Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Ильинков, В. А. Моделир_систем_телеком_лаб_практ_Ч_1_

.pdf
Скачиваний:
71
Добавлен:
08.03.2016
Размер:
1.7 Mб
Скачать

10. 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