极点图和波特图

电器工程 转换功能
2022-01-24 23:45:47

我有三个问题困扰了我很久:

  1. 我们说,在波特图中,每当遇到极点时,增益每十倍频下降 20 dB。但是极点不是定义为使传递函数无穷大的 \$s\$ 的值吗?那么为什么此时收益不上升而不是下降呢?

  2. 从物理上讲,当我们为具有极点频率的系统供电时会发生什么?

  3. 另外,考虑一个传递函数\$1/(s+2)\$。系统在 \$s=(-2+j0)\$ 处有极点。也就是说,对于极点,\$\sigma=-2\$ 和 \$\omega=0\$。但是当我们将正弦信号应用于其输入并绘制波特图时,为什么我们说在 2 rad/sec 处有一个极点(即使对于极点,\$\omega=0\$ 和 \$\西格玛 =-2\$)?

4个回答

波特图不是绘制传递函数 (\$H(s)\$) 对 \$s\$ 的图。\$H(s)\$ 是一个复函数,它的幅值图实际上表示笛卡尔坐标系中的一个表面。如图所示,这个表面的每个极点都有无穷大的峰值:

在此处输入图像描述

波特图是先将 \$s= j\omega\$ 代入 \$H(s)\$,然后用极坐标形式表示 \$H(j\omega) = |H(\omega)|\angle \phi(\omega)\$。\$H(\omega)\$ 给出幅度波特图,\$\phi(\omega)\$ 给出相位波特图。

波特幅度图是传递函数的幅度 (\$|H(\omega)|\$) 与以弧度/秒为单位的频率对数 (\$\log_{10}|\omega|\$) 的渐近近似,其中\$|H(s)|\$(以 dB 表示)在 y 轴上,\$\log_{10}|\omega|\$ 在 x 轴上。

来到问题:

  1. 在极点处,\$|H(s)|\$ 的复曲面峰值不是 \$|H(\omega)|\$ 而是无穷大。

  2. 当系统以极点频率馈电时,共发输出将具有相同的频率,但幅度和相位将发生变化。该值可以通过分别在 \$|H(\omega)|\$ 和 \$\phi(\omega)\$ 中替换以弧度/秒为单位的频率来确定。

  3. -2 rad/sec 和 2 rad/sec 的极点对 \$|H(\omega)|\$ 具有相同的效果。我们的兴趣在于频率响应。所以我们只需要它的积极部分。

在尝试理解传递函数时,我认为“橡胶板类比”非常有用。想象一个覆盖复数 \$s\$ 平面的弹性橡胶板,并想象在传递函数的每个零处,该板都被固定在地面上,并且在每个极点上都有一个真正的细杆推动橡胶板向上。频率响应的幅度是沿 \$j\omega\$ 轴的橡胶板的高度。

  1. 从上面的类比来看,增益当然会朝着极点上升。但是远离极点,极点的贡献使传递函数下降(例如,趋向下一个零)。想象一下您在第三个问题中作为示例给出的简单系统。它在 \$s_{\infty}=-2\$ 处有一个实值极点,并且 - 由于这个极点 - 它在 \$s_0=\infty\$ 处也有一个零。因此随着频率的增加远离极点,传递函数会下降,因为橡胶片在无穷远处固定在地面上。在数学上,这也很容易看出:

  2. 当您使用与其一个极点对应的信号来激励系统时,与具有其他频率的输入信号相比,该输入信号会被“放大”。但是请注意,对于稳定的系统,输出信号将始终衰减。例如,如果你用传递函数 \$H(s)=\frac{1}{s+2}\$ 用输入信号 \$x(t)=e^{-2t}\$ 激励系统,那么输出将是 \$y(t)=te^{-2t}\$,其中因子 \$t\$ 对应于系统对输入信号的“放大”。但是,对于较大的 \$t\$ 值,指数因子将使信号接近 \$0\$。

  3. 简而言之,我们不会说在 \$2\$ rad/s 处有极点,因为没有。实际情况是,截止频率由极点的实部决定,即波特图中负斜率线的起点由值 \$2\$ 决定。这是我在上面第 1 点中给出的示例,其中每十年 \$-20\$ dB 的直线近似对 \$\omega\gg 2\$ 有效。\$2\$ 的值不是由极点频率(为零)决定的,而是由极点的实部决定的。

在此处输入图像描述

该图显示了复 \$s\$ 平面(无限)中的自然频率与沿 \$j\omega\$ 轴的相应幅度峰值之间的差异,可以在测量过程中观察到:该图属于自然\$\omega_p=1000\$ rad/s 的频率和极点品质因数 \$Q_p=1.3\$(这是可观察到的增益峰值的量度)。该图显示了通带中具有 3 dB 纹波的二阶切比雪夫特性。

方程中的“s”是函数 exp(s*t) 中的常数。所以,当 s 是一个实数时,这个时间函数是一个指数增长或下降的函数。您的 s=-2 示例是指数下降函数。对于任何极“数”,当您在该“数”处应用输入时,输出都会增长。如果您将指数下降信号应用于示例电路,则输出信号将变为无穷大。(但请注意,不可能生成始终呈指数下降的信号,因为过去这种信号有时非常大)。当您谈论像 2 弧度/秒这样的频率时,您指的是 j*2 处的极点,而不是 2,因此这些信号是正弦的。可以生成正弦波信号(至少在相当长的一段时间内)。