Кіріспе
Басқару жүйесінің жиілік реакциясының графигі. Электротехника және басқару теориясында Боде графигі – жүйенің жиілік реакциясының графигі. Ол әдетте жиілік реакциясының шамасын (көбінесе децибелдермен) көрсететін Боде шамасы графигі және фазалық ығысуды көрсететін Боде фазасы графигінің үйлесімінен тұрады. 1930 жылдары Хендрик Уэйд Боде ұсынған бастапқы түсінік бойынша, график – жиілік реакциясының тік сызық сегменттерін қолдана отырып жасалған асимптоталық жуықтауы.
In electrical engineering and control theory, a Bode plot '/b//oʊ//d//i/// is a graph of the frequency response of a system. It is usually a combination of a Bode magnitude plot, expressing the magnitude (usually in decibels) of the frequency response, and a Bode phase plot, expressing the phase shift. As originally conceived by Hendrik Wade Bode in the 1930s, the plot is an asymptotic approximation of the frequency response, using straight line segments.
Шолу
Сұлба теориясы мен басқару теориясына қосқан көптеген маңызды үлестерінің ішінде инженер Хендрик Уэйд Боде 1930 жылдары Bell Labs-те жұмыс істеген кезде, күшейту және фазалық ығысу графиктерін салудың қарапайым, бірақ дәл әдісін жасады. Бұл графиктің оның атымен аталуымен белгілі – Боде күшейту графигі және Боде фазалық графигі. "Bode" әдетте "BOHdee" деп айтылады, бірақ голланд тілінде "Bo duh" деп айтылады. Боде телефон желілерінде қолдануға арналған кері байланыспен тұрақты күшейткіштерді жобалау мәселесімен бетпе-бет келді. Ол, тізбектің сипаттамалары өндіріс немесе жұмыс істеу кезінде өзгеретін жағдайларда тұрақтылықты сақтау үшін қажетті күшейту қоры мен фаза қоры көрсету үшін Боде графигін жобалау әдісін әзірледі. Дамытылған қағидалар сервомеханизмдер мен басқа кері байланыс басқару жүйелерін жобалау мәселелеріне қолданылды. Боде графигі – жиілік доменіндегі талдаудың бір мысалы.
Анықтама
Трансферт функциясы бар сызықтық, уақытқа инвариантты жүйе үшін Бод диаграммасы (Лаплас доменіндегі кешенді жиілік ) шамалық диаграммадан және фазалық диаграммадан тұрады. Бодтың шамалық диаграммасы – жиіліктен тәуелді функцияның графигі (мұндағы – ойқаш бірлік). Шамалық диаграмманың осі логарифмдік, ал шама децибелмен беріледі, яғни шаманың мәні жиілік осінде келесідей сызылады: . Бодтың фазалық диаграммасы – трансферт функциясының фазасының графигі, әдетте градустармен беріледі. Фаза шамалық диаграммадағы логарифмдік осімен бірдей осіге сызылады, бірақ фазаның мәні тік, сызықтық осіне сызылады.
The Bode phase plot is the graph of the phase, commonly expressed in degrees, of the transfer function as a function of The phase is plotted on the same logarithmic axis as the magnitude plot, but the value for the phase is plotted on a linear vertical axis.
Нормалдастырылған сызба
Көлденең жиілік осін, амплитудалық және фазалық графиктерде де, нормаланған (өлшемсіз) жиілік қатынасымен алмастыруға болады. Мұндай жағдайда график нормаланған деп есептеледі және барлық кіріс жиіліктері кесік жиілігіне шаққандағы еселік ретінде берілгендіктен, жиілік бірліктері қолданылмайды.
Нөл мен полюс үлгісі
2-сурет және 5-суреттер Боде графиктерін салуды одан әрі көрсетеді. Бұл мысал, полюс пен нөлдің болуымен, суперпозиция қағидасын қалай қолдануға болатынын көрсетеді. Алдымен, компоненттер жеке-жеке ұсынылады. 2-суретте нөлге және төмен өткізгіш полюске арналған Боде амплитудалық графигі көрсетілген, олар тура сызықты графиктермен салыстырылады. Трассалық сызықтар полюске (немесе нөлге) дейін көлденең болып, содан кейін 20 дБ/декадаға төмендейді (немесе көтеріледі). 3-суретте фазаға қатысты да осылай істеледі. Фазалық графиктер полюске (немесе нөлге) дейін жиіліктің он есе төменгі мәніне дейін көлденең болып, содан кейін жиілік полюске (немесе нөлге) дейін он есе жоғары болғанға дейін 45°/декадаға төмендейді (немесе көтеріледі). Содан кейін графиктер жоғары жиіліктерде қайтадан көлденең болады, жалғы соңғы фазалық өзгеріс 90°-қа тең. 4-сурет және 5-сурет полюс пен нөл графигінің суперпозициясы (қарапайым қосылуы) қалай жасалатынын көрсетеді. Боде трассалық сызықтары нақты графиктермен қайта салыстырылады. Мысал қызықтырақ болу үшін нөл полюске қарағанда жоғары жиілікке жылжытылды. 4-суретте полюстің 20 дБ/декадаға төмендеуі нөлдің 20 дБ/декадаға көтерілуімен тоқтатылып, нөлден жоғары жиіліктер үшін көлденең амплитудалық график пайда болады. 5-суреттегі фазалық графикте, түзу сызықты жуықтау, полюс және нөл фазаға әсер ететін аймақта өте жуық екеніне назар аударыңыз. Сондай-ақ, 5-суретте фазалық өзгерістердің диапазоны трассалық сызықтың графигінде полюстің (немесе нөлдің) орналасуынан жоғары және төмен он есе жиілікпен шектелетінін ескеріңіз. Полюс және нөлдің фазалары екеуі де болғанда, түзу сызықты фазалық график көлденең болады, өйткені полюстің 45°/декадаға төмендеуі, екі фаза да белсенді түрде фазаға үлес қосатын жиіліктердің шектеулі диапазонында нөлдің 45°/декадаға көтерілуімен тоқтатылады.
Боде графиктерін пайдалану мысалдары
6 және 7-суреттерде күшейту мінез-құлқы мен терминологиясы көрсетілген. Үш полюсті күшейткіш үшін 6-суретте кері байланыссыз күшейтудің (ашық цикл күшейтуі) Боде графигін, кері байланыспен күшейтумен (жабық цикл күшейтуімен) салыстырады. Толығырақ теріс кері байланыс күшейткішіне қараңыз. Бұл мысалда AOL = 100 дБ төмен жиіліктерде және 1 / β = 58 дБ. Төмен жиіліктерде AFB ≈ 58 дБ. Ашық цикл күшейтуі AOL графигі сызылғандықтан және β AOL көбейтіндісі емес, AOL = 1 / β шарты f0 dB-ді анықтайды. Төмен жиіліктердегі және үлкен AOL үшін кері байланыс күшейтуі AFB ≈ 1 / β (осы бөлімнің басында үлкен күшейту AOL жағдайында кері байланыс күшейтуі үшін формулаға қараңыз), сондықтан f0 dB табудың баламалы тәсілі – кері байланыс күшейтуі ашық цикл күшейтуін қиып алатын жерді қарастыру. (Фазалық шекті табу үшін жиілік f0 dB қажет.) f0 dB-дағы екі күшейтудің осы қиылысуында Баркхаузен критерийлері осы мысалда орындалады, ал кері байланыс күшейткіші күшейтудің үлкен шыңына ие болады (егер β AOL = -1 болса, шексіз болар еді). Бірлік күшейту жиілігі f0 dB-ден асып кеткенде, ашық цикл күшейтуі жеткілікті түрде кіші болады, сондықтан AFB ≈ AOL (кіші AOL жағдайында осы бөлімнің басындағы формуланы қараңыз). 7-суретте тиісті фазалық салыстыру көрсетілген: кері байланыс күшейткішінің фазасы f180 жиілігіне дейін нөлге жақын, онда ашық цикл күшейтуінің фазасы -180°. Бұл жерде кері байланыс күшейткішінің фазасы кенеттен төмен қарай құлап, ашық цикл күшейткішінің фазасымен шамалас болады. (Еске түсіріңіз, AFB ≈ AOL кіші AOL үшін.) 6-суреттегі және 7-суреттегі белгіленген нүктелерді салыстыра отырып, осы күшейткіште f0 dB бірлік күшейту жиілігі мен f180 фазалық ауысу жиілігі өте жақын, f180 ≈ f0 dB ≈ 3.332 кГц, яғни күшейту шегі мен фазалық шегі нөлге жақын. Күшейткіш тұрақсыз. 8 және 9-суреттерде кері байланыс β-ның әртүрлі мөлшері үшін күшейту шегі мен фазалық шегі көрсетілген. Кері байланыс коэффициенті 6-шы немесе 7-ші суреттердегіден кішірек таңдалады, бұл | β AOL | = 1 шартын төменгі жиілікке жылжытады. Бұл мысалда 1 / β = 77 дБ, ал төмен жиіліктерде AFB ≈ 77 дБ. 8-суретте күшейту графигі көрсетілген. 8-суреттен 1 / β және AOL қиылысы f0 dB = 1 кГц-те болады. F0 dB-ге жақын AFB-дегі күшейтудің шыңы жоғалып кеткеніне назар аударыңыз. 9-сурет фазалық графигі. 8-суреттегі шамалық диаграммадан жоғарыда көрсетілген f0 dB = 1 кГц мәнін пайдаланып, f0 dB-дегі ашық цикл фазасы -135°, бұл -180°-дан 45° жоғары фазалық шек. 9-суретті пайдаланып, -180° фаза үшін f180 = 3.332 кГц мәні (әрине, бұрын табылған нәтиже). 8-суреттегі f180-де ашық циклдің күшейтуі 58 дБ, ал 1 / β = 77 дБ, сондықтан күшейту шегі 19 дБ. Тұрақтылық күшейткіштің жауап беруінің жалғыз критерийі емес, көптеген қолданбаларда тұрақтылықтан гөрі қатаң талап жақсы қадамдық жауап болып табылады. Әдетте, жақсы қадамдық жауапқа кем дегенде 45° фазалық шегіну қажет, ал көбінесе 70°-дан астам шегіну ұсынылады, әсіресе өндіріс толеранстарына байланысты компоненттердің өзгеруі мәселе болғанда. Сондай-ақ, қадамдық жауап мақаласындағы фазалық шектің талқылауын қараңыз.
Бодлы сызғыш
Боде графигі – осциллографқа ұқсас электрондық құрал, ол кері байланыс басқару жүйесінде немесе сүзгіде жиілікке тәуелді тізбектің кернеу күшейтуінің немесе фазалық ығысуының Боде диаграммасын немесе графигін құрады. Мысалы, 10-суретте көрсетілген. Бұрыштық (шешілім) жиіліктерін, күшейтуді және фазалық қорын өлшеу арқылы сүзгілерді талдауға және сынауға, сондай-ақ кері байланыс басқару жүйелерінің тұрақтылығын тексеруге өте ыңғайлы. Бұл векторлық желі анализаторының атқаратын қызметімен бірдей, бірақ желі анализаторы көбінесе әлдеқайда жоғары жиіліктерде қолданылады. Оқу және зерттеу мақсатында берілген беріліс функциялары үшін Боде диаграммаларын салу түсінікті жақсартуға және жылдам нәтижелер алуға көмектеседі (сыртқы сілтемелерді қараңыз).
Байланысты учаскелер
Екі байланысты график, бірдей деректерді әртүрлі координаттық жүйелерде көрсетеді – Найквист графигі және Николс графигі. Бұл параметрлік графиктер, онда жиілік кіріс, ал жиілік жауабының шамасы мен фазасы – шығыс. Найквист графигі оларды полярлық координаттарда шама радиусқа, ал фаза аргументке (бұрышқа) сәйкес келетіндей етіп көрсетеді. Николс графигі оларды логарифмдік шкаламен тікбұрышты координаттарда көрсетеді.