3 Overføringsfunktion

Relaterede dokumenter
Øvelsesvejledning. Frekvenskarakteristikker Simulering og realisering af passive filtre.

C R. Figur 1 Figur 2. er eksempler på kredsløbsfunktioner. Derimod er f.eks. indgangsimpedansen

Skriftlig prøve i KDS

Asymptoter. for standardforsøgene i matematik i gymnasiet Karsten Juul

z j 2. Cauchy s formel er værd at tænke lidt nærmere over. Se på specialtilfældet 1 dz = 2πi z

Komplekse tal i elektronik

(c) Opskriv den reelle Fourierrække for funktionen y(t) fra (b), og afgør dernæst om y(t) er en lige eller ulige funktion eller ingen af delene.

Fysik 2 - Den Harmoniske Oscillator

Komplekse tal. Mikkel Stouby Petersen 27. februar 2013

Komplekse tal. x 2 = 1 (2) eller

Svar til eksamen i Matematik F2 d. 23. juni 2016

Noter til Komplekse tal i elektronik. Højtaler Bas, lavpasled, Mellemtone, Diskant

Indhold. Figur 1: Blokdiagram over regulatorprincip

Komplekse tal. Jan Scholtyßek

ELEKTRISKE KREDSLØB OG DYNAMISKE SYSTEMER

Komplekse tal i elektronik

Matematik 1 Semesteruge 5 6 (30. september oktober 2002) side 1. Komplekse tal Arbejdsplan

Total systembeskrivelse af AD1847

Indhold. Figur 1: Blokdiagram over regulatorprincip

Emneopgave: Lineær- og kvadratisk programmering:

Figur 1.1: Blokdiagram over regulatorprincip

MATEMATIK 3 EN,MP 17. september 2014 Oversigt nr. 1

En sumformel eller to - om interferens

Vektorfunktioner. (Parameterkurver) x-klasserne Gammel Hellerup Gymnasium

Mere om differentiabilitet

Den homogene ligning. Vi betragter den n te ordens, homogene, lineære differentialligning. d n y dt n. an 1 + any = 0 (1.2) dt. + a1 d n 1 y dt n 1

Eksamen i Matematik F2 d. 19. juni Opgave 2. Svar. Korte svar (ikke fuldstændige)

Nøgleord og begreber Komplekse tal Test komplekse tal Polære koordinater Kompleks polarform De Moivres sætning

Erik Vestergaard 1. Opgaver. i Lineære. funktioner. og modeller

Vektorer og lineær regression

Der er facit på side 7 i dokumentet. Til opgaver mærket med # er der vink eller kommentarer på side 6.

MM501 forelæsningsslides

Chapter 3. Modulpakke 3: Egenværdier. 3.1 Indledning

Vektorer og lineær regression. Peter Harremoës Niels Brock

Modulpakke 3: Lineære Ligningssystemer

Impedans. I = C du dt (1) og en spole med selvinduktionen L

Hvad er matematik? C, i-bog ISBN

Elementær Matematik. Trigonometriske Funktioner

Lineære differentialligningers karakter og lineære 1. ordens differentialligninger

Undervisningsbeskrivelse

Kapitel 2 Tal og variable

i x-aksens retning, så fås ). Forskriften for g fås altså ved i forskriften for f at udskifte alle forekomster af x med x x 0

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2019

DesignMat Komplekse tal

Løsninger til øvelser i kapitel 1

Skriftlig omprøve i matematik 4

Analog Øvelser. Version. A.1 Afladning af kondensator. Opbyg følgende kredsløb: U TL = 70 % L TL = 50 %

D1 1 Partikelformede bjergarter

Fononiske Båndgab. Køreplan Matematik 1 - FORÅR 2004

1 monotoni & funktionsanalyse

Theory Danish (Denmark)

lineær regression er en metode man bruger for at finde den mindste afstand mellem bestemte punkter ved at bruge denne formel: a= n i=1 i=1

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Januar 2019

Undervisningsbeskrivelse

Matematik 1 Semesteruge 5 6 (1. oktober oktober 2001) side 1 Komplekse tal Arbejdsplan

Besvarelser til Calculus Ordinær eksamen - Efterår - 8. Januar 2016

Fononiske Båndgab. Køreplan Matematik 1 - FORÅR 2005

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

Undervisningsbeskrivelse

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen - 5. Januar 2018

Skabelon til funktionsundersøgelser

Note om Laplace-transformationen

Kapitel 7 Matematiske vækstmodeller

Videregående Algoritmik. Version med vejledende løsninger indsat!

Funktionsfamilier. Frank Villa. 19. august 2012

Matematiske metoder - Opgaver

Lineære 2. ordens differentialligninger med konstante koefficienter

Højere Teknisk Eksamen maj Matematik A. Forberedelsesmateriale til 5 timers skriftlig prøve NY ORDNING. Undervisningsministeriet

Matricer og lineære ligningssystemer

i(t) = 1 L v( τ)dτ + i(0)

praktiskegrunde Regression og geometrisk data analyse (2. del) Ulf Brinkkjær

Hvorfor bevæger lyset sig langsommere i fx glas og vand end i det tomme rum?

2 Erik Vestergaard

Værktøjskasse til analytisk Geometri

Polynomier af én variabel

Anvendelse af den diskrete fouriertransformation

Værktøjskasse til analytisk Geometri

Fasedrejning og komplekse tal i elektronik Version

Besvarelser til Calculus Ordinær eksamen - Forår - 6. Juni 2016

π can never be expressed in numbers. William Jones og John Machins algoritme til beregning af π

Opførslen af LCR lavpasfiltre undersøges gennem udmåling af frekvensgang og steprespons for en række af disse.

Matematik F2 Opgavesæt 2

Institut for Matematik, DTU: Gymnasieopgave. I. De komplekse tals historie. Historien om 3. grads ligningerne

DesignMat Uge 1 Repetition af forårets stof

Undervisningsbeskrivelse

Indhold. 0.1 Beskrivelse af regulatorer

matx.dk Differentialregning Dennis Pipenbring

Eksamensspørgsmål: Eksponentiel vækst

Vores logaritmiske sanser

Projekt 1.4 Tagrendeproblemet en instruktiv øvelse i modellering med IT.

π er irrationel Frank Nasser 10. december 2011

Hi-Fi forstærker med digital styring

Grafregnerkravet på hf matematik tilvalg

Algebra med Bea. Bea Kaae Smit. nøgleord andengradsligning, komplekse tal, ligningsløsning, ligningssystemer, nulreglen, reducering

DesignMat Uge 1 Gensyn med forårets stof

Eksamen i Calculus. 14. juni f (x, y, z) = 1 + x 2 + y 2. Hele rummet uden z aksen

Boolsk algebra For IT studerende

Fysik 2 - Oscillator. Amalie Christensen 7. januar 2009

Eksamen i Calculus. 14. juni f (x, y, z) = 1 + x 2 + y 2. x 2 + y 2 1 Hele rummet uden z aksen

Transkript:

1 3 Overføringsfunktion 3.1 Overføringsfunktion For et system som vist på figur 3.1 er overføringsfunktionen givet ved: Y (s) =H(s) X(s) [;] (3.1) Y (s) X(s) = H(s) [;] (3.2) Y (s) er den Laplacetransformerede af udgangssignalet X(s) er den Laplacetransformerede af indgangssignalet H(s) er overføringsfunktionen Variablen s er den komplekse frekvens, hvor s =( + j!) rad/s. Når udgangssignalet også kaldet svaret fra systemet for et bestemt indgangssignal også kaldet påvirkningen af systemet skal beregnes, Laplacetransformeres x(t) til X(s), hvorefter Y (s) beregnes vha. (3.1). Slutteligt beregnes y(t) =L ;1 [Y (s)]. Fig. 3.1. Et lineært system beskrevet vha. funktioner af den komplekse frekvens s.

2 Svaret kan også beregnes direkte i tidsdomænet ved: h(t) =L ;1 [H(s)] [;] (3.3) h(t) er impulssvaret H(s) er overføringsfunktionen Impulssvaret (eller impulsresponset) kan via foldning anvendes til beregning af systemets svar i tidsdomænet: Z 1 y(t) = h( )x(t ; ) d [;] (3.4) 0 y(t) er systemsvaret x(t) er påvirkningen h(t) er impulssvaret Poler og nulpunkter Overføringsfunktionen, som er en bruden, rationel, kompleks funktion, der er positiv reel (se senere), har formen: H(s) =K sn + a 1 s n;1 + + a n;1 s k + b 1 s k;1 + + b n;1 [;] (3.5) (3.5) kan faktoriseres som: H(s) =K (s ; z 1)(s ; z 2 ) (s ; z n ) (s ; p 1 )(s ; p 2 ) (s ; p k ) [;] (3.6) De komplekse tal z m kaldes overføringsfunktionens nulpunkter (eng. zero), og p m kaldes polerne (eng. pole). Der gælder: 0 for s = z H(s) = m [;] (3.7) 1 for s = p m En overføringsfunktions poler og nulpunkter er altid enten reelle tal eller også optræder de som kompleks konjugerede par. Poler og nulpunkter kaldes under ét singulariteter. Det komplekse talplan, hvori s er defineret, kaldes det komplekse frekvensplan eller s-planet. Hvis poler og nulpunkter har negativ realdel, er de placeret i venstre halvplan (eng. LHP, Left Hand Plane) af s-planet. Det forudsættes normalt, at alle poler er placeret i LHP, hvilket er betingelsen for at systemet er stabilt. Hvis graden af nævneren i H(s) er større end graden af tælleren, siges H(s) at have et nulpunkt i uendelig. Hvis tællerens grad er størst, har H(s) en pol i uendelig. Systemer,

3 hvis nulpunkter udelukkende er placeret i LHP, kaldes minimum-fase systemer. I grafiske gengivelser markeres poler med krydser i s-planen, og nulpunkter med cirkler. En sådan grafisk angivelse kaldes et pol-nulpunkt diagram. Eksempel På figur 3.2 er vist pol-nulpunktdiagrammet for funktionen: s H(s) =7 (s + 6)(s +3; j5)(s +3+j5) [;] Fig. 3.2. Pol-nulpunkt diagram med et kompleks polpar i p 1 2 = ;3 j5 rad/s samt en reel pol i p 3 = ;6 rad/s og et nulpunkt i z 1 =0rad/s. Konstanten K er noteret i øverste højre hjørne.

4 Positivt reel funktion De overføringsfunktioner, der er relevante, er såkaldte positive, reelle funktioner. En sådan funktion opfylder følgende: Hvis s er reel, er H(s) reel Hvis s er imaginær, er realdelen af H(s) større end eller lig med 0 H(s) har ingen poler i højre halvplan Hvis der findes poler på j!-aksen, er de simple. Simple poler er forklaret i afsnit 3.2. Hvis en overføringsfunktion, H(s) er positiv reel, gælder der: H (j!)=h(;j!) [;] (3.8) jh(j!)j 2 = H(j!)H (j!) [;] (3.9) Frekvenskarakteristikker Ved bestemmelse af et systems frekvensgang sættes s = j! rad/s (realdelen sættes til 0), og man lader j! gå fra 0 rad/s til 1 rad/s. Funktionen H(j!) er kompleks, og jh(j!)j for! gående fra 0 rad/s til 1 kaldes amplitudekarakteristikken. Ligeledes kaldes 6 H(j!) fasekarakteristikken. De to størrelser kan bestemmes som: jh(j!)=jkj Q Q n j(j! ; z n)j n j(j! ; p n)j [;] (3.10) 6 H(j!)=6 K + X n p n er polerne [rad=s] 6 (j! ; z n ) ; X n z n er nulpunkterne [rad=s] 6 (j! ; p n ) [;] (3.11)

5 Da alle størrelserne (j! ; z n ) og (j! ; p n ) er plane vektorer i s-planen, kan beregningen udføres rent grafisk, idet man lader et punkt bevæge sig ad j!-aksen (ordinaten) fra 0 mod 1, og hele tiden dividerer produktet af længderne af nulpunktsvektorerne med produktet af polvektorerne for at få amplitudekarakteristikken. Fasekarakteristikken fås ved at trække summen af polvektorernes hældningsvinkler fra summen af nulpunktsvektorernes hældningsvinkel. Dette er illustreret på figur 3.3, efter hvilken nedenstående funktioner kan beregnes: jhj = jcj jkj [;] (3.12) jajjbj 6 H = w ; (u + v)+6 K [;] (3.13) Fig. 3.3. Grafisk bestemmelse af amplitude- og fasekarakteristik. Punktet! vandrer fra 0 til 1. C er vektoren fra nulpunktet z til punktet!. A og B er vektorerne fra polerne p 1 og p 2 til punktet!.

6 3.2 Bodeplot Det er almindeligt at gengive amplitudekarakteristikken i en dobbeltlogaritmisk afbildning og fasekarakteristikken i en enkeltlogaritmisk, hvor ordinaten i begge tilfælde er inddelt på basis af log!. Det er underforstået at vinkelfrekvenser alle steder er divideret med 1 rad/s. Endvidere anvendes en knækkurveapproksimation konstrueret ud fra asymptoter til bidragene fra hver singularitet. En sådan gengivelse kaldes et Bodeplot. I det følgende betragtes 3 typer af overføringsfunktioner: En konstant Reelle poler/nulpunkter Et komplekst par af poler/nulpunkter. Poler og nulpunkter beskrives under ét, da der kun er et fortegn til forskel. For hver angives bidraget til amplitude- og fasekarakteristikken. Da der er tale om en logaritmisk afbildning for amplitudekarakteristikken, betyder det, at bidragene jf. (3.10) skal adderes. Bidragene til fasekarakteristikken, som er lineær på ordinataksen, skal jf. formel (3.11) også adderes. Amplitudekarakteristikken beregnes som: jhj db = K db + X j(j! ; zn )j db ; X j(j! ; p n )j db [;] (3.14) Fasekarakteristikken beregnes som: 6 H(j!)=6 K + X 6 (j! ; z n ) ; X 6 (j! ; p n ) [;] (3.15) p n er polerne [rad=s] z n er nulpunkterne [rad=s] Angivelsen db betyder, at decibel-funktionen skal anvendes: A db 4 = 20 log A [;] (3.16)

7 Betegnelser I det følgende anvendes betegnelsen G for ændringer i amplitudekarakteristikken, jh(j!)j målt i db. ' anvendes for ændringer i fasekarakteristikken 6 H(j!) målt i grader. Størrelsen u står for db pr. dekade. 20 db/dekade er det samme som 6 db/oktav: G =jh(j!)j db [;] (3.17) ' =6 H(j!) [;] (3.18) er ændringen i H(j!) Bidraget fra en konstant Konstanten K giver: G =20logjKj [;] (3.19) ' = 0 for K positiv 180 for K negativ [;] (3.20) hvor symbolernes betydning er som angivet i (3.17) til (3.19). Det er almindeligt at sammenfatte alle konstante faktorer fra poler/nulpunkter i overføringsfunktionen i konstanten K, således at K bestemmes som værdien af jh(0)j.

8 Bidraget fra reelle poler/nulpunkter En reel pol eller et reelt nulpunkt af k te orden er defineret ved: (s ; a) k [;] (3.21) a er en pol eller et nulpunkt [rad=s] s er den komplekse frekvens [1=s] Både a og k er reelle tal. Ordenen k udtrykker antallet af poler eller nulpunkter, der har samme størrelse. Hvis k =1, siges polen eller nulpunktet at være simpel. Hvis k>1, siges polen eller nulpunktet at være multipel. Hvis k =0, er der tale om en konstant. Knækfrekvensen! c er givet ved:! c = a [;] (3.22) For frekvenser!! c gælder der: G = 20 log jaj [;] (3.23) ' =0 [;] (3.24) hvor symbolernes betydning er som angivet i (3.17) til (3.19). Disse værdier medregnes almindeligvis i konstanten K. For frekvenser!! c gælder: G = 20ku [;] (3.25) ' = 90k [;] (3.26) + gælder for nulpunkter ; gælder for poler Hver pol giver ;20k db pr. dekade, hvilket svarer til ;6k db pr. oktav. Nulpunkter giver det samme, men med positivt fortegn. De eksakte udtryk er: G = 20k log( p! 2 + a 2 ) [;] (3.27) ' = arctg! a [;] (3.28)

9 Figur 3.4 viser amplitude- og fasekurven sammen med knækkurveapproksimationen. Visse af funktionsværdierne er anført på figur 3.5. Fig. 3.4. Amplitude- og fasekarakteristik for en pol af orden k. Knækkurveapproksimationen er vist fuldt optrukket. Den virkelige kurveform er vist punkteret. For et nulpunkt af orden k skiftes fortegnet for hældningen og for argumentet.! Eksakt G Asymptote G Eksakt ' Asymptote ' [rad/s] [db] [db] [ ] [ ] 1 10 a 0 0 0 0 1 2 a -1 0-26,6-31,5 a -3 0-45 -45 2a -7-6 -63,4-58,6 10a -20-20 -90-90 Fig. 3.5. Tabel for værdierne i figur 3.4, gældende for en simpel pol. Værdierne for et tilsvarende nulpunkt fås ved at ændre fortegnene, værdierne for multiple poler/nulpunkter fås ved at multiplicere med ordenen k.

10 Eksempel Kredsløbet på figur 3.6 giver overføringsfunktionen: H(s) = s s + 1 RC [;] Der er et nulpunkt og en pol, begge reelle, givet ved: z 1 =0 [;] p 1 = ; 1 RC [;] Knækkurveapproximationen er vist på figur 3.7. Fig. 3.6. Et kredsløb med et reelt nulpunkt og en reel pol.

11 Fig. 3.7. Bodeplot for kredsløbet i figur 3.6. Bidraget fra et komplekst pol/nulpunktpar Et komplekst polpar eller nulpunktspar er givet ved: (s ; b)(s ; b ) [;] (3.29) b er en pol eller et nulpunkt [rad=s] b er den kompleks konjugerede af b [rad=s] s er den komplekse frekvens [1=s] Parret opskrives normalt på formen: s 2 ; 2! 0 s +! 2 0 = s 2 ; 1 Q! 0s +! 2 0 [;] (3.30)! 0 er den udæmpede frekvens [rad=s] er dæmpningsfaktoren [;] Q er polgodheden [;] Dæmpningsfaktoren er et tal mellem 0 og 1. Hvis er 0, er polerne eller nulpunkterne

12 rent imaginære. Hvis er 1, er polerne eller nulpunkterne rent reelle. Ved at sammenholde (3.29) og (3.30) fås: Re[b] =! 0 [;] (3.31) Im[b] =! 0 p1 ; 2 [;] (3.32) = Re[b]! 0 [;] (3.33)! 0 = p Re[b] 2 + Im[b] 2 [;] (3.34) b =arccos [;] (3.35) b er polvinklen [rad] eller [ ]. Pol-nulpunktdiagrammet på figur 3.8 viser betydningen af størrelserne. Fig. 3.8. Poldiagram for et komplekst polpar. Følgende vinkelfrekvenser, som er illustreret grafisk på figur 3.9, er defineret:! 0 = jbj [;] (3.36)! d =! 0 p1 ; 2 =Im[b] [;] (3.37)

13! p =! 0 p1 ; 2 2 [;] (3.38)! 3dB =! 0 q1 ; 2( 2 ; p 2 ; 4 ) [;] [3:39]! 0 er den udæmpede frekvens [rad=s]! d er den dæmpede frekvens [rad=s]! p er peakfrekvensen [rad=s]! 3dB er 3 db-frekvensen [rad=s] Størrelsen! 0 kaldes også polresonansfrekvensen. Peakfrekvensen optræder kun, når 1= p 2, hvilket er ensbetydende med, at Re[b] Im[b]. 3-dB frekvensen er den frekvens, hvor amplituden af overføringsfunktionen er faldet 3 db. Visse steder i litteraturen kan findes defineret en størrelse d, som også kaldes dæmpningsfaktoren (i stedet for ): d = 1 Q =2 [;] (3.40) Q er polgodheden [;] d er den alternative dæmpningsfaktor [;] Hvis = 1 p 2 gælder der: Re[b] = Im[b] [;] (3.41)! 3dB =! 0 [;] (3.42)! p =0 [;] (3.43) Q = = 1 p 2 [;] (3.44)

14 Fig. 3.9. Poldiagram for et komplekst polpar med angivelse af karakteristiske frekvenser. Frekvenserne konstrueres grafisk vha. en passer. Alle cirkelbuer går gennem polen. Ved bestemmelse af! p anvendes punktet A som centrum. Ved bestemmelse af! 0 anvendes punktet B. Ved bestemmelse af! 3dB anvendes punktet C. Frekvensen! d er givet som imaginærdelen af polen. Bidragene til Bodeplottet er for!! 0 : G = 20 log(! 0 2 ) [;] (3.45) ' =0 [;] (3.46) hvor symbolernes betydning er som angivet i (3.17) til (3.19). For høje frekvenser,!! 0 er bidraget: G = 40u [;] (3.47) ' = 180 [;] (3.48) + gælder for nulpunkter ; gælder for poler Det præcise udseende omkring! =! 0 afhænger af værdien af dæmpningsfaktoren.de eksakte udtryk er givet nedenfor. Kurverne for fase- og amplitudekarateristik er vist på

15 figur 3.10. G = 20 q(! [;] (3.49) log ) 2 +(2! 0!) 2 G = 20 q(! [;] (3.50) log ) 2 +(2! 0!) 2 ' =arctg 2!! 0! 2 0 ;!2 [ ] (3.51)

16 Fig. 3.10. Bodeplot for et komplekst polpar for forskellige værdier af dæmpningsfaktoren, vist i et område omkring! 0.

17 Eksempel Kredsløbet på figur 3.11 har overføringsfunktionen: H(s) = R L s + 1 RC s 2 + R L s + 1 LC [;] Med komponentværdierne R =1, L =1HogC =2F fås: H(s) = s +0 5 s 2 + s +0 5 s +0 5 = (s +0 5+j0 5)(s +0 5 ; j0 5) [;] Fig. 3.11. Et RLC-lavpasfilter med 2 komplekse poler og 1 reelt nulpunkt. Der er tale om en overføringsfunktion med et komplekst polpar og ét reelt nulpunkt. Følgende karakteristiske størrelser kan udledes, idet p står for den ene pol (p er den anden):! 0 = 1 plc =0 7071 rad/s [;] = 2 q R L C =0 7071 [;] Re[p] =! 0 = R 2L =0 5 [;] Im[p] = r L + R 2 L 2 C =1 0 [;] Bodeplottet for amplitudekarakteristikken er vist på figur 3.12. Kredsløbet udgør et lavpasfilter med afskæringsfrekvensen 0,7071 rad/s. Nulpunktet i -0,5 rad/s kommer

18 ikke til at få nogen indflydelse på overføringsfunktionen (det ligger midt imellem de komplekse poler). Fig. 3.12. Bodeplot for kredsløbet på figur 3.11.