AFAT稳定性分析

AFAT稳定性分析

  • AFAT传递函数
  • AFAT分析

网上看资料时候无意中看到一个有意思的传递函数,加速型最速跟踪滤波器Acceleration fastest tracking filter,这个传函挺有意思,但是作者没给出理论分析,我来试着分析一下。

AFAT传递函数

AFAT是一个跟踪器,既输出会跟踪输入,传递函数如下
A F T F ( s ) = 2 T s ( 1 − e − T s T s − e − T s ) AFTF(s)=\frac{2}{Ts}(\frac{1-e^{-Ts}}{Ts}-e^{-Ts}) AFTF(s)=Ts2(Ts1eTseTs)
其中 T T T是这个传递函数的时间常数。
下方是这个传递函数 T = 1 T=1 T=1对应的阶跃响应
AFAT稳定性分析_第1张图片
也就是说传递函数的过渡过程是一个恒加速过程,在时间常数 T T T之后跟踪到给定,并且瞬间停止。

AFAT分析

为什么说这个传递函数有意思,因为这个传递函数完全由积分环节和 1 T s \frac{1}{Ts} Ts1和纯滞后环节 e − T s e^{-Ts} eTs组成,这两个环节都是线性时不变的环节(LTI),其组合成的AFAT也是LTI系统。通常见到的LTI系统直观感觉上都是都是比较“光滑”的,也就是输出是高阶连续的。这个传函与通常见到的有差异的原因主要在于这个纯滞后环节 e − T s e^{-Ts} eTs
在学习自控原理中很少涉及纯滞后环节 e − T s e^{-Ts} eTs,通常都是将其近似为一阶惯性环节
e T s = 1 + T s + T 2 s 2 2 ! + T 3 s 3 3 ! + ⋯ ≈ 1 + T s e^{Ts}=1+Ts+\frac{T^2s^2}{2!}+\frac{T^3s^3}{3!}+\cdots \approx 1+Ts eTs=1+Ts+2!T2s2+3!T3s3+1+Ts
T T T较小时有
e − T s ≈ 1 1 + T s e^{-Ts}\approx \frac{1}{1+Ts} eTs1+Ts1
但是,在AFAT中,这个一阶逼近不成立。因为如果使用一阶逼近,会导致
1 − e − T s T s − e − T s = 1 − 1 T s + 1 T s − 1 T s + 1 = T s + 1 − 1 − T s T s ( T s + 1 ) = 0 \frac{1-e^{-Ts}}{Ts}-e^{-Ts}=\frac{1-\frac{1}{Ts+1}}{Ts}-\frac{1}{Ts+1}=\frac{Ts+1-1-Ts}{Ts\left( Ts+1 \right)}=0 Ts1eTseTs=Ts1Ts+11Ts+11=Ts(Ts+1)Ts+11Ts=0
这就很有意思了,这个传递函数居然是利用 e − T s e^{-Ts} eTs的高次项来达成效果的
1 − e − T s T s − e − T s = e T s − 1 − T s T s ⋅ e T s = T 2 s 2 2 ! + T 3 s 3 3 ! + ⋯ T s ⋅ e T s \frac{1-e^{-Ts}}{Ts}-e^{-Ts}=\frac{e^{Ts}-1-Ts}{Ts\cdot e^{Ts}}=\frac{\frac{T^2s^2}{2!}+\frac{T^3s^3}{3!}+\cdots}{Ts\cdot e^{Ts}} Ts1eTseTs=TseTseTs1Ts=TseTs2!T2s2+3!T3s3+
A F T F ( s ) = 2 T s ( 1 − e − T s T s − e − T s ) = 2 T s T 2 s 2 2 ! + T 3 s 3 3 ! + ⋯ T s ⋅ e T s = e − T s T 2 s 2 ( T 2 s 2 + 2 T 3 s 3 3 ! + 2 T 4 s 4 4 ! + ⋯   ) = e − T s ( 1 + 2 T s 3 ! + 2 T 2 s 2 4 ! + ⋯   ) = 1 + 2 T s 3 ! + 2 T 2 s 2 4 ! + ⋯ 1 + T s + T 2 s 2 2 ! + T 3 s 3 3 ! + ⋯ \begin{aligned} AFTF(s)&=\frac{2}{Ts}(\frac{1-e^{-Ts}}{Ts}-e^{-Ts})\\ &=\frac{2}{Ts}\frac{\frac{T^2s^2}{2!}+\frac{T^3s^3}{3!}+\cdots}{Ts\cdot e^{Ts}}\\ &=\frac{e^{-Ts}}{T^2s^2}\left( T^2s^2+\frac{2T^3s^3}{3!}+\frac{2T^4s^4}{4!}+\cdots \right)\\ &=e^{-Ts}\left( 1+\frac{2Ts}{3!}+\frac{2T^2s^2}{4!}+\cdots \right)\\ &=\frac{1+\frac{2Ts}{3!}+\frac{2T^2s^2}{4!}+\cdots}{1+Ts+\frac{T^2s^2}{2!}+\frac{T^3s^3}{3!}+\cdots}\\ \end{aligned} AFTF(s)=Ts2(Ts1eTseTs)=Ts2TseTs2!T2s2+3!T3s3+=T2s2eTs(T2s2+3!2T3s3+4!2T4s4+)=eTs(1+3!2Ts+4!2T2s2+)=1+Ts+2!T2s2+3!T3s3+1+3!2Ts+4!2T2s2+
分子分母上都是无穷项,并且无法相消,但是使用终值定理可以得到,在阶跃给定下
lim ⁡ t → + ∞ y ( t ) = lim ⁡ s → 0 s A F A T ( s ) 1 s = 1 \lim_{t\rightarrow +\infty} y\left( t \right) =\lim_{s\rightarrow 0} sAFAT\left( s \right) \frac{1}{s}=1 t+limy(t)=s0limsAFAT(s)s1=1
既AFAT是稳定的。从阶跃响应来看,AFAT是有限时间稳定的,这个暂时还没想到如何从理论上进行证明。

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