波德圖計算
把轉移函數 G(s) 的分子與分母,以 10、s^2 + 3s + 2、(s+1)(s+2) 等 s 的式子輸入,即可繪製對角頻率 ω 的增益與相位圖(波德圖)。並把它視為開迴路轉移函數,求出相位邊限與增益邊限。
結果
- 增益交越頻率 ωgc(0 dB)
- –
- 相位邊限
- –
- 相位交越頻率 ωpc(−180°)
- –
- 增益邊限
- –
- 直流增益 G(0)
- –
- 單位回授的閉迴路
- –
- 極點(分母 = 0 的根)
- –
- 零點(分子 = 0 的根)
- –
橫軸為對數刻度的角頻率 ω [rad/s](頻率 f [Hz] = ω/2π)。虛線為增益 0 dB 與相位 −180°,紅點為交越的頻率。增益邊限為「無限大」表示相位未達 −180°。閉迴路是否穩定,是依單位回授 G/(1+G) 的特性根實部是否皆為負來判斷;含時間延遲時無法計算,請由邊限判斷。
以圖表檢視
其他輸入維持目前的值,只讓選擇的輸入在目前值的 1/4 到 4 倍之間變化時的結果。紅點是目前的值。
波德圖的讀法
波德圖是兩張圖,表示輸入正弦波時輸出的大小(增益)與相位偏移,對角頻率 ω 的變化。橫軸為對數刻度,增益以分貝 20·log10|G(jω)| 表示。取對數後,串接的轉移函數的增益與相位會變成相加,因此可疊加各要素的圖來思考整體。一階延遲 1/(Ts+1) 的增益在轉折角頻率 1/T 以前幾乎平坦,之後每 10 倍下降 20 dB,相位由 0° 變為 −90°。在轉折頻率處增益為 −3 dB、相位為 −45°。
相位邊限與增益邊限
回授控制的穩定裕度,可從開迴路轉移函數的波德圖讀出。在增益為 0 dB 的角頻率(增益交越頻率),相位距離 −180° 有多遠,就是相位邊限。在相位為 −180° 的角頻率(相位交越頻率),增益低於 0 dB 多少,就是增益邊限。範例 1/(s(s+1)) 的 ωgc ≈ 0.786 rad/s,相位邊限約 52°。10/((s+1)(s+2)(s+3)) 的 ωpc = √11 ≈ 3.32 rad/s,增益邊限約 15.6 dB,因此把增益提高約 6 倍到 60 就會臨界穩定。常用的參考值為相位邊限 40~60°、增益邊限約 10 dB 以上。
極點、零點與圖形
使分母為 0 的 s 是極點,使分子為 0 的 s 是零點。左半平面的實數極點,從與其大小相同的角頻率起,讓增益以 20 dB/dec 下降,並使相位延遲 90°。零點則相反,提高增益並使相位超前。原點的極點(積分)在所有頻率都加上 −20 dB/dec 與 −90°。一對共軛複數極點會在自然角頻率附近形成增益的峰(共振),阻尼比 ζ 越小峰越高。範例的二階延遲(ζ = 0.2)在 ω ≈ 1 rad/s 附近可看到增益的峰。
時間延遲的影響
時間延遲 e^(−Ls) 不改變增益,只讓相位延遲 ωL [rad]。頻率越高延遲越大,因此會減少相位邊限,並降低可提高增益的上限。範例 2e^(−0.5s)/(s+1) 的增益交越頻率為 √3 ≈ 1.73 rad/s,時間延遲造成約 50° 的延遲。相位邊限約 70°,若沒有時間延遲則約為 120°。含時間延遲的系統,其閉迴路的根無法由多項式求出,因此本工具會提示以邊限判斷閉迴路是否穩定。
練習控制工程的題目
- A在轉折角頻率 ω = 1/T 時增益約為 −3 dB、相位為 −45°,在遠高於此的頻率,增益以 −20 dB/dec 下降
- B在轉折角頻率 ω = 1/T 時增益為 −6 dB、相位為 −90°,在遠高於此的頻率,增益以 −40 dB/dec 的斜率下降
- C增益在任何頻率都是0 dB,只有相位與頻率成正比地落後
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正確答案:A. 在轉折角頻率 ω = 1/T 時增益約為 −3 dB、相位為 −45°,在遠高於此的頻率,增益以 −20 dB/dec 下降
G(jω) = 1/(1 + jωT) 的大小為 1/√(1 + (ωT)²),在 ω = 1/T 時為 1/√2(約 −3 dB),相位為 −45°。當 ω 遠大於 1/T 時,大小趨近 1/(ωT),頻率每增加10倍,增益就下降20 dB(−20 dB/dec)。相位由低頻的0°變化到高頻的 −90°。在波德圖的漸近線近似中,轉折點以下以0 dB的水平線表示,以上以 −20 dB/dec 的直線表示。
- A增益在任何頻率都是0 dB,相位在任何頻率都是 −90°
- B增益是在 ω = 1 rad/s 通過0 dB、斜率 +20 dB/dec 的直線,相位在任何頻率都是 +90°
- C增益是在 ω = 1 rad/s 通過0 dB、斜率 −20 dB/dec 的直線,相位在任何頻率都是 −90°
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正確答案:C. 增益是在 ω = 1 rad/s 通過0 dB、斜率 −20 dB/dec 的直線,相位在任何頻率都是 −90°
G(jω) = 1/(jω) 的大小為 1/ω,因此在 ω = 1 rad/s 時為0 dB,頻率每增加10倍就下降20 dB。由於 1/j = −j,相位在任何頻率都是 −90°。頻率越低增益越大,因此含有積分的系統,能使對步階目標值的穩態誤差為0。斜率 +20 dB/dec、相位 +90° 的直線,屬於微分元件 s。
- A−40 dB
- B−20 dB
- C0 dB
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正確答案:A. −40 dB
低頻時的增益為 20 log₁₀10 = 20 dB。由100 rad/s到1000 rad/s以 −20 dB/dec 下降,在1000 rad/s成為0 dB,之後加上第2個極點,以 −40 dB/dec 下降。由1000 rad/s到10⁴ rad/s是1個十倍頻程,因此增益為 0 − 40 = −40 dB。實際的值也約為 −40.04 dB;在遠離轉折點的頻率,漸近線近似相當準確。
- A增益邊限是增益為0 dB的頻率處相位距 −180° 的差,相位邊限是相位為 −180° 的頻率處增益距0 dB的差
- B增益邊限是相位為 −180° 的頻率處增益距0 dB的差,相位邊限是增益為0 dB的頻率處相位距 −180° 的差
- C增益邊限與相位邊限都在閉迴路的波德圖上,於增益為 −3 dB的頻率處讀取
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正確答案:B. 增益邊限是相位為 −180° 的頻率處增益距0 dB的差,相位邊限是增益為0 dB的頻率處相位距 −180° 的差
增益邊限表示在相位達到 −180° 的相位交越頻率處,增益比0 dB低多少dB。相位邊限表示在增益為0 dB的增益交越頻率處,相位距 −180° 還有多少度。兩者都是表示迴路轉移函數有多接近點 −1(增益0 dB、相位 −180°)的指標,要由迴路轉移函數而非閉迴路讀取。在伺服系統中,常以增益邊限約10~20 dB、相位邊限約40~60°作為參考。
- A約4.8 dB
- B約9.5 dB
- C約15.6 dB
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正確答案:B. 約9.5 dB
相位為 −90° − tan⁻¹ω − tan⁻¹(ω/2),由兩個角之和為90°的條件 ω × (ω/2) = 1,可知相位為 −180° 是在 ω = √2 rad/s 時。該處的增益為 |L(j√2)| = 2/(√2 × √3 × √6) = 1/3,因此增益邊限為 20 log₁₀3 ≈ 9.5 dB。這表示把增益提高為3倍(K = 6)就會到達極限,與用羅斯-赫維茲穩定準則求得的穩定範圍 0 < K < 6 一致。
- A過衝變小、振盪消失,但響應變慢
- B相位邊限是頻率響應的指標,因此不影響步階響應的形狀
- C響應有變快的傾向,但過衝變大,振盪也較難平息
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正確答案:C. 響應有變快的傾向,但過衝變大,振盪也較難平息
提高增益會使增益交越頻率提高、響應變快,但相位邊限減少時,閉迴路的阻尼比會變小。作為經驗法則,阻尼比 ζ 可估計為相位邊限(度)的約100分之1。對迴路轉移函數為 ωn²/(s(s + 2ζωn)) 的標準系統,相位邊限60°時過衝約9%,30°時約42%。相位邊限趨近0時會接近持續振盪,變成負的時候則不穩定。
常見問題
相位邊限要多少才夠?
一般常用 40~60° 作為參考。相位邊限小時,閉迴路步階響應的超越量變大,容易振盪。以二階系統近似時,相位邊限約 45° 相當於阻尼比約 0.4,約 60° 相當於約 0.6。也要考慮元件誤差與溫度變化,保留餘裕。
dB 與倍率如何換算?
增益的 dB 為 20·log10(倍率)。2 倍約 6 dB,10 倍為 20 dB,1/√2 ≈ 0.707 倍約 −3 dB,0.1 倍為 −20 dB。增益邊限 15.6 dB 表示增益提高約 6 倍就會到達穩定極限。
為什麼開迴路的波德圖能判斷閉迴路是否穩定?
單位回授的閉迴路 G/(1 + G) 在 1 + G(jω) = 0 時不穩定,也就是 G(jω) 通過或包圍增益 1、相位 −180° 這一點時(奈奎斯特穩定判據)。對開迴路本身穩定的一般系統,若在相位交越頻率時增益小於 1 就是穩定的。若開迴路本身有不穩定極點,就需要在奈奎斯特圖上計算環繞次數。