Adım yanıtı - Step response - Wikipedia

İkinci dereceden bir sistem için tipik bir adım yanıtı. aşmak, bunu takiben zil sesi, hepsi bir yerleşme zamanı.

adım yanıtı Belirli bir başlangıç ​​durumundaki bir sistemin, kontrol girişleri olduğu zaman çıktılarının zaman evriminden oluşur. Heaviside adım fonksiyonları. İçinde elektronik Mühendisliği ve kontrol teorisi, adım yanıtı, bir generalin çıktılarının zaman davranışıdır sistemi girişleri çok kısa sürede sıfırdan bire değiştiğinde. Kavram, bir kavramın soyut matematiksel kavramına genişletilebilir. dinamik sistem kullanarak evrim parametresi.

Pratik bir bakış açısından, sistemin ani bir girdiye nasıl tepki verdiğini bilmek önemlidir, çünkü uzun vadeli kararlı durumdan büyük ve muhtemelen hızlı sapmalar, bileşenin kendisi ve bu bileşene bağlı olarak genel sistemin diğer bölümleri üzerinde aşırı etkilere sahip olabilir. Ek olarak, sistemin tamamı, bileşenin çıkışı nihai durumunun bir yakınına yerleşene kadar hareket edemez ve genel sistem yanıtını geciktirir. Resmi olarak, dinamik bir sistemin adım yanıtını bilmek, istikrar böyle bir sistemin ve diğerinden başlarken bir durağan duruma ulaşma kabiliyetine bağlıdır.

Biçimsel matematiksel açıklama

Şekil 4: Dinamik bir sistemin kara kutu gösterimi, girdisi ve adım tepkisi.

Bu bölüm, adım yanıtının soyut matematiksel kavramı açısından biçimsel bir matematiksel tanımını sağlar. dinamik sistem : Aşağıdaki açıklama için gerekli tüm gösterimler ve varsayımlar burada listelenmiştir.

  • ... evrim parametresi sistemin adı "zaman " basitlik uğruna,
  • ... durum sistemin zamanında , basitlik adına "çıktı" olarak adlandırılır,
  • dinamik sistemdir evrim işlevi,
  • dinamik sistemdir başlangıç ​​hali,
  • ... Heaviside adım işlevi

Doğrusal olmayan dinamik sistem

Genel bir dinamik sistem için adım yanıtı aşağıdaki gibi tanımlanır:

O evrim işlevi kontrol girdiğinde (veya kaynak terimi veya girdileri zorlamak ) Heaviside işlevleridir: gösterim bu kavramı vurgulamaktadır. H(t) bir alt simge olarak.

Doğrusal dinamik sistem

Bir doğrusal zamanla değişmeyen (LTI) kara kutu, izin ver notasyonel kolaylık için: adım yanıtı şu şekilde elde edilebilir: kıvrım of Heaviside adım işlevi kontrol ve dürtü yanıtı h(t) sistemin kendisi

bir LTI sistemi için sadece ikincisini entegre etmeye eşdeğerdir. Tersine, bir LTI sistemi için, adım yanıtının türevi, dürtü yanıtını verir:

.

Bununla birlikte, bu basit ilişkiler doğrusal olmayan veya zamanla değişen sistem.[1]

Zaman alanı ve frekans alanı

Frekans yanıtı yerine, sistem performansı yanıtın zamana bağlılığını tanımlayan parametreler açısından belirtilebilir. Adım yanıtı, aşağıdaki miktarlarla açıklanabilir. zaman davranışı,

Bu durumuda doğrusal dinamik sistemler, bu özelliklerden sistem hakkında çok şey çıkarılabilir. Altında basit bir iki kutuplu amplifikatörün adım yanıtı sunulmakta ve bu terimlerin bazıları gösterilmektedir.

Geri bildirim amplifikatörleri

Şekil 1: İdeal olumsuz geri bildirim modeli; açık döngü kazancı BirOL ve geri bildirim faktörü β.

Bu bölüm basit bir işlemin adım yanıtını açıklamaktadır. negatif geri besleme amplifikatörü Şekil 1'de gösterilmiştir. Geri besleme amplifikatörü bir ana açık döngü kazanç amplifikatörü BirOL ve bir geri bildirim döngüsü tarafından yönetilen geri besleme faktörü β. Bu geri besleme amplifikatörü, adım yanıtının, ana amplifikatörün yanıtını yöneten zaman sabitlerine ve kullanılan geri bildirim miktarına nasıl bağlı olduğunu belirlemek için analiz edilir.

Negatif geri besleme amplifikatörünün kazancı vardır (bkz. negatif geri besleme amplifikatörü ):

nerede BirOL = açık döngü kazanç, BirFB = kapalı döngü kazanç (negatif geri besleme ile kazanç) ve β = geri besleme faktörü.

Bir baskın direkle

Çoğu durumda, ileri amplifikatör, tek bir baskın zaman sabiti τ açısından yeterince iyi modellenebilir, ki bu, aşağıdakiler tarafından verilen bir açık döngü kazancı olarak:

sıfır frekans kazancı ile Bir0 ve açısal frekans ω = 2πf. Bu ileri amplifikatörün birim adım yanıtı vardır

,

0'dan yeni denge değerine doğru üstel bir yaklaşım Bir0.

Tek kutuplu amplifikatörün aktarım işlevi, kapalı döngü kazancına yol açar:

  •  

Bu kapalı döngü kazancı, açık döngü kazancı ile aynı formdadır: tek kutuplu bir filtre. Adım yanıtı aynı biçimdedir: yeni denge değerine doğru üstel bir bozulma. Ancak kapalı döngü adım fonksiyonunun zaman sabiti τ / (1 + β Bir0), bu nedenle ileri amplifikatörün tepkisinden 1 + β faktörü ile daha hızlıdır. Bir0:

,

Geri besleme faktörü β arttıkça, tek bir baskın kutbun orijinal varsayımı artık doğru olmayana kadar adım tepkisi hızlanacaktır. İkinci bir kutup varsa, kapalı döngü zaman sabiti ikinci kutbun zaman sabitine yaklaştığında, iki kutuplu bir analize ihtiyaç vardır.

İki kutuplu amplifikatörler

Açık döngü kazancının iki kutuplu olması durumunda (iki zaman sabitleri, τ1, τ2), adım yanıtı biraz daha karmaşıktır. Açık döngü kazancı şu şekilde verilir:

sıfır frekans kazancı ile Bir0 ve açısal frekans ω = 2πf.

Analiz

İki kutuplu amplifikatörün aktarım işlevi, kapalı döngü kazancına yol açar:

  •  
Şekil 2: İki kutuplu bir geri besleme amplifikatörü için eşleştirilmiş kutup konumları; Yeniden(s) = gerçek eksen ve Ben(s) = sanal eksen.

Amplifikatörün zamana bağlılığını, değişkenleri değiştirerek bulmak kolaydır. s = jω, bunun üzerine kazanç:

  •  

Bu ifadenin kutupları (yani paydanın sıfırları) şu konumda meydana gelir:

yeterince büyük βA değerlerini gösterir0 karekök, negatif bir sayının karekökü olur, yani karekök hayali hale gelir ve kutup konumları, karmaşık eşlenik sayılardır. s+ veya s; Şekil 2'ye bakın:

ile

ve

| İle verilen köklere yarıçap büyüklüğünde kutupsal koordinatların kullanılmasıs| (Şekil 2):

ve açısal koordinat φ şu şekilde verilir:

Tablolar Laplace dönüşümleri Böyle bir sistemin zaman yanıtının iki işlevin kombinasyonlarından oluştuğunu gösterin:

başka bir deyişle, çözümler zaman içinde sönümlenmiş salınımlardır. Özellikle, sistemin birim adım yanıtı şöyledir:[2]

basitleştiren

ne zaman Bir0 sonsuza meyillidir ve geri besleme faktörü β birdir.

Yanıtın sönümlemesinin ρ tarafından, yani açık döngü amplifikatörünün zaman sabitleri tarafından ayarlandığına dikkat edin. Buna karşılık, salınım frekansı μ ile, yani geri besleme parametresi ile β ile ayarlanır.Bir0. Ρ, zaman sabitlerinin karşıtlarının toplamı olduğundan, ρ'nun daha kısa ikisinin.

Sonuçlar

Şekil 3: Doğrusal iki kutuplu bir geri besleme amplifikatörünün adım yanıtı; zaman 1 / ρ birimindedir, yani, zaman sabitleri cinsinden BirOL; eğriler üç değer için çizilir mu = μβ tarafından kontrol edilir.

Şekil 3, μ parametresinin üç değeri için bir birim adım girişine verilen zaman yanıtını gösterir. Salınım frekansının μ ile arttığı görülebilir, ancak salınımlar [1 - exp (−ρt)] ve [1 + exp (−ρt)] üstelleri tarafından ayarlanan iki asimptot arasında bulunur. Bu asimptotlar, ρ tarafından ve dolayısıyla geri beslemeden bağımsız olarak açık döngü amplifikatörünün zaman sabitleri tarafından belirlenir.

Nihai değerle ilgili salınım olgusuna denir zil sesi. aşmak nihai değerin üzerindeki maksimum salınımdır ve μ ile açıkça artar. Aynı şekilde hedefe ulaşmak yine μ ile artan nihai değerin altındaki minimum salınımdır. yerleşme zamanı nihai değerden, belirli bir seviyenin, örneğin nihai değerin% 10'unun altına düşme süresidir.

Yerleşim süresinin μ'ye bağımlılığı açık değildir ve iki kutuplu bir sistemin yaklaşımı, yerleşim süresinin geri bildirim bağımlılığı hakkında herhangi bir gerçek dünya sonucuna varmak için muhtemelen yeterince doğru değildir. Bununla birlikte, [1 - exp (−ρt)] ve [1 + exp (−ρt)] asimptotları, yerleşim süresini açıkça etkiler ve açık döngü amplifikatörünün zaman sabitleri tarafından kontrol edilir, özellikle iki sürenin daha kısa olanı sabitler. Bu, yerleşme süresine ilişkin bir spesifikasyonun, açık döngülü amplifikatörün uygun tasarımıyla karşılanması gerektiğini gösterir.

Bu analizden çıkan iki ana sonuç şunlardır:

  1. Geri besleme, belirli bir açık döngü amplifikatörü için son değerle ilgili salınım genliğini ve açık döngü zaman sabitlerinin verilen değerlerini kontrol eder, τ1 ve τ2.
  2. Açık döngülü amplifikatör, yerleşme süresine karar verir. Şekil 3'teki zaman ölçeğini ayarlar ve açık döngü amplifikatörü ne kadar hızlı olursa, bu zaman ölçeği o kadar hızlı olur.

Bir kenara, bu doğrusal iki kutuplu modelden gerçek dünyadaki sapmaların iki ana komplikasyondan kaynaklandığı not edilebilir: birincisi, gerçek amplifikatörlerin ikiden fazla kutbu ve sıfırları vardır; ve ikincisi, gerçek amplifikatörler doğrusal değildir, bu nedenle adım yanıtları sinyal genliği ile değişir.

Şekil 4: Üç α değeri için adım yanıtı. Üst: α = 4; Merkez: α = 2; Alt: α = 0,5. Α düştükçe kutup ayrımı azalır ve aşma artar.

Aşmanın kontrolü

Aşımın uygun parametre seçimleriyle nasıl kontrol edilebileceği aşağıda tartışılacaktır.

Yukarıdaki denklemleri kullanarak, adım yanıtını farklılaştırarak ve maksimum değerini bularak aşma miktarı bulunabilir. Maksimum adım yanıtının sonucu Smax dır-dir:[3]

Adım yanıtının son değeri 1'dir, bu nedenle üstel, gerçek aşmanın kendisidir. Μ = 0 ise, aşmanın sıfır olduğu açıktır, bu durum şu şekildedir:

Bu ikinci dereceden, zaman sabitlerinin oranı ayarlanarak çözülür. x = (τ1 / τ2)1 / 2 sonuçla beraber

Çünkü β Bir0 >> 1, karekökteki 1 çıkarılabilir ve sonuç

Bir deyişle, ilk zaman sabiti ikinciden çok daha büyük olmalıdır. Aşmaya izin vermeyen bir tasarımdan daha maceracı olmak için yukarıdaki ilişkiye bir α faktörü ekleyebiliriz:

ve α'nın kabul edilebilir olan aşma miktarıyla ayarlanmasına izin verin.

Şekil 4, prosedürü göstermektedir. Üst panelin (α = 4) alt panel (α = 0.5) ile karşılaştırılması, α için daha düşük değerlerin yanıt oranını artırdığını, ancak aşmayı artırdığını gösterir. Α = 2 (orta panel) durumu, azami düz zirve yapmayan tasarım Bode kazancı ve frekans grafiği. Bu tasarım, temel kural çoklu kutuplar (veya sıfırlar), doğrusal olmama (sinyal genliği bağımlılığı) ve üretim varyasyonları gibi ideal olmayan gerçeklerle başa çıkmak için yerleşik güvenlik marjı, bunlardan herhangi biri çok fazla aşmaya neden olabilir. Kutup ayrımının ayarlanması (yani, α ayarı) konu frekans telafisi ve böyle bir yöntem direk yarılması.

Yerleşme süresinin kontrolü

Şekil 3'teki adım yanıtındaki çınlamanın genliği, sönümleme faktörü exp (−ρ t) tarafından yönetilir. Yani, nihai değerden kabul edilebilir bir adım yanıtı sapması belirtirsek, diyelim ki that, yani:

bu koşul, β değerinden bağımsız olarak karşılanır BirOL zamanın yerleşim süresinden daha uzun olması koşuluyla, diyelim ki tS, veren:[4]

nerede τ1 >> τ2 aşma kontrol koşulu nedeniyle uygulanabilirdir, bu da τ1 = αβAOL τ2. Çoğunlukla yerleşme süresi koşulu, yerleşme süresinin birim kazanç bant genişliği ile ters orantılı olduğu söylenerek ifade edilir, çünkü 1 / (2π τ2) tipik bir amplifikatör için bu bant genişliğine yakındır. baskın kutup telafisi. Ancak bu sonuç bundan daha kesindir temel kural. Bu formüle örnek olarak Δ = 1 / e ise4 =% 1,8, yerleşme süresi koşulu tS = 8 τ2.

Genel olarak, aşmanın kontrolü, zaman sabiti oranını ve çökelme süresini ayarlar tS ayarlar τ2.[5][6][7]

Step Response kullanarak Sistem Tanımlama: İki gerçek kutuplu sistem

Sistemin adım yanıtı . Önemli noktayı ölçün , ve .

Bu yöntem, adım yanıtının önemli noktalarını kullanır. Signal ölçülerinin teğetlerini tahmin etmeye gerek yoktur. Denklemler, sayısal simülasyonlar kullanılarak türetilir, bazı önemli oranlar belirlenir ve doğrusal olmayan denklemlerin parametreleri uydurulur. Ayrıca bakınız [8].

İşte adımlar:

  • Sistem adım yanıtını ölçün giriş adım sinyali ile sistemin .
  • Zaman aralıklarını belirleyin ve burada adım yanıtı, kararlı durum çıkış değerinin% 25 ve% 75'ine ulaşır.
  • Sistem kararlı durum kazancını belirleyin ile
  • Hesaplamak

  • İki zaman sabitini belirleyin

  • Laplace alanı içinde tanımlanan sistemin transfer fonksiyonunu hesaplayın

Faz marjı

Şekil 5: Faz marjını bulmak için Bode kazanç grafiği; ölçekler logaritmiktir, bu nedenle etiketli ayırmalar çarpımsal faktörlerdir. Örneğin, f0 dB = βA0 × f1.

Sonra, kutup oranı seçimi τ1/ τ2 geri besleme amplifikatörünün faz marjı ile ilgilidir.[9] Ana hatlarıyla belirtilen prosedür Bode arsa makale takip ediliyor. Şekil 5, ikinci kutup konumuna kadar frekans aralığında iki kutuplu amplifikatör için Bode kazanç grafiğidir. Şekil 5'in arkasındaki varsayım, frekansın f0 dB en alt kutup arasında yer alır f1 = 1 / (2πτ1) ve ikinci kutup f2 = 1 / (2πτ2). Şekil 5'te gösterildiği gibi, bu koşul α ≥ 1 değerleri için karşılanır.

Şekil 5'i kullanarak frekans (ile gösterilir f0 dB) döngü kazancının β olduğu yerde bulunurBir0 aşağıdaki şekilde tanımlandığı gibi birlik kazancını veya 0 dB koşulunu karşılar:

Kazanç grafiğinin aşağı doğru ayağının eğimi (20 dB / on yıl); frekanstaki her on faktörlük artış için, kazanç aynı faktörle düşer:

Faz marjı, fazın şu anda ayrılmasıdır. f0 dB -180 ° 'den itibaren. Dolayısıyla, marj:

Çünkü f0 dB / f1βA0 >> 1, terim f1 90 ° 'dir. Bu, faz marjını yapar:

Özellikle, α = 1 durumunda, φm = 45 ° ve α = 2 için φm = 63,4 °. Sansen[10] α = 3, φ önerirm = 71,6 ° "başlamak için iyi bir güvenlik konumu" olarak.

Τ kısaltılarak α artırılırsa2yerleşme zamanı tS ayrıca kısaltılmıştır. Τ uzatılarak α artırılırsa1yerleşme zamanı tS biraz değişmiş. Daha yaygın olarak, her ikisi de τ1 ve τ2 örneğin tekniğin direk yarılması kullanıldı.

Bir kenara olarak, ikiden fazla kutbu olan bir amplifikatör için, Şekil 5'in diyagramı yine de Bode grafiklerine uyacak şekilde yapılabilir. f2 "eşdeğer ikinci kutup" konumu olarak adlandırılan uygun bir parametre.[11]

Ayrıca bakınız

Referanslar ve notlar

  1. ^ Yuriy Shmaliy (2007). Sürekli Zaman Sistemleri. Springer Science & Business Media. s.46. ISBN  978-1-4020-6272-8.
  2. ^ Benjamin C Kuo ve Golnaraghi F (2003). Otomatik kontrol sistemleri (Sekizinci baskı). New York: Wiley. s. 253. ISBN  0-471-13476-7.
  3. ^ Benjamin C Kuo ve Golnaraghi F (2003). s. 259. ISBN  0-471-13476-7.
  4. ^ Bu tahmin biraz ihtiyatlı (uzun) çünkü aşma katkısında 1 / sin (φ) faktörü S (t) 1 / sin (φ) ≈ 1 ile değiştirildi.
  5. ^ David A. Johns ve Martin K W (1997). Analog entegre devre tasarımı. New York: Wiley. s. 234–235. ISBN  0-471-14448-7.
  6. ^ Willy M C Sansen (2006). Analog tasarım temelleri. Dordrecht, Hollanda: Springer. s. §0528 s. 163. ISBN  0-387-25746-2.
  7. ^ Johns ve Martin'e göre, op. cit.çökelme zamanı önemlidir anahtarlamalı kapasitör devreleri örneğin, yeterince hızlı şarj aktarımı için bir işlem amfi ayar süresinin yarım saat süresinden daha az olması gerektiği durumlarda.
  8. ^ "Sönümlü bir PT2 sisteminin tanımlanması | Hackaday.io". hackaday.io. Alındı 2018-08-06.
  9. ^ Amplifikatörün kazanç marjı, iki kutuplu bir model kullanılarak bulunamaz, çünkü kazanç marjı, frekansın belirlenmesini gerektirir. f180 kazanç işareti ters çevirir ve bu asla iki kutuplu bir sistemde olmaz. Eğer bilirsek f180 Eldeki amplifikatör için kazanç marjı yaklaşık olarak bulunabilir, ancak f180 daha sonra, iki kutuplu bir tahmin olan faz marjının tahmininden farklı olarak, kazanç marjı gibi üçüncü ve daha yüksek kutup pozisyonlarına bağlıdır.
  10. ^ Willy M C Sansen (2006-11-30). §0526 s. 162. ISBN  0-387-25746-2.
  11. ^ Gaetano Palumbo ve Pennisi S (2002). Geri besleme kuvvetlendiricileri: teori ve tasarım. Boston / Dordrecht / Londra: Kluwer Academic Press. s. § 4.4 s. 97–98. ISBN  0-7923-7643-9.

daha fazla okuma

  • Robert I. Demrow İşlemsel kuvvetlendiricilerin yerleşme süresi [1]
  • Cezmi Kayabaşı Yüksek hızlarda yüksek hassasiyete ulaşan çökelme zamanı ölçüm teknikleri [2]
  • Vladimir Igorevic Arnol'd "Sıradan diferansiyel denklemler", MIT Press ve Springer Verlag'dan çeşitli baskılar, bölüm 1 "Temel kavramlar"

Dış bağlantılar