона в переходной характеристике на рисунке 3 регулируется коэффициентом затухания exp(− ρt ). То есть, если мы укажем некоторое приемлемое отклонение переходной характеристики от конечного значения, скажем Δ, то есть:

это условие выполняется независимо от значения β A OL при условии, что время больше времени установления, скажем t S , определяемого по формуле: [4]

где τ 1  ≫ τ 2 применимо из-за условия управления перерегулированием, что делает τ 1  =  αβA OL τ 2 . Часто условие времени установления упоминается, говоря, что период установления обратно пропорционален полосе пропускания единичного усиления, потому что 1/(2 π  τ 2 ) близко к этой полосе пропускания для усилителя с типичной компенсацией доминирующего полюса . Однако этот результат точнее, чем это эмпирическое правило . В качестве примера этой формулы, если Δ = 1/e 4 = 1,8 %, условие времени установления равно t S  = 8  τ 2 .

В общем случае контроль перерегулирования устанавливает отношение постоянной времени, а время установления t S устанавливает τ 2 . [5] [6] [7]

Идентификация системы с использованием реакции на шаг: система с двумя реальными полюсами

Переходная характеристика системы с . Измерьте существенную точку , и .

Этот метод использует значимые точки реакции на скачок. Нет необходимости угадывать касательные к измеренному сигналу. Уравнения выводятся с использованием численного моделирования, определяя некоторые значимые соотношения и параметры подгонки нелинейных уравнений. См. также. [8]

Вот шаги:

Запас по фазе

Рисунок 5: График усиления Боде для поиска запаса по фазе; шкалы логарифмические, поэтому помеченные разделения являются мультипликативными факторами. Например, f 0 дБ = βA 0 × f 1 .

Далее, выбор полюсного отношения τ 1 / τ 2 связан с запасом по фазе усилителя обратной связи. [9] Применяется процедура, описанная в статье о диаграмме Боде . На рисунке 5 представлен график усиления Боде для двухполюсного усилителя в диапазоне частот до положения второго полюса. Предположение, лежащее в основе рисунка 5, заключается в том, что частота f 0 дБ лежит между самым нижним полюсом при f 1  = 1/(2πτ 1 ) и вторым полюсом при f 2  = 1/(2πτ 2 ). Как указано на рисунке 5, это условие выполняется для значений α ≥ 1.

Используя рисунок 5, можно найти частоту (обозначенную f 0 дБ ), при которой коэффициент усиления контура β A 0 удовлетворяет условию единичного усиления или 0 дБ, как определено формулой:

Наклон нисходящей части графика усиления составляет (20 дБ/декада); при каждом десятикратном увеличении частоты усиление падает во столько же раз:

Запас по фазе — это отклонение фазы при f 0 дБ от −180°. Таким образом, запас равен:

Поскольку f 0 дБ / f 1βA 0  ≫ 1, член в f 1 равен 90°. Это дает запас по фазе:

В частности, для случая α = 1, φ m = 45°, а для α = 2, φ m = 63,4°. Сансен [10] рекомендует α = 3, φ m = 71,6° как «хорошее безопасное положение для начала».

Если α увеличивается за счет сокращения τ 2 , время установления t S также сокращается. Если α увеличивается за счет удлинения τ 1 , время установления t S изменяется незначительно. Чаще всего изменяются как τ 1 , так и τ 2 , например, если используется метод расщепления полюсов .

Кстати, для усилителя с более чем двумя полюсами диаграмму на рисунке 5 все еще можно подогнать под диаграммы Боде, сделав f 2 подходящим параметром, называемым положением «эквивалентного второго полюса». [11]

Смотрите также

Ссылки и примечания

  1. ^ Юрий Шмалий (2007). Системы непрерывного времени . Springer Science & Business Media. стр. 46. ISBN 978-1-4020-6272-8.
  2. ^ Бенджамин С. Куо и Голнараги Ф. (2003). Автоматические системы управления (восьмое изд.). Нью-Йорк: Wiley. стр. 253. ISBN 0-471-13476-7.
  3. ^ Бенджамин С. Куо и Голнараги Ф (2003). п. 259. Уайли. ISBN 0-471-13476-7.
  4. ^ Эта оценка немного консервативна (длинная), поскольку множитель 1 / sin(φ) в перерегулировании вклада в S ( t ) был заменен на 1 / sin( φ ) ≈ 1.
  5. ^ Дэвид А. Джонс и Мартин К. У. (1997). Проектирование аналоговых интегральных схем. Нью-Йорк: Wiley. С. 234–235. ISBN 0-471-14448-7.
  6. ^ Вилли М. К. Сансен (2006). Основы аналогового проектирования. Дордрехт, Нидерланды: Springer. стр. §0528 стр. 163. ISBN 0-387-25746-2.
  7. ^ По словам Джонса и Мартина (см. выше) , время установления имеет большое значение , например, в схемах с переключаемыми конденсаторами , где время установления операционного усилителя должно быть меньше половины тактового периода для достаточно быстрой передачи заряда.
  8. ^ "Идентификация затухающей системы PT2 | Hackaday.io". hackaday.io . Получено 2018-08-06 .
  9. ^ Запас усиления усилителя не может быть найден с помощью двухполюсной модели, поскольку запас усиления требует определения частоты f 180 , где усиление меняет знак, а этого никогда не происходит в двухполюсной системе. Если мы знаем f 180 для рассматриваемого усилителя, запас усиления можно найти приблизительно, но f 180 тогда зависит от третьего и более высоких положений полюса, как и запас усиления, в отличие от оценки запаса по фазе, которая является двухполюсной оценкой.
  10. ^ Вилли М. К. Сансен (2006-11-30). §0526 стр. 162. Springer. ISBN 0-387-25746-2.
  11. ^ Гаэтано Палумбо и Пенниси С. (2002). Усилители обратной связи: теория и конструкция. Бостон/Дордрехт/Лондон: Kluwer Academic Press. стр. § 4.4 стр. 97–98. ISBN 0-7923-7643-9.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки