控制系统中"带宽"的理解
本文来自对知乎文章如何入门自动控制的一些理解
首先来看几个概念:
带宽频率也称为闭环截止频率,是指当闭环幅频特性下降到频率为零时的分贝值以下3dB时,对应的频率,记作;
开环截止频率也称为剪切频率,是闭环系统的开环幅频特性中,幅频特性曲线穿越0dB线的频率,记为;
开环截止频率与闭环截止频率具有同向性:对一个闭环系统而言,其开环截止频率与闭环截止频率是两个完成不同的物理量,但它们之间又存在一定的相关性,即:开闭截止频率与其单位负反馈的闭环截止频率是同向增大的。且具有如下关系:。
下面首先通过一个例子来说明截止频率对系统性能的影响,最后再总结带宽对系统的影响:
以经典的弹簧阻尼系统为例,首先列写动力学方程:
即:惯性力+阻尼力+弹性力=外界激励
其中为阻尼系数,为弹簧弹性系数,将上式写成微分方程的形式:
现在假设用一个交变的正弦力去激励这个弹簧振子,会出现什么响应呢呢?从之前的博客频域分析基础得到的结果:当给LTI系统一个正弦激励时,其响应也是一个正弦,而且频率不变。具体见下图:
改变输入信号的频率,得到的输出信号也只有幅值和相位的变化,信号频率始终不变,如下如所示:
我们画出系统的bode图如下:
可以看到,当频率小于时,幅值响应增益基本为1,也就是幅值基本和输入一致,相位落后约。当频率大于时,幅值响应开始迅速衰减,当频率增加至时,幅值响应为,也就是输入幅值的1%,相位落后接近180°。
可见,对于一个一般的线性时不变系统(LTI),系统具有低通特性;
我们把对应幅值响应时的频率称之为截止频率(),低于这个频率的系统能通过,高于这个频率的,系统会有较大幅度的过滤,幅值输出很小。特殊地,对于一个二阶系统,当阻尼比时,自然频率就代表了系统的截止频率。
举个例子:输入有两个正弦函数组成:,一个分量为截止频率一半,另一个分量是截止频率的10倍,观察系统的输出:
由上图可以看出,频率的分量能较好的通过,而频率分量则基本被过滤掉了。这是两个频率分量的情况,那假如更复杂一些的输入呢?比如常见的阶跃信号:
首先我们对系统的阶跃响应做频谱分析得到其频谱分布:
由图可知,阶跃函数在所有频率都有分量,而且随着频率的增加,其幅值越来越小,也就是低频下的分量贡献更多。假如现在输入是阶跃函数,那输出会是什么样?
(注意:在时等同于直流信号,但它又不是纯粹的直流信号,它在处有跳变,因此其频谱不是仅在处有一个冲激函数(这对应于信号的直流特性),而且还会含有其它众多的频率分量。)
我们可以得到系统的阶跃响应如下图:
输出整体来说,基本呈“阶跃”样貌,但是在细节上又有不同。现在,假如改变系统的截止频率:
如
如
可以看出,随着截止频率的增加,越来越多频率的分量能够通过系统,那输出也就更接近输入信号了。 控制系统中一般闭环系统居多,对闭环系统而言,其截止频率等于带宽;那么,从时域和频域的两个方面来看,系统的带宽(截止频率)越大,时域的响应速度也就越快,系统跟踪输入信号的能力就越强。当带宽无穷大时,系统可以完全复现输入信号,当然这是物理不可实现的。