Большая советсткая энциклопедия Частотный метод

Частотный метод

Частотный метод в теории автоматического управления, метод оценки динамических свойств системы автоматического управления, основанный на использовании её частотных характеристик, выражающих установившуюся реакцию системы на входной гармонический сигнал. Установившаяся реакция стационарной линейной системы на входной сигнал x₁ = A₁e ^jwt является также гармоническим сигналом x₂ = A₂^. e^{j (wt+j)}. Выходной и входной сигналы связаны через комплексную передаточную функцию x₂ = W (j () x₁, модуль которой выражает отношение амплитуд сигналов

а аргумент W (jw) — фазовый сдвигj(w) между x₂ и x₁. Годограф W (jw) на комплексной плоскости при изменении w от 0 до +¥ (рис. 1) называют амплитудно-фазовой характеристикой (АФХ). Каждой точке годографа соответствует определённая частота. Длина вектора, проведённого из начала координат в точку АФХ, соответствующую частоте w, равна ½W (jw)½, а фазовый сдвиг вектора относительно вещественной положительной полуоси — аргументу W (jw). Зависимость модуля и аргумента от частоты выражается амплитудно-частотной и фазовой частотной характеристиками (АЧХ и ФЧХ). При построении логарифмической амплитудно-частотной и фазовой частотной характеристик (ЛАЧХ и ЛФЧХ) по оси абсцисс откладывают в логарифмическом масштабе частоту, а по осям ординат в линейном масштабе — значение модуля, выраженное в децибеллах ½W (jw)½ дб (для ЛАЧХ), и аргумент j(w) (для ЛФЧХ) (рис. 2). Частотные характеристики строят либо по комплексной передаточной функции, полученной из дифференциального уравнения системы, либо по результатам измерения отношения амплитуд и фазового сдвига между сигналами при различной частоте. Частотные характеристики (АФХ или ЛАЧХ и ЛФЧХ) используют для исследования устойчивости систем автоматического управления и качественных показателей переходных процессов в ней. В теории автоматического регулирования Ч. м. был введён в 1936—38 А. В. Михайловым.

Используя критерий Найквиста, можно судить об устойчивости замкнутой линейной системы (т. е. системы с обратной связью) по АФХ разомкнутой системы: замкнутая система устойчива, если АФХ разомкнутой системы не охватывает критической точки с координатами — 1,0 (рис. 1). Устойчивость замкнутой системы можно оценивать и непосредственно по ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой системы: замкнутая система устойчива, если запас по фазе j₃= p — ½j(w) _с½положителен (рис. 2) (w_с — частота среза, при которой ЛАЧХ пересекает ось абсцисс). Частота среза может служить мерой быстродействия системы, а запас по фазе — мерой степени затухания свободных колебаний в ней. На базе логарифмических частотных характеристик и критерия Найквиста развиты весьма эффективные методы синтеза корректирующих устройств, обеспечивающих требуемые динамические свойства замкнутой системы. Аналогичные Ч. м. были разработаны для анализа и синтеза линейных импульсных систем. Качественные показатели переходного процесса в линейной системе оценивают по переходной характеристике, выражающей реакцию системы на входной скачкообразный сигнал. Советский учёный В. В. Солодовников предложил методы построения и оценки свойств переходной характеристики по вещественной частотной характеристике Р (w)=ReW (jw). Для нелинейных замкнутых систем на основе Ч. м. советский учёный Л. С. Гольдфарб разработал критерий существования и устойчивости автоколебаний, румынский математик В. М. Попов предложил критерий абсолютной устойчивости.

Лит.: Воронов А. А., Основы теории автоматического управления, ч. 1—2, М., 1965—66; Теория автоматического управления, ч. 1—2, М., 1968—72.

Е. Л. Львов.