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基于MATLAB的不同阻尼系数的环路对典型暂态相位信号的响应
探究环路对典型相位信号的响应
报告人:董琳 通信工程1203 120901103
刘强 卓越电子1201 120910115
(a)相位阶跃信号 (b)频率阶跃升信号 (c)频率斜升信号
图1-1典型的暂态相位信号
典型二阶环对典型相位信号的响应
对相位阶跃信号的响应
(1)响应函数
(2)MATLAB仿真代码:在不同阻尼系数下绘响应图
(流程图及代码见附录)
结果
结论:
当时的响应为衰减振荡,系统称为欠阻尼系统。
这种系统响应的暂态过程,在稳定值的上下振荡,振荡的频率,由于存在振荡,暂态过程出现过冲,即瞬时值大于稳定值。
当时响应为单调上升的曲线,是非振荡型过阻尼系统。
当时是上述两者的临界状态,这种系统称为临界阻尼系统,系统的响应没有过冲现象。
通常锁相环设计在欠阻尼状态,即
在相位阶跃信号的作用下,RC积分滤波器构成的典型二阶环经历暂态过程达到稳定状态时,不存在稳态相位误差,即。典型二阶环可无相差跟踪相位阶跃信号。
对频率阶跃信号(相位斜升信号)的响应
响应函数(锁相环的相位误差响应)
(2)MATLAB仿真代码:在不同阻尼系数下绘响应图
(流程图及代码见附录)
(3)结果
(4)结论
在锁相环路设计中,通常取。
表达式中有二项。第一项是常数,第二项随时间减小。
其物理意义:典型的二阶环在跟踪频率阶跃输入信号时,瞬态响应分为二部分:
第一部分所描述的是环路过渡过程结束后进入稳态过程的稳态相差,
其中为环路增益。
第二部分描述瞬态响应的暂态过程,时,该项趋于0。
结论:典型的二阶环跟踪频率阶跃信号有稳定相差,无频差。稳态相差越小,表示跟踪性能越好。
设计时应该注意以下问题:
由式(9.4.69)可知,要使稳态相差尽可能小,必须增加,即增大,或减小。
过小会导致过冲量大,瞬态过渡时间长,且系统不稳,因此必须兼顾稳态相差和系统的稳定性,通常取。
3、对频率斜升信号(相位加速度信号)的响应
(1)响应函数
当时,锁相环路的相位误差响应
(2)MATLAB仿真代码:在不同阻尼系数下绘响应图
(流程图及代码见附录)
(3)结果
(4)结论
由图像可知典型二阶环不能对频率斜升信号跟踪。对于采用RC积分滤波器构成的典型二阶环,,当时,即高增益时,有,该环路能在很长时间内对输入斜升信号进行跟踪。
综上所述:
典型二阶环可以无频差的跟踪相位阶跃、频率阶跃信号,不能跟踪频率斜升信号。
二、理想二阶环对典型相位信号的响应
1、对相位阶跃信号的响应
(1)响应函数
MATLAB仿真代码:在不同阻尼系数下绘响应图
(流程图及代码见附录)
(3)结果
(4)结论
当时,环路有最大的相位误差值。
这是由于时环路还未来得及进行反馈控制之故。显然该值不应超过鉴相器鉴相特性的线性范围。
当时,,即:稳态相位误差为0;
越小,瞬态过程的振荡幅度越大。
比较二阶系统的输出响应曲线和理想二阶环对相位阶跃输入信号的暂态响应可知,理想二阶环比典型二阶环的响应速度快得多。
2、对频率阶跃信号(相位斜升信号)的响应
(1)响应函数
(2)MATLAB仿真代码:在不同阻尼系数下绘响应图
(流程图及代码见附录)
(3)结果
(4)结论
暂态过程的性质由决定。
当时,暂态过程是衰减振荡,环路处于欠阻尼的振荡状态,振荡频率;
当时,暂态过程按指数衰减,尽管有可能产生过冲,但不会在稳态值附近多次摆动,环路处于过阻尼状态;
当时,环路处于临界阻尼状态,其暂态过程没有振荡。
当时,则振荡频率为,所以作为无阻尼自由振荡频率的物理意义非常明确。
二阶环的暂态过程有过冲现象,过冲量的大小与有关,越小,过冲量越大,环路的稳定性越差。
稳态相位误差,即理想二阶环路可无相差的跟踪频率阶跃输入信号。
3、对频率斜升信号(相位加速度信号)的响应
(1)响应函数
(2)MATLAB仿真代码:在不同阻尼系数下绘响应图
(流程图及代码见附录)
(3)结果
(4)结论:
由图像可以发现最后的归一化误差响应收敛于1所以:
理想二阶环能无频差跟踪频率斜升信号,但有 的稳态相差。
综上所述:
理想二阶环能无频差跟踪相位阶跃、频率阶跃、频率斜升信号。
三、非理想二阶环对典型相位信号的响应
1、对相位阶跃信号的响应
(1)响应函数
(2)MATLAB仿真代码:在不同阻尼系数下绘响应图(代码见附录)
(3)结果
非理想二阶环在增益为30时的对相位阶跃信号响应
非理想二阶环在增益为1500时的对相位阶跃信号响应
结论:
通过图像可以发现,环路增益的改变对跟踪性能没有很大的影响,所以说非理想二阶环可以无相位误差的跟踪相位阶跃信号。
2、对频率阶跃信号(相位斜升信号)的响应
(1)响应函数
(2)MATLAB仿真代码:在不同阻尼系数下绘
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