Временные характеристики и функция времени. Графическое представление частотных характеристик

Импульсная переходная функция любой устойчивой системы должна не только стремиться к нулю при увеличении аргумента, но и быть абсолютно интегрируемой

.

Импульсная переходная функция ) любой физи

чески осуществимой системы должна быть равна нулю при отрицательных значениях аргумента

.

Действительно, в любой физически осуществимой системе реакция системы не может наступить раньше причины, ее вызвавшей. В рассматриваемом случае входным воздействием, реакцией на которое является импульсная переходная функция, служит d - импульс, который равен нулю при отрицательных значениях аргумента. Следовательно, и реакция на такое воздействие должна быть равна нулю при отрицательных значениях аргумента.

Фактическое определение импульсной переходной функции, как реакции на d - воздействие, связано с определенными трудностями.

Во-первых, d - импульс бесконечно большой амплитуды, бесконечно малой длительности и единичной площади можно реализовать только приближенно. При этом суждение о том, достаточно ли малая длительность и достаточно ли большая амплитуда, чтобы реакция системы была достаточно близкой к импульсной переходной функции, сказать трудно. Кроме того, не всякая система допускает подачу на ее вход импульса выше определенной величины. Все сказанное о подобном способе определения имеет отношение только к экспериментам над математическими моделями, но не над физическими объектами. Следующая временная характеристика, с одной стороны, имеет очень простую связь с только что рассмотренной, а с другой стороны, допускает сравнительно простую реализацию.

3 Единичная переходная функция

Под единичной переходной функцией понимают реакцию системы на единичное ступенчатое воздействие.

Так как изображение по Лапласу единичной ступенчатой функции известно, то не трудно определить изображение по Лапласу ) единичной переходной функции :

при нулевых начальных условиях. Ясно, что оригинал может быть получен с помощью обратного преобразования найденного изображения. Однако проще воспользоваться каким либо другим способом определения реакции системы на столь простое воздействие.

Предложенная интерпретация единичной переходной функции как реакции на единичное ступенчатое воздействие может служить и основой экспериментального определения этой характеристики. Единичное ступенчатое воздействие, как и дельта -функция, является математической идеализацией реальных сигналов, которые предельно резко меняют свое значение с одного уровня на другое. Единственное различие между идеализированном сигналом и реальным – это время перехода из одного состояния в другое. Имея представление о быстродействии исследуемой системы всегда можно сказать, пренебрежимо мало оно или нет.

Между единичной переходной характеристикой и импульсной переходной функцией существует очень простая связь. Достаточно определить одну из них как определение другой уже не представляет труда.

Не трудно показать, что

.

Таким образом, импульсная переходная и единичная переходная функции связаны межу собой как производная и интеграл. Другими словами, наряду с только что приведенным выражением справедливо и выражение

.

4 Связь между входным и выходным процессами во временной области

Изображение выходного процесса равно произведению изображения входного процесса на изображение импульсной переходной функции :

.

Согласно одной из теорем о преобразовании Лапласа, произведению изображений соответствует свертка оригиналов, т.е. из последнего выражения следует

(1)

и

. (2)

В этих выражениях нередко верхний предел интегрирования полагается равным бесконечности. При определенных условиях это можно делать.

Для физически осуществимых систем значение импульсной переходной функции равно нулю при отрицательных значениях аргумента, т.е. для таких систем

.

Поэтому верхний предел в выражении (1) можно устремить к бесконечность, т.е. положить

Именно в такой форме обычно используется выражение выходного процесса через входной во временной (в действительной) области.

Нередко в качестве входного воздействия принимается не просто воздействие при нулевых начальных условиях, а равное нулю при отрицательном времени.

Однако, если при , то и верхний предел в выражении (2) можно устремить к бесконечности, не изменив значения интеграла, т.е. положить

.

В приведенных выше выражениях нет уточнения, что считать входным, а что выходным процессом. Эти понятия определяют вместе с определением передаточной функции. Если под входным процессом понимать управляющее воздействие, а в качестве выхода рассматривать сигнал ошибки, то для получения изображения сигнала ошибки следует воспользоваться передаточной функцией по ошибке. Обратное преобразование Лапласа от такой передаточной функции называется импульсной переходной функцией по ошибке. Она позволяет определить сигнал ошибки по выражению входного сигнала (во временной области):

.

Здесь - импульсная переходная функция системы по ошибке, обратное преобразование по Лапласу от передаточной функции по ошибке.

И вообще, если рассматривать выражения выходного сигнала через внешние воздействия в частотной области как сумму произведений изображений, то в действительной области каждому такому произведению будет соответствовать свертка.

Другими словами, выходной процесс системы, на которую действуют управляющее и возмущающее воздействия со своими передаточными функциями и , в действительной области можно представить в виде

 Скачать реферат