Ильинков, В. А. Моделир_систем_телеком_лаб_практ_Ч_1_
.pdf10. Проанализировать изображения F1T p F4T p . Доказать, что они во всей открытой комплексной плоскости не имеют особых точек.
11.Сформулировать сходства и принципиальные различия корневых портретов изображений F1 p F4 p .
12.Дать сравнительную оценку скорости убывания амплитудных спектров S1T S4T .
13.Сформулировать условия, при которых сигнал f4 t нельзяь считать
периодическим.
14. Найти изображения по Лапласу сигналов:
|
|
f1 |
t |
|
|
3 |
e |
2kt |
, 0, ; |
|
|
f2 |
|
|
|
|
5 |
/6!, 0, ; |
|
|
|
f3 t 3ktsin2t, 0, ; |
|||||||||||||||||||||
|
|
At |
|
|
|
|
|
|
t At |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
0, ,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0, ,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0, ,0 |
|
|
||||||||||||||||
|
|
f4 t 5ktcos10t 1, 0, ; |
f5 |
t Asin3t/(3t), 0, ; |
|
Р |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
0, ,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0, ,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Г |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
sin |
|
|
t, 0, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sin |
0 |
t, 0,И |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
f |
|
|
|
0 |
0 |
|
; |
|
f |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
. |
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
6 |
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
t 0, |
0 |
,2 |
0 |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
f6 t 0 |
, , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2Б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f7 Уt 2 0 , , |
|
|
|
|||||||||||
|
15. Разложить в ряд Фурье с помощью преобразования Лапласа сигнлы: |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
t |
1, 0, |
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
t 3sin2t, 0, |
2 . |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
f |
|
0, ,T |
|
|
|
|
|
; |
|
|
|
f |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
к |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f2 t 2 , , |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
f1 t T , , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
16. Найти математические модели во временной области сигналов, изо- |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
бражения которых равны: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
т |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
F |
p |
5 5e p |
|
; |
F |
p |
10 10e 2p |
; F p |
10p |
; |
F p |
20 |
. |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2p |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
4 |
|
2 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p 25 |
|
|
|
p 5 |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
p1 e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
л |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
31
Лабораторная работа № 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ЗВЕНЬЕВ СИСТЕМ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ В ЧАСТОТНОЙ ОБЛАСТИ И НА КОМПЛЕКСНОЙ ПЛОСКОСТИ
5.1 Цель работы
Изучение основных закономерностей моделирования линейных звеньев систем телекоммуникаций в частотной области и на комплексной плоскости, приобретение практических навыков формирования и представления оператор-
ной и комплексной передаточных функций, амплитудно- и фазочастотной характеристик, характеристики рабочего затухания и характеристики группового времени запаздывания.
ят из большого количества различных по свойствам звеньев, которыеУИс позиции математического моделирования принято делить на линейные (инерционные, безынерционные) с постоянными и переменными параметрами и нелинейные
5.2 Краткие теоретические сведения |
Р |
|
|
Современные СТК являются сложными физическими объектами и состо- |
(инерционные, безынерционные). Наиболее сложными дляГописания являются нелинейные инерционные звенья. При функциональном моделировании с це-
лью упрощения их представляют совокупностью линейных инерционных, не- |
|
линейных и линейных безынерционных звеньев [1]. |
Б |
|
|
Важнейшей задачей при проектиров нии СТК является определение |
|
а |
|
обоснованных допусков на неравном рность амплитудно-частотных (АЧХ) и |
|
нелинейность фазочастотных (ФЧХ) характристик отдельных звеньев и систе- |
мы в целом, что достигается ма ема ич ским моделированием процесса про- |
|
|
е |
хождения измерительных сигналов. В качестве модели исследуемого реального |
|
звена (системы) используют |
либо несколько линейных звеньев с постоян- |
ными параметрами. Поэт му п следние (называемые также линейными ста- |
|||||||
|
|
т |
|||||
ционарными), являясь на б лее простыми для описания, наиболее широко |
|||||||
|
|
дно |
|
|
|
|
|
применяются в практ ке модел рования СТК. |
|||||||
Линейные стационарныеи звенья в частотной области описывают ком- |
|||||||
плексной передаточной функцией |
K( ), АЧХ |
|
K( ) |
|
, ФЧХ ( ), характери- |
||
|
|
||||||
|
л |
|
|
|
|
|
|
|
|
(ХРЗ) и характеристикой ( ) группового |
|||||
стикой a( ) ра очего затухания |
|||||||
времени запаздыванияб(ХГВЗ) [1 – 3]. |
|||||||
Известно: АЧХ – частотная зависимость отношения амплитуды реакции |
|||||||
и |
|
|
|
|
|
|
|
Б |
|
|
|
|
|
|
|
линейного звена к амплитуде гармонического воздействия на его входе; ФЧХ – частотная зависимость разности фаз реакции и гармонического воздействия. Поскольку воздействие (реакцию) можно задавать в форме напряжения
Uвх(t) Uвх.m(щ)cos( t u(щ)) |
(Uвых(t) Uвых.m(щ)cos( t u(щ))) |
или тока |
|||||||||||
Iвх(t) Iвх.m(щ)cos( t I (щ)) |
(Iвых(t) Iвых.m(щ)cos( t I (щ))), то |
в общем |
|||||||||||
случае различают разновидности |
|
K1 |
|
– |
|
K4( ) |
|
АЧХ и соответствующие им |
|||||
|
|
|
|
||||||||||
ФЧХ 1( ) – 4( ). При этом |
АЧХ |
|
|
K |
|
1 |
|
( |
|
разновидность “напряжение- |
|||
|
|
|
|
|
32
напряжение”) и |
|
K2( ) |
|
(“ток-ток”) являются безразмерными, |
|
K3( ) |
|
= Ом, |
|||||||
|
|
|
|
||||||||||||
|
K |
4 |
( ) |
|
= Ом-1, |
ФЧХ |
( ) – |
4 |
( ) измеряются в радианах. На практике в ос- |
||||||
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
новном используют АЧХ K1 и соответственно ФЧХ 1( ), остальные –
значительно реже [1, 2, 4].
Согласно символическому методу анализа гармонические колебания воздействия (Uвх(t),Iвх(t)) и реакции (Uвых(t), Iвых(t)) описываются комплексны-
|
|
|
|
|
( ) , |
ми |
амплитудами |
|
соответственно |
Uвх.m( ) Uвх.m e j u |
|
|
|
|
|
Р |
|
Iвх.m( ) Iвх.m e j I ( ), |
Uвых.m( ) Uвых.m e j u ( ) |
и |
|||
|
|
( ). |
|
И |
|
Iвых.m( ) Iвых.m e j I |
С учетом этого |
комплексную передаточную |
функцию K( ) определяют как частотную зависимость отношения комплексных амплитуд реакции и воздействия. Очевидно, по аналогии с АЧХ и ФЧХ
различают четыре разновидности K1( ) – K4( ) |
функции K( ) [1, 2]. |
|||||||||||||||||
Из определений АЧХ, ФЧХ и функции K( ) |
вытекаетУ, что |
|
|
|
|
|||||||||||||
K( ) |
|
K( ) |
|
e j ( ), Г |
(5.1) |
|||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||
т.е комплексная передаточная функция одновременно определяет АЧХ |
|
K( ) |
|
и |
||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||
ФЧХ ( ). Она полно описывает |
|
|
|
|
|
Б |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
линейного звена, широко применя- |
||||||||||||
ется при моделировании СТК |
|
|
|
|
тр льным методом. |
|
|
|
|
|||||||||
В теории и практике СТК, |
|
свойства |
|
|
K( ) |
|
и ( ), |
|||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||
помимо характеристик K( ), |
|
|||||||||||||||||
|
к |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
используют также ХРЗ a( ) и ХГВЗ |
( ): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
спе |
( ) d ( ) d . |
(5.2) |
||||||||||||||||
a( ) 20lg( K( ) |
|
|
), |
Причем, проектир ваниетфиль ров по известному методу рабочих параметров выполняют на осн ве ХРЗ, а не АЧХ. В основном по виду ХР3 внутри и вне по-
лосы пропусканияоклассифицируют различные модели фильтров, например, наиболее часто пр меняемые фильтры Баттерворта, Чебышева, ЗолотареваКауэра [5]. В задачах передачи импульсных сигналов, где предъявляются жест-
кие требованиялк форме последних (в телевидении), особое значение приобретает знан е ХГВ3 [1, 4].
Ботображаюти двумя графиками: АЧХ и ФЧХ, ХР3 и ФЧХ, ХР3 и ХГВ3 либо АЧХ ХГВ3. Однако иногда их представляют годографом комплексной передаточной функции – кривой, описываемой в полярной системе координат концом радиус-вектора, на текущей частоте длина которого равна АЧХ, а угол, отсчитываемый в положительном направлении, – ФЧХ. Обычно годограф строят в частотном диапазоне 0... .
В большинстве случаев частотные свойства линейного звена наглядно
При моделировании реальных звеньев СТК с помощью функции K необходимо располагать описанием их АЧХ и ФЧХ. Его выполняют разными методами. По одному из них АЧХ и ФЧХ аппроксимируют отрезками про-
33
стейших кривых, количество которых для достижения требуемой точности аппроксимации приходится выбирать значительным. В другом методе в качестве аппроксимирующих используют функции другого типа, например полиномы третьей степени, при соответствующем подборе коэффициентов которых можно повысить точность аппроксимации. Третьим (эффективным) методом является получение моделей АЧХ и ФЧХ из операторной передаточной функции
K(p) [1, 4].
Описание линейных звеньев на комплексной плоскости (с помощью операторной передаточной функции K(p)) получило большое распространение. Известно: функция K(p) – отношение лапласовского изображения реакции линейного звена к изображению вызвавшего ее произвольного воздействия при
устойчивого звена с сосредоточенными параметрами представляется дробнорациональной функцией
нулевых начальных условиях. По аналогии с характеристиками АЧХ, ФЧХ и |
||||||
K различают четыре разновидности |
K1(p) – K4(p) функции KР(p). На |
|||||
практике чаще используется функция K1 |
(p), соответствующая |
Uвх |
(p) Uвх(t) |
|||
|
|
|
|
|
И |
|
и Uвых(p) Uвых(t). |
|
|
||||
|
Операторная передаточная функция физически реализуемогоУлинейного |
|||||
|
|
|
Г |
|
|
|
|
|
|
Б |
|
|
K(p) G(p) |
(cV(p)) |
|
|
(5.3) |
||||
где G(p) pm b pm 1 b pm 2 |
|
|
к |
|
|
|||
... b |
|
– полином степени m с действи- |
||||||
1 |
2 |
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
е |
|
|
|
|||
тельными коэффициентами; |
V(p) p |
n |
c1p |
n 1аn 2 |
... cn |
– полином Гур- |
||
|
|
c2p |
||||||
вица степени n; m n, c 0 |
т |
|
|
|
|
множитель. При |
||
– масштабный (нормирующий) |
этом по расположению корней полинома G(p) звенья делятся на минимально-
фазовых звеньев хотя бы дон х к рней лежит в правой полуплоскости. Свойства операторной передаточной функции линейного звена наглядно
и неминимально-фазовые: у минимально-фазовых звеньев все корни полинома
G(p) находятся в левой п лупл скос и и на мнимой оси; у неминимально-
отображает ее корневой портрет – графическое изображение на комплексной |
|||||||
|
|
и |
|
||||
плоскости корней по иномов числителя и знаменателя. Очевидно, корни поли- |
|||||||
нома G(p) являютсялнулями, а корни полинома V(p) – полюсами функции |
|||||||
K(p). |
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Заменой p j в функции K(p) можно получить комплексную переда- |
|||||||
точную функцию K( ), а затем, представляя последнюю в показательной фор- |
|||||||
ме, найти АЧХ и ФЧХ линейного звена: |
|
||||||
Б |
[K(p)]p j K( ) |
|
K( ) |
|
e j ( ). |
(5.4) |
|
|
|
||||||
|
|
|
Такой прием часто используют для нахождения АЧХ и ФЧХ. Для его упрощения рекомендуется вначале проделать следующие преобразования:
34
[V(p)]p j A( 2) j B( 2), |
[G(p)]p j E( 2) j D( 2), где |
A( 2), |
B( 2), E( 2), D( 2) – полиномы с действительными коэффициентами по четным степеням переменной . Их последующее применение в соответствии с выражениями (5.3) и (5.4) позволяет получить
|
|
1 E2 |
( 2) 2D2( 2) |
D( 2) |
B( |
2) |
|
|
|||||||||
K( ) |
|
|
|
|
|
|
|
, ( ) arctg |
|
|
arctg |
|
|
|
. |
(5.5) |
|
c A2( |
2) 2B2( |
2) |
E( |
2) |
A( |
2) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
Для расширения возможностей моделирования и упрощения построения математической модели полином V(p) Гурвица рекомендуется задавать в виде
где as 0;al 0; l 0;r 2q n. И
r |
q |
|
V(p) (p aS ) (p2 2al p al2 l2), |
(5.6) |
S 1 |
l 1 |
У |
Р |
|
фазовые звенья практически с любой формойБГАЧХ и ФЧХ: фильтры нижних (ФНЧ) и верхних (ФВЧ) частот, полосовые (ПФ) и заграждающие (ЗФ), фильтры с несколькими полосами пропускания. Использование в качестве p нормированной комплексной переменной позволяет применять справочную литературу, где табулированы корни полиномов G(p) и V(p) типовых ФНЧ [5].
Представление (5.3) с учетом (5.6), в отличие от других способов задания
частотных характеристик, описывает с высокой точностью (не)минимально-
Трансформируя корни с помощью |
|
|
|
тансных или нереактансных преобразо- |
|||||||||||||||||||||||||
ваний, можно получить оп |
|
|
|
|
реа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
передаточные функции звеньев типа ФВЧ, |
||||||||||||||||||||||||
ПФ и ЗФ [1, 4, 5]. |
|
|
|
|
|
|
|
к |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Можно показа ь [1, |
2], |
ч |
по заданной АЧХ линейного минимально- |
||||||||||||||||||||||||||
фазового звена с |
|
|
|
|
|
раторные |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
ью до знака определяется его передаточная функция |
|||||||||||||||||||||||||
K(p) и с точностью до |
|
ФЧХ и, |
наоборот, |
|
по заданной ФЧХ с точностью до |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
т |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
постоянного вещественн го множителя – функции K(p) и K( ), т.е. в мини- |
|||||||||||||||||||||||||||||
мально-фазовых |
точноснейных звеньях существует взаимно однозначное соответ- |
||||||||||||||||||||||||||||
б |
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
ФЧХ. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
ствие между АЧХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
При описании линейных звеньев СТК на комплексной плоскости иногда |
|||||||||||||||||||||||||||||
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и комплексную ( ) постоянные передачи: |
||||||||||||||||||
используютлоператорную (p) |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
(p) lnK p , ( ) ln |
|
K( ) |
|
j ( ) A( ) j ( ), |
(5.7) |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
гдеK(p) – |
операторная передаточная функция; |
|
K |
|
|
( ( )) – |
АЧХ |
||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
(ФЧХ); A ln |
|
K |
|
– логарифмическое затухание звена |
|
. |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
Б Известно |
|
[1]: |
|
АЧХ (представляемая |
логарифмическим |
затуханием) и |
|||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
ФЧХ минимально-фазового звена связаны соотношениями |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
( ) |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
A( ) |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
A( 0) |
|
|
d , ( 0) |
|
d |
|
(5.8) |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
35
Гильберта, из которых следует, что значение АЧХ (ФЧХ) на конкретной (фиксированной) частоте 0 определяется поведением ФЧХ (АЧХ) во всем частотном диапазоне от 0 до . Соотношения (5.8) позволяют напрямую найти, не прибегая к синтезу передаточной функции K(p), одну частотную характеристику минимально-фазового звена по его второй характеристике, которая с учетом возможности численного вычисления интегралов (5.8) может быть задана также таблично, т.е. по результатам экспериментов.
Можно показать [1, 2], что неминимально-фазовое звено можно представить последовательным соединением минимально-фазового звена, имеющего одинаковую с ним АЧХ K( ) K0( ) и неминимально-фазового звена с иде-
альной АЧХ Kф( ) 1 и монотонно убывающей ФЧХ ф( ). Последнее звено
|
|
|
|
|
У |
часто называют фазовым контуром либо чисто фазовым звеном. ВажноРотме- |
|||||
тить, что при заданной АЧХ |
|
K( ) |
|
минимально возможный фазовый набег на |
|
|
|
||||
|
|
|
|
Г |
|
|
|
|
|||
любой частоте равен 0( ). Он соответствует минимально-фазовомуИзвену |
|||||
|
|
|
|
Б |
(p). Одну и ту же |
(звену минимальной фазы) с передаточной функцией K0 |
АЧХ может иметь множество неминимально-фазовых звеньев, различающихся видом фазового контура.
В выполняемой лабораторной работе пр ктические навыки формирования и представления характеристик линейных звеньев в частотной области и на
комплексной плоскости отрабатываются на пример х простейших звеньев (I и |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
е |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
II порядков) наиболее распространенных типова: ФНЧ, ФВЧ, ПФ и ЗФ. Каждое |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
из них может быть получено при |
|
|
|
|
|
|
|
тствующихк |
условиях из обобщенного |
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 соотв4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
линейного звена, изображенного в оп раторном виде на рис. 5.1. |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
Z (p) |
|
|
|
|
Z |
|
(p) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
л |
|
|
оZ (p) |
|
|
|
Z |
|
(p) |
|
|
Z |
|
(p) |
|
R |
U |
|
(p) |
||||||||||||||||
|
|
|
|
E(p) |
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
5 |
|
н |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
н |
|
|
|
||||||
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Р сунок 5.1 – Обобщенное линейное звено в операторном виде |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E(p), U (p) |
– изображения воздействия E(t) и ре- |
|||||||||||||||||||||||||||
В обобщенном звене: |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
акции Uн(t); Rи , |
Rн – сопротивления (активные) источника сигнала и нагруз- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ки; Z1(p) Z5(p) |
– операторные сопротивления (активных, |
реактивных) эле- |
ментов звена.
Используя законы Ома и Кирхгофа, несложными преобразованиями можно получить следующее выражение для операторной передаточной функции обобщенного звена:
36
K(p) Uн(p)E(p) Z1Z3Z5Rн((Rн Z5)(Rи(Z1Z3 Z1Z4 Z2Z3 Z2Z4 Z3Z4)
Z1(Z2Z3 Z2Z4 Z3Z4)) RнZ5(Rи(Z1 Z2 Z3) Z1(Z2 Z3))), |
(5.9) |
где (для упрощения обозначения) Zi Zi(p), (i 1,5).
Виды и структуры изучаемых линейных звеньев приведены в таблице 5.1. При этом прочерк в строке на позиции элемента в последовательной ветви, например на позиции Z2(p), соответствует его перемыканию в обобщенном звене и подстановкеZ2(p) 0 в выражении (5.9), а прочерк в строке на позиции элемента в параллельной ветви, например на позиции Z3(p), соответствует отключению последнего от корпуса и подстановке Z3(p) в модели (5.9).
|
Таблица 5.1 – Виды и структуры линейных звеньев |
|
|
Р |
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Структура звена, операторные сопротивления элементов |
|
||||||||||||||||
|
Вид звена |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
И |
|
|
|
||
|
Rи |
|
Z1(p) |
Z2(p) |
Z3(p) |
Z4 |
(p) |
|
Z5(p) |
|
Rн |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
У |
|
|
|
|
|
|||||
|
ФНЧ 1 |
|
Rи |
|
- |
|
R |
|
(pC)-1 |
- |
|
- |
|
Rн |
|
|||||
|
ФНЧ 2 |
|
Rи |
|
- |
|
R |
|
(pC)-1 |
|
R |
|
|
(pC)-1 |
|
Rн |
|
|||
|
ФНЧ 3 |
|
Rи |
|
- |
|
pL |
|
R |
Г |
|
- |
|
|
- |
|
Rн |
|
||
|
ФНЧ 4 |
|
Rи |
|
- |
|
pL |
|
R |
|
pL |
|
R |
|
Rн |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
ФВЧ 1 |
|
Rи |
|
- |
|
(pC)-1 |
|
R |
|
|
|
- |
|
|
- |
|
Rн |
|
|
|
ФВЧ 2 |
|
Rи |
|
- |
|
(pC)-1 |
|
R |
|
(pC)-1 |
|
R |
|
Rн |
|
||||
|
ФВЧ 3 |
|
Rи |
|
- |
|
|
а |
|
pL |
|
|
- |
|
|
- |
|
Rн |
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
ФВЧ 4 |
|
Rи |
|
- |
|
к |
|
pL |
|
R |
|
|
pL |
|
Rн |
|
|||
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
ПФ |
|
Rи |
|
- |
|
pL |
|
- |
|
(pC)-1 |
|
- |
|
Rн |
|
||||
|
ЗФ |
|
Rи |
|
- |
е |
|
|
- |
|
|
|
- |
|
|
- |
|
Rн |
|
|
|
|
|
|
pL+(pC)-1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Совместное |
|
пр |
|
менениетданных табл. 5.1 и общего |
|
выражения |
|
(5.9) по- |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
зволяет существенно упростить нахождение операторных и комплексных пере- |
|
|
о |
даточных функц й сследуемых звеньев. |
|
и |
|
5.3 Порядок выполнения работы |
|
л |
|
5.3.1 Математическое моделирование интегрирующего и двойного |
|
бнтегрирующего звеньев |
|
и5.3.1.1 Изучить необходимые теоретические сведения. Проанализировать |
Бструктуру обобщенного линейного звена. Упрощая ее, перейти к интегрирующему RC-звену ФНЧ 1 (см. рис. 5.1, табл. 5.1). При условии Rи 0 и Rн построить его операторную передаточную функцию K(p). Используя соотношения (5.1), (5.2), (5.4) и (5.5), получить математические модели комплексной передаточной функции K , АЧХ K( ) , ФЧХ ( ), ХР3 a( ) и ХГВ3 ( ).
37
5.3.1.2 В системе MathCAD запрограммировать модели |
K( ) |
и ( ). |
При значении параметра Т по выполняемому варианту (см. табл. 1.2) и значении постоянной времени исследуемого звена 0 RC T на частотном отрезке
80 T,80 T с шагом f 80/(1000T) рассчитать отсчетные значения функций |
|||||||||||||||||||||||
|
K( ) |
|
и ( ), построить их графики. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Kи( ) |
|
и и( ) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
5.3.1.3 В системе MathCAD запрограммировать модели |
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|||||||||||||||||||||
идеального интегрирующего звена (имеющего |
|
|
комплексную передаточную |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р |
|
функцию Kи( ) ( j A) 1). При значении параметра A 0 T на частотном от- |
|||||||||||||||||||||||
резке 80 T,80 T с шагом |
f 80/(1000T) рассчитать |
отсчетные |
|
значения |
|||||||||||||||||||
функций |
|
Kи( ) |
|
и и( ), построить их графики, сравнить с графиками по п. |
|||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||
5.3.1.2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
У |
|
0, равных |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
5.3.1.4 Повторить п. 5.3.1.2 и 5.3.1.3 для значения параметра |
|
|||||||||||||||||||||
5Т, 25Т и 125Т. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
И |
|
||||||||||
|
5.3.1.5 Запрограммировать модели a( ) и ( ), при |
0 125T на том же |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Б |
|
|
|
|
|
|
и |
|||
частотном отрезке построить и проанализировать графики функций a( ) |
|||||||||||||||||||||||
( ). |
|
|
|
|
|
|
|
Г |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
|
звена, перейти |
к |
||||||||||
|
5.3.1.6 Упрощая структуру обобщенного |
линейного |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
к |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
двойному интегрирующему RC-звену ФНЧ 2 (см. рис. 5.1, табл. 5.1). При усло- |
|||||||||||||||||||||||
вии Rи 0 и |
Rн построить для его м тем тические |
модели K(p),K( ), |
|||||||||||||||||||||
|
K( ) |
|
, ( ), |
a( ) и ( ). |
Построить мод ли |
|
|
Kи( ) |
|
|
и и( ) идеального |
||||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
5.3.1.8 Проанализир вать структуры интегрирующего (ФНЧ 3) и двойно- |
||||||||||||||||||||
двойного интегрирующего звена, им ющ го комплексную передаточную функ- |
|||||||||||||||||||||||
цию Kи( ) ( j A) 2. |
е |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
5.3.1.7 Проделать п. 5.3.1.2 – 5.3.1.5 применительно к звену ФНЧ 2. |
|
|
|
при |
|
|
|
|
|
|
|
||
го интегрирующего (ФНЧ 4) LR-звеньев. Построить их операторные передаточ- |
|||||||||||
|
л |
|
|
|
|
|
|
|
|||
ные функции. Опреде |
ть, окаких условиях частотно-временные характери- |
||||||||||
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
стики ФНЧ 3 (ФНЧ 4) точно соответствуют характеристикам ФНЧ 1 (ФНЧ 2). |
|||||||||||
5.3.2 Математическое моделирование дифференцирующего и двойного |
|||||||||||
дифференц рующего звеньев |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5.3.2.1 Упрощая структуру обобщенного линейного звена, перейти к |
|||||||||||
дифференцирующемуи |
CR-звену ФВЧ 1 (см. рис. 5.1, табл. 5.1). При условии |
||||||||||
Rи 0 и Rн построить для его математические модели K(p), |
K( ), |
|
K( ) |
|
, |
||||||
|
|
||||||||||
( ), a( ) и ( ). |
|
|
|
K |
|
|
|
|
|
|
|
5.3.2.2 В системе MathCAD запрограммировать модели |
|
|
|
и |
|
( ). |
|||||
|
|
|
При значении постоянной времени 0 RC T , где значение Т соответствует выполняемому варианту (см. табл. 1.1), на частотном отрезке 80 T,80 T с
38
шагом f 80/(1000T) рассчитать отсчетные значения функций |
|
K |
|
|
|
и ( ), |
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
построить их графики. |
|
Kи( ) |
|
|
и и( ) идеального диффе- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
5.3.2.3 |
Запрограммировать модели |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
ренцирующего звена (Kи( ) ( j A) |
). При значении параметра |
|
|
A 0 T ана- |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
логично п. 5.3.2.2 рассчитать отсчетные значения функций |
|
|
Kи( ) |
|
и и( ), |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
построить их графики, сравнить с графиками по п. 5.3.2.2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
5.3.2.4. Повторить п. 5.3.2.2 и 5.3.2.3 для значений параметра 0, равных |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
0,2Т, 0,04Т и 0,008Т. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р |
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
5.3.2.5 Запрограммировать модели a( ) и ( ), при |
0 |
0.008T |
на том |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
И |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a( ) |
и |
||||
же частотном отрезке построить и проанализировать графики функций |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
( ). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
5.3.2.6 Упрощая структуру обобщенного |
линейного |
звена, перейти |
к |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Г2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
двойному дифференцирующему CR-звену ФВЧ 2 (см. рис. 5.1, табл. 5.1). При |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
условии Rи 0 |
и Rн построить для его математические модели K(p), |
K( ), |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
K( ) |
|
, ( ), |
a( ) |
|
|
|
|
|
|
|
Б |
KУ( ) и |
|
|
( ) идеального |
||||||||||||||||||||||
|
|
и ( ). Построить модели |
|
и |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
двойного дифференцирующего звена (Kи( ) ( j A) |
). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
5.3.2.7 Проделать п. 5.3.2.2 – 5.3.2.5 применительно к звену ФВЧ 2. |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
5.3.2.8 Проанализировать структуры дифференцирующего (ФВЧ 3) и |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
двойного дифференцирующего (ФВЧ 4) RL-звеньев. Построить их операторные |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
е |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
передаточные функции. Опр д лить, при каких условиях частотно-временные |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
характеристики ФВЧ 3 (ФВЧ 4)кточно соответствуют характеристикам ФВЧ 1 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
5.3.3.1 Упр щая структуру обобщенного линейного звена, перейти к ПФ |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(ФВЧ 2). |
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
5.3.3 Математическое моделирование ПФ и ЗФ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
(см. рис. 5.1, |
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
. 5.1). П строить для его математические модели K(p), K( ), |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
K( ) |
|
|
табл |
|
|
( ). |
2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
, ( ) |
, a( ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
5.3.3.2 |
В системе MathCAD |
запрограммировать модели |
|
|
K( ) |
|
, |
( ), |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/(6400 |
|
) (значение Т со- |
|||||||||||||||||
a( ) |
|
|
( ). При значении постоянной 0 LC T |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
ответствуетбвыполняемому варианту; см. табл. |
|
|
|
1.2) на частотном отрезке |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
80 |
T,80 T |
с шагом f 80/(1000T) рассчитать отсчетные значения и постро- |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ить графики функций |
|
K( ) |
|
, ( ), |
a( ) и ( ). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
Б |
|
|
|
|
|
|
2, |
|
||||||||||||||||||||||||||||||
5.3.3.3 |
Сохраняя неизменной постоянную |
повторить п. 5.3.3.2 при |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
значениях емкости, равных C/5 и C/25 (С – емкость по п. 5.3.3.2). Объяснить наблюдаемые изменения характеристик.
5.3.3.4 Проделать п. 5.3.3.1 – 5.3.3.3 применительно к ЗФ (см. табл. 5.1).
39
5.4 Содержание отчета
1.Цель работы.
2.Структуры и математические модели K(p), K( ), K( ) , ( ), a( )
и( ) исследуемых линейных звеньев.
3.Графики функций K( ) , ( ), a( ) и ( ).
4.Выводы.
5.5 Контрольные вопросы и задания |
|
|
|
|
|
|
Р |
||
1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сформулировать основные свойства линейных стационарных, линей- |
|||||||||
ных параметрических и нелинейных звеньев СТК. |
|
|
|
|
|
|
|||
2. |
Как связаны свойства звеньев с формой их практической реализации. |
||||||||
3. |
Область применения метода описания АЧХ и ФЧХ отрезками про- |
||||||||
стейших кривых. |
|
|
|
|
У |
|
|||
4. |
Процедура получения функции R( 2) (квадрат АЧХ) изИоператорной |
||||||||
передаточной функции K(p). |
|
Б |
|
|
|
|
|||
5. |
|
|
|
|
|
|
|
||
Форма ХР3 ФНЧ Баттерворта, Чебышева, Золотарева-Кауэра. |
|
||||||||
6. |
Свойства полиномов с действительными коэффициентамиГ |
по четным |
|||||||
8. |
Взаимосвязь |
логарифмич ского |
затухания |
и ФЧХ |
минимально- |
||||
степеням переменного |
p. |
|
|
|
|
|
|
|
|
7. |
|
к |
|
|
|
K(p) мини- |
|||
Процедура синтеза операторной перед точной функции |
мально-фазового звена по квадрату его АЧХ.
9.Особенности операторныхтп р даточных функций неминимальнофазовых линейных звеньев.
10.Сущность метода гопр ек ирования фильтров по рабочим параметрам.
11.На примере обобщенни линейного звена объяснить суть процедуры получения операторной передат чн й функции K(p).
12.Используялмоде ь (5.9), получить выражения для операторных передаточ-;ФВЧ ПФ;фазового звена. еЗФ.б
Би |
0 |
и 02. Постоянная времени в случае LR- |
14. Размерность параметров |
звеньев.
15.Оценить по результатам моделирования степень приближения (в зависимости от значения постоянной 0) АЧХ и ФЧХ реальных интегрирующего
идвойного интегрирующего звеньев к АЧХ и ФЧХ соответствующих идеальных звеньев. То же проделать применительно к дифференцирующим звеньям.
16.Объяснить характер изменения ХГВЗ интегрирующего и дифференцирующего звеньев.
17. Объяснить характер изменения ХГВЗ исследуемых ПФ и ЗФ.
40