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.
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.
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.
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]
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.
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 .
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.
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 .
Передаточная функция двухполюсного усилителя приводит к коэффициенту усиления замкнутой цепи:
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 отклик системы на шаг 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.
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 по времени установления должна быть выполнена путем соответствующей конструкции усилителя с разомкнутой петлей.
Два основных вывода из этого анализа таковы:
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.
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 , чтобы справляться 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 .
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]
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:
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 1 = βA 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]