Bode Plot: faz değişimini hesaplama

Question

Bu transfer fonksiyonunu çizmem gerekiyor

Faz-frekans grafiğini çizerken, 10 ile 10 ^ 1.5 arasındaki faz değişimini hesaplamakta sorun yaşıyorum. Anladığım kadarıyla, frekans = 10'da faz -90 °, o zaman bir faz değişimi var ve eğim 45 ° / dec oranında artmalı ama frekansta 10 ^ 1.5'de bir değişiklik var. Eğri 10 ^ 1.5'e ulaşana kadar dereceleri hesaplamak için basit trigonometri uyguladım, böylece frekans = 10'dan 10 ^ 1.5'e eğri 10.80 ° yükseldi. Ancak, bu cevap yanlıştır ve gerçek Bode grafiği, frekans = 10'dan 10 ^ 1.5'e eğrinin 22.5 ° yükseldiğini göstermektedir. Biri bana frekans = 10'dan 10 ^ 1.5'e olan faz değişimini doğru bir şekilde nasıl hesaplayacağımı açıklayabilir mi?

Answer 1

Eh, aşağıdaki transfer fonksiyonumuz var:

$$\mathcal{H}\left(\text{s}\right):=\frac{\text{X}\left(\text{s}\right)}{\text{Y}\left(\text{s}\right)}=\frac{\left(1+10^{-\alpha}\cdot\text{s}\right)\left(1+10^{-\beta}\cdot\text{s}\right)}{\left(1+10^{-\gamma}\cdot\text{s}\right)\left(1+10^{-\epsilon}\cdot\text{s}\right)}\tag1$$

Nerede \$\alpha\in\mathbb{R}_{\ge0}\$, \$\beta\in\mathbb{R}_{\ge0}\$, \$\gamma\in\mathbb{R}_{\ge0}\$ve \$\epsilon\in\mathbb{R}_{\ge0}\$.

Transfer fonksiyonunun RHS'sini genişletebiliriz:

$$\mathcal{H}\left(\text{s}\right)=\frac{1+10^{-\beta}\cdot\text{s}+10^{-\alpha}\cdot\text{s}+10^{-\alpha}\cdot\text{s}\cdot10^{-\beta}\cdot\text{s}}{1+10^{-\epsilon}\cdot\text{s}+10^{-\gamma}\cdot\text{s}+10^{-\gamma}\cdot\text{s}\cdot10^{-\epsilon}\cdot\text{s}}=$$ $$\frac{1+\left(10^{-\alpha}+10^{-\beta}\right)\cdot\text{s}+10^{-\left(\alpha+\beta\right)}\cdot\text{s}^2}{1+\left(10^{-\gamma}+10^{-\epsilon}\right)\cdot\text{s}+10^{-\left(\gamma+\epsilon\right)}\cdot\text{s}^2}=$$ $$\frac{10^{-\left(\alpha+\beta\right)}\cdot\text{s}^2+\left(10^{-\alpha}+10^{-\beta}\right)\cdot\text{s}+1}{10^{-\left(\gamma+\epsilon\right)}\cdot\text{s}^2+\left(10^{-\gamma}+10^{-\epsilon}\right)\cdot\text{s}+1}\tag2$$

Şimdi, sinüzoidal fonksiyonlarla çalışırken, yerine \$\text{s}=\text{j}\omega\$:

$$\underline{\mathcal{H}}\left(\text{j}\omega\right)=\frac{10^{-\left(\alpha+\beta\right)}\cdot\left(\text{j}\omega\right)^2+\left(10^{-\alpha}+10^{-\beta}\right)\cdot\text{j}\omega+1}{10^{-\left(\gamma+\epsilon\right)}\cdot\left(\text{j}\omega\right)^2+\left(10^{-\gamma}+10^{-\epsilon}\right)\cdot\text{j}\omega+1}=$$ $$\frac{1-10^{-\left(\alpha+\beta\right)}\omega^2+\left(10^{-\alpha}+10^{-\beta}\right)\omega\text{j}}{1-10^{-\left(\gamma+\epsilon\right)}\omega^2+\left(10^{-\gamma}+10^{-\epsilon}\right)\omega\text{j}}\tag3$$

Şimdi, her iki taraftaki argümanı alabiliriz:

$$\displaystyle\arg\left(\underline{\mathcal{H}}\left(\text{j}\omega\right)\right)=\arg\left(1-10^{-\left(\alpha+\beta\right)}\omega^2+\left(10^{-\alpha}+10^{-\beta}\right)\omega\text{j}\right)-\arg\left(1-10^{-\left(\gamma+\epsilon\right)}\omega^2+\left(10^{-\gamma}+10^{-\epsilon}\right)\omega\text{j}\right)\tag4$$

Yani, birkaç farklı durumla karşılaşıyoruz:

1. Ne zaman \$1-10^{-\left(\alpha+\beta\right)}\omega^2=0\$, anlıyoruz: $$\arg\left(1-10^{-\left(\alpha+\beta\right)}\omega^2+\left(10^{-\alpha}+10^{-\beta}\right)\omega\text{j}\right)=\frac{\pi}{2}\tag5$$
2. Ne zaman \$1-10^{-\left(\alpha+\beta\right)}\omega^2>0\$, anlıyoruz: $$\arg\left(1-10^{-\left(\alpha+\beta\right)}\omega^2+\left(10^{-\alpha}+10^{-\beta}\right)\omega\text{j}\right)=$$ $$\arctan\left(\frac{\left(10^{-\alpha}+10^{-\beta}\right)\omega}{1-10^{-\left(\alpha+\beta\right)}\omega^2}\right)\tag6$$
3. Ne zaman \$1-10^{-\left(\alpha+\beta\right)}\omega^2<0\$, anlıyoruz: $$\arg\left(1-10^{-\left(\alpha+\beta\right)}\omega^2+\left(10^{-\alpha}+10^{-\beta}\right)\omega\text{j}\right)=$$ $$\frac{\pi}{2}+\arctan\left(\frac{\left|1-10^{-\left(\alpha+\beta\right)}\omega^2\right|}{\left(10^{-\alpha}+10^{-\beta}\right)\omega}\right)\tag7$$
4. Ne zaman \$1-10^{-\left(\gamma+\epsilon\right)}\omega^2=0\$, anlıyoruz: $$\arg\left(1-10^{-\left(\gamma+\epsilon\right)}\omega^2+\left(10^{-\gamma}+10^{-\epsilon}\right)\omega\text{j}\right)=\frac{\pi}{2}\tag8$$
5. Ne zaman \$1-10^{-\left(\gamma+\epsilon\right)}\omega^2>0\$, anlıyoruz: $$\arg\left(1-10^{-\left(\gamma+\epsilon\right)}\omega^2+\left(10^{-\gamma}+10^{-\epsilon}\right)\omega\text{j}\right)=\arctan\left(\frac{\left(10^{-\gamma}+10^{-\epsilon}\right)\omega}{1-10^{-\left(\gamma+\epsilon\right)}\omega^2}\right)\tag9$$
6. Ne zaman \$1-10^{-\left(\gamma+\epsilon\right)}\omega^2<0\$, anlıyoruz: $$\arg\left(1-10^{-\left(\gamma+\epsilon\right)}\omega^2+\left(10^{-\gamma}+10^{-\epsilon}\right)\omega\text{j}\right)=$$ $$\frac{\pi}{2}+\arctan\left(\frac{\left|1-10^{-\left(\gamma+\epsilon\right)}\omega^2\right|}{\left(10^{-\gamma}+10^{-\epsilon}\right)\omega}\right)\tag{10}$$

---

Şimdi, bunu probleminize uygulayabiliriz. Bunu biliyoruz \$\alpha=2\$, \$\beta=\frac{5}{2}\$, \$\gamma=0\$ve \$\epsilon=\frac{9}{2}\$. Böylece farklı durumları çözebiliriz:

1. Ne zaman \$\omega=100\sqrt[4]{10}\$, anlıyoruz: $$\arg\left(1-10^{-\left(\alpha+\beta\right)}\omega^2+\left(10^{-\alpha}+10^{-\beta}\right)\omega\text{j}\right)=\frac{\pi}{2}\tag{11}$$
2. Ne zaman \$0\le\omega<100\sqrt[4]{10}\$, anlıyoruz: $$\arg\left(1-10^{-\left(\alpha+\beta\right)}\omega^2+\left(10^{-\alpha}+10^{-\beta}\right)\omega\text{j}\right)=$$ $$\arctan\left(\frac{100\left(10+\sqrt{10}\right)\omega}{100000-\omega^2\sqrt{10}}\right)\tag{12}$$
3. Ne zaman \$\omega>100\sqrt[4]{10}\$, anlıyoruz: $$\arg\left(1-10^{-\left(\alpha+\beta\right)}\omega^2+\left(10^{-\alpha}+10^{-\beta}\right)\omega\text{j}\right)=$$ $$\frac{\pi}{2}+\arctan\left(\frac{\left|\omega^2\sqrt{10}-100000\right|}{100\left(10+\sqrt{10}\right)\omega}\right)\tag{13}$$
4. Ne zaman \$\omega=100\sqrt[4]{10}\$, anlıyoruz: $$\arg\left(1-10^{-\left(\gamma+\epsilon\right)}\omega^2+\left(10^{-\gamma}+10^{-\epsilon}\right)\omega\text{j}\right)=\frac{\pi}{2}\tag{14}$$
5. Ne zaman \$0\le\omega<100\sqrt[4]{10}\$, anlıyoruz: $$\arg\left(1-10^{-\left(\gamma+\epsilon\right)}\omega^2+\left(10^{-\gamma}+10^{-\epsilon}\right)\omega\text{j}\right)=$$ $$\arctan\left(\frac{\left(100000+\sqrt{10}\right)\omega}{100000-\omega^2\sqrt{10}}\right)\tag{15}$$
6. Ne zaman \$\omega>100\sqrt[4]{10}\$, anlıyoruz: $$\arg\left(1-10^{-\left(\gamma+\epsilon\right)}\omega^2+\left(10^{-\gamma}+10^{-\epsilon}\right)\omega\text{j}\right)=$$ $$\frac{\pi}{2}+\arctan\left(\frac{\left|\omega^2\sqrt{10}-100000\right|}{\left(100000+\sqrt{10}\right)\omega}\right)\tag{16}$$

Mathematica kullanıyorsanız, kullanabileceğiniz bir kod yazdım:

Plot[Piecewise[{{Pi/2, \[Omega] == 
      100*10^(1/
          4)}, {ArcTan[(100*(10 + 
           Sqrt[10])*\[Omega])/(100000 - \[Omega]^2*Sqrt[10])], 
     0 <= \[Omega] < 100*10^(1/4)}, {(Pi/2) + 
      ArcTan[Abs[\[Omega]^2*Sqrt[10] - 
          100000]/(100*(10 + Sqrt[10])*\[Omega])], \[Omega] > 
      100*10^(1/4)}}] - 
  Piecewise[{{Pi/2, \[Omega] == 
      100*10^(1/
          4)}, {ArcTan[((100000 + 
           Sqrt[10])*\[Omega])/(100000 - \[Omega]^2*Sqrt[10])], 
     0 <= \[Omega] < 100*10^(1/4)}, {(Pi/2) + 
      ArcTan[Abs[\[Omega]^2*Sqrt[10] - 
          100000]/((100000 + Sqrt[10])*\[Omega])], \[Omega] > 
      100*10^(1/4)}}], {\[Omega], 10, 10^(3/2)}, 
 AxesLabel -> {HoldForm[\[Omega][rad/s]], HoldForm[Arg[H[s]]]}, 
 PlotLabel -> HoldForm[Argument], LabelStyle -> {GrayLevel[0]}]

Çıktı şunları verir:

Daha büyük bir aralık çizmek, şunu verir: