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零阶坚持器

【自控笔记】6.2零阶坚持器
理想低通滤波器在现实中是不存在的,在工程中,最常用的低通滤波器是零阶坚持器。这种坚持器在一个周期T内的值为常数,其导数为0,故因而而得名。
一、零阶坚持器的作用

零阶坚持器的作用很简单,就是把输入它的信号坚持一个周期T,其它什么也不干。

零阶坚持器-1.png


如上图所示,当输入信号为                                   δ                         (                         t                         )                              δ(t)                  δ(t)是,零阶坚持器的输出就是                                   δ                         (                         t                         )                              δ(t)                  δ(t)的值,并坚持一个周期。同理当输入信号为                                             e                            ∗                                  (                         t                         )                              e^*(t)                  e∗(t)时,其输出就是各个离散信号点坚持一个周期,复原出连续信号。
由此往下,研究零阶坚持器的传送函数,可以理解使用零阶坚持器恢复信号对原信号的差别。
二、零阶坚持器的传送函数

零阶坚持器的时域函数如下:
                                                   g                               h                                      (                            t                            )                            =                            1                            (                            t                            )                            −                            1                            (                            t                            −                            T                            )                                  g_h(t)=1(t)-1(t-T)                     gh​(t)=1(t)−1(t−T)
可以想象一下,它的时域函数在T以前是单位阶跃函数1(t),当t≥T时,1(t)-1(t-T)的值就为零了。所以它的时域图像是在一个周期T内的单位阶跃函数。
对                                             g                            h                                  (                         t                         )                              g_h(t)                  gh​(t)停止拉普拉斯变换即可得到它的传送函数:
                                                   G                               h                                      (                            s                            )                            =                            L                            [                                       g                               h                                      (                            t                            )                            ]                            =                                       1                               s                                      −                                       1                               s                                                 e                                           −                                  T                                  s                                                 =                                                   1                                  −                                               e                                                   −                                        T                                        s                                                                   s                                            G_h(s)=L[g_h(t)]=\frac{1}{s}-\frac{1}{s}e^{-Ts}=\frac{1-e^{-Ts}}{s}                     Gh​(s)=L[gh​(t)]=s1​−s1​e−Ts=s1−e−Ts​
令                                   s                         =                         j                         ω                              s=jω                  s=jω可以得出零阶坚持器的幅频特性
                                        ∣                                       G                               h                                      (                            j                            ω                            )                            ∣                            =                            T                            ⋅                                                   s                                  i                                  n                                  (                                  ω                                  T                                  /                                  2                                  )                                                      ω                                  T                                  /                                  2                                                       |G_h(jω)|=T·\frac{sin(ωT/2)}{ωT/2}                     ∣Gh​(jω)∣=T⋅ωT/2sin(ωT/2)​
零阶坚持器的相频特性
                                                   φ                               h                                      (                            ω                            )                            =                            −                                                   ω                                  T                                          2                                            φ_h(ω)=-\frac{ωT}{2}                     φh​(ω)=−2ωT​
其中T为采样周期,采样频率                                             ω                            s                                  =                                              2                               π                                      T                                       ω_s=\frac{2π}{T}                  ωs​=T2π​。因而零阶坚持器的幅频特性和相频特性的图像如下:

零阶坚持器-2.png


三、零阶坚持器对信号的影响

观察零阶坚持器的频率特性曲线,可以看出,它不只采样信号的主频通过,还能使部分高频分量通过,所以恢复的信号有一定的差别。观察它的相频特性曲线,它的相频是正比于频率相位滞后的,即引入零阶坚持器会使系统的相角裕度损失,形成系统稳定性下降。

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战哥
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