Логарифмическая амплитудно-фазовая частотная характеристика
Логарифми́ческая амплиту́дно-фа́зовая часто́тная характери́стика (распространённая аббревиатура — ЛАФЧХ, в иностранной литературе часто называют диаграммой Бо́де или графиком Боде) — представление частотного отклика линейной стационарной системы в логарифмическом масштабе.
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a8/Butterworth_filter_bode_plot.svg/langru-350px-Butterworth_filter_bode_plot.svg.png)
Введение
правитьЛАФЧХ строится в виде двух графиков: логарифмической амплитудно-частотной характеристики и логарифмической фазо-частотной характеристики, которые обычно располагают друг под другом.
ЛАЧХ
правитьЛАЧХ — это зависимость отношения амплитуды установившихся колебаний выхода системы (в частных случаях напряжения, тока или мощности) устройства к амплитуде гармонической функции на входе, ( , для мощности , от частоты входа в логарифмическом масштабе.
Масштаб по оси абсцисс ЛАЧХ
правитьПо оси абсцисс откладывается частота в логарифмическом масштабе, единица измерения — безразмерная величина:
- декада (дек): 1 декада равна изменению частоты в 10 раз.
- октава(окт): 1 октава равна изменению частоты в 2 раза.
Масштаб по оси ординат ЛАЧХ
правитьПо оси ординат откладывается амплитуда выходного сигнала в логарифмических безразмерных величинах:
- децибел (дБ) (десятая часть бела) — это логарифм отношения мощностей (10 децибел равно изменению в 10 раз), либо силовых характеристик (20 децибел равно изменению в 10 раз).
ЛФЧX
правитьЛФЧХ — это зависимость разницы фаз выходного и входного сигналов от частоты в полулогарифмическом масштабе
- по оси абсцисс откладывается частота в логарифмическом масштабе (в декадах или октавах)
- по оси ординат откладывается выходная фаза в угловых градусах или радианах.
Неперы и октавы в настоящее время являются устаревшими и практически не используются.
Причины построения амплитудных и фазных характеристик в логарифмическом масштабе — возможность исследования характеристик в большом диапазоне.
Асимптотические ЛАЧХ и ЛФЧХ
правитьСобственно ЛАЧХ и ЛФЧХ мало используются на практике.
Для более наглядного анализа характеристик применяются их модифицированные варианты — асимптотическая логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (АЛАЧХ) и асимптотическая логарифмическая фазо-частотная характеристика (АЛФЧХ), при этом кривая заменяется отрезками ломаной прямой. Обычно слово «асимптотическая» опускают, но всегда надо помнить, что АЛАЧХ (АЛФЧХ) и ЛАЧХ (ЛФЧХ) — это разные характеристики.
Анализ систем с помощью АЛФЧХ весьма прост и удобен, поэтому находит широкое применение в различных отраслях техники, таких, как цифровая обработка сигналов, электротехника и теория управления.
Названия
правитьВ западной литературе используется название диаграмма Бо́де или график Боде, по имени выдающегося инженера Хенрика Боде (англ. Hendrik Wade Bode).
В инженерных кругах название обычно сокращается до ЛАХ.
В пакете прикладных программ для инженерных вычислений GNU Octave и MATLAB для построения ЛАФЧХ используется функция bode.
Использование
правитьСвойства и особенности
правитьЕсли передаточная функция системы является рациональной, тогда ЛАФЧХ может быть аппроксимирована прямыми линиями. Это удобно при рисовании ЛАФЧХ вручную, а также при составлении ЛАФЧХ простых систем.
С помощью ЛАФЧХ удобно проводить синтез систем управления, а также цифровых и аналоговых фильтров: в соответствии с определёнными критериями качества строится желаемая ЛАФЧХ, аппроксимированная с помощью прямых линий, которая затем разбивается на ЛАФЧХ отдельных элементарных звеньев, из которых восстанавливается передаточная функция системы (регулятора) или фильтра.
ЛАЧХ
правитьНа графике ЛАЧХ абсциссой является частота в логарифмическом масштабе, по оси ординат отложена амплитуда передаточной функции в децибелах.
Представление АЧХ в логарифмическом масштабе упрощает построение характеристик сложных систем, так как позволяет заменить операцию перемножения АЧХ звеньев сложением, что вытекает из свойства логарифма: .
На графике фазо-частотной характеристики абсциссой является частота в логарифмическом масштабе, по оси ординат отложен фазовый сдвиг выходного сигнала системы относительно входного (обычно в градусах).
Также возможен вариант, когда по оси ординат откладывается фазовый сдвиг в логарифмическом масштабе, в этом случае характеристика будет называться ЛФЧХ.
Случай минимально фазовых систем
правитьАмплитуда и фаза системы редко меняются независимо друг от друга — при изменении амплитуды меняется и фаза, и наоборот. Для минимально фазовых систем ЛФЧХ и ЛАЧХ могут быть однозначно определены друг из друга с помощью преобразования Гильберта — Уорренгтона.
Построение ЛАФЧХ
правитьОсновная идея основывается на следующем математическом правиле сложения логарифмов. Если передаточную функцию можно представить в виде дробно-рациональной функции
- ,
то:
После разбиения передаточной функции на элементарные звенья можно построить ЛАФЧХ каждого отдельного звена, а результирующую ЛАФЧХ получить простым сложением.
Построение асимптотической ЛАЧХ (аппроксимация ЛАЧХ прямыми линиями)
правитьПри построении ЛАЧХ для оси ординат обычно используется масштаб , то есть значение АЧХ, равное 100, превращается в 40 децибел шкалы ЛАЧХ. Если передаточная функция имеет вид:
- где — комплексная переменная, которую можно связать с частотой, используя следующую формальную замену: , и — константы, а — передаточная функция. Тогда построить ЛАЧХ можно, используя следующие правила:
- в каждом , где (ноль), наклон линии увеличивается на дБ на декаду.
- в каждом , где (полюс), наклон линии уменьшается на дБ на декаду.
- Начальное значение графика можно найти простой подстановкой значения круговой частоты в передаточную функцию.
- Начальный наклон графика зависит от числа и порядка нулей и полюсов, которые меньше начального значения частоты. Он может быть найден с помощью первых двух правил.
- В случае наличия комплексно-сопряжённых нулей или полюсов необходимо использовать звенья второго порядка, , наклон меняется в точке сразу на дБ на декаду.
Корректировка аппроксимированной ЛАЧХ
правитьДля корректировки ЛАЧХ, аппроксимированную прямыми линиями, надо:
- в каждом нуле поставить точку на дБ выше линии ( дБ для двух комплексно-сопряжённых нулей)
- в каждом полюсе поставить точку на дБ ниже линии ( дБ для двух комплексно-сопряжённых полюсов)
- плавно соединить точки, используя прямые линии в качестве асимптот
Построение асимптотической ЛФЧХ (аппроксимация)
правитьДля построения аппроксимированной ФЧХ используют запись передаточной функции в том же виде, что и для ЛАЧХ:
Основной принцип построения ФЧХ — начертить отдельные графики для каждого полюса или нуля, затем сложить их. Точная кривая фазо-частотной характеристики задаётся уравнением:
Для того, чтобы нарисовать ФЧХ для каждого полюса или нуля, используют следующие правила:
- если положительно, начать линию (с нулевым наклоном) в 0 градусов,
- если отрицательно, начать линию (с нулевым наклоном) в 180 градусов,
- для нуля сделать наклон линии вверх на ( для комплексно сопряжённого) градусов на декаду начиная с
- для полюса наклонить линию вниз на ( для комплексно сопряжённого) градусов на декаду начиная с
- обнулить наклон снова когда фаза изменится на градусов для простого нуля или полюса и на градусов для комплексно-сопряжённого нуля или полюса,
- сложить все линии и нарисовать результирующую.
Анализ устойчивости по ЛАФЧХ
правитьНиже представлена таблица, в которую помещены передаточные функции и ЛАФЧХ некоторых типовых элементарных звеньев. Большая часть линейных стационарных систем может быть представлена в виде соединения таких звеньев. В таблице — комплексная переменная.
№ | Звено | Передаточная функция | ЛАФЧХ | Примечания |
---|---|---|---|---|
1 | пропорциональное | |||
2 | идеальное интегрирующее |
|||
3 | идеальное дифференцирующее |
|||
4 | апериодическое (реальное интегрирующее) |
|||
5 | колебательное | | ||
6 | неустойчивое апериодическое |
неминимально- фазовое | ||
7 | дифференцирующее первого порядка (форсирующее |
|||
8 | форсирующее второго порядка |
| ||
9 | чистого запаздывания |
Обоснование
правитьВ основе определения устойчивости системы рассматривается модель в виде звена, охваченного отрицательной обратной связью и возможность её вхождения в автоколебания (колебательная граница устойчивости). Условием автоколебаний является наличие положительной обратной связи при этом коэффициент усиления в прямой цепи должен быть не ниже единицы. Фаза выходного сигнала (описываемая фазо-частотной характеристикой) через цепь отрицательной обратной связи подаётся обратно на вход, при этом «запасом по фазе» называется дополнительный сдвиг по фазе, который должен быть на выходе, чтобы получилась положительная обратная связь. Коэффициент передачи в прямой ветви описывается амплитудно-частотной характеристикой, при этом частота, которой соответствует единичное усиление называется «частотой среза», на ЛАЧХ частота среза-это точка пересечения характеристики с осью абсцисс. Графически запас по фазе определяется как разность между фазой, равной
Алгоритм вычисления
правитьДля определения устойчивости замкнутой системы строится ЛАФЧХ разомкнутой системы (см. рис.). После этого необходимо найти частоту среза
Данный алгоритм применим только к минимально фазовым системам[англ.]. В других случаях для определения устойчивости можно использовать критерии устойчивости Найквиста — Михайлова и Рауса — Гурвица.
См. также
правитьПримечания
правитьСсылки
правитьДля улучшения этой статьи желательно:
|