Warum verwenden wir die Sprungantwort? [Duplikat]

Wir neigen dazu, Systeme häufiger anhand der Sprungantwort zu identifizieren. Warum? Vor allem, wenn die Impulsantwort direkt mit der Übertragungsfunktion zusammenhängt?

Sie haben insofern Recht, als die Übertragungsfunktion die Laplace-Transformation der Impulsantwort ist. Ich denke jedoch, dass wir im Allgemeinen mehr daran interessiert sind, wie das System in einen neuen Zustand übergeht, wenn der Eingang seinen Zustand ändert, und nicht an der Reaktion auf eine vorübergehende Eingangsstörung wie einen Dirac-Impuls.
Weil reale Systeme keine unendliche Eingangsspannung mögen.
Es ist ziemlich schwierig, ein System in der realen Welt mit einem Dirac-Delta zu füttern, aber zumindest können Sie einen Schritt ziemlich gut annähern ...
@DmitryGrigoryev - Aber echte Testsysteme erzeugen keine echten Rechteckwellen / Schritte.
@HotLicks Abhängig von Ihrer Definition von "wahr" existieren möglicherweise auch keine echten Sinuswellen oder kein echter Gleichstrom. Mein Punkt ist, dass die meisten getesteten Systeme einen 5-V-Schritt viel besser mögen als einen 5-kV-100-ns-Impuls.

Antworten (3)

Sprungantwort und Übertragungsfunktion sind über die Laplace-Transformation austauschbar (Sprungantwort -> Differenzieren, um eine Impulsantwort zu erhalten -> Laplace -> Übertragungsfunktion), aber Sie können keine Laplace-Transformation auf einem Diagramm ausführen, das aus einem Datenblatt gezogen wurde ...

Beispielsweise interessiert sich der Benutzer eines LDO normalerweise für Dinge wie Spannungseinbruch/Überschwingen, wenn der Laststrom nach oben und unten steigt, daher ist in diesem Zusammenhang ein Diagramm der Sprungantwort nützlich.

Gleiches gilt, wenn Sie das Steuersystem für so etwas wie einen mechanischen Aktuator entwerfen: Das Einschwingverhalten ist oft wichtiger als die Übertragungsfunktion, Sie möchten ein Überschwingen vermeiden, eine übermäßige Anstiegsgeschwindigkeit vermeiden, eine gute Dämpfung haben und solche Dinge. Die Sprungantwort zeigt all dies auf leicht verständliche Weise, während die Übertragungsfunktion dies nicht tut (stattdessen bietet sie mehr Einblick in die Stabilität usw.).

Auch das Testen der Sprungantwort ist viel einfacher als das Messen der Übertragungsfunktion.

Und die Übertragungsfunktion ist nur gültig, wenn das System linear ist, nicht wenn es sich dreht. Wenn eine Flankensteilheit oder andere große Signalbedingungen betroffen sind, dann ist die Sprungantwort nicht länger die Laplace-Transformation der Übertragungsfunktion, da das System nicht mehr linear zeitinvariant ist.

Die Datenblätter von Opamps geben normalerweise beides an, da wir beide am Frequenzgang und an der Einschwingzeit / dem Klingeln / Überschwingen, der Clipping-Wiederherstellung usw. interessiert sind.

EDIT: Mir ist gerade aufgefallen, dass Sie gefragt haben, warum die Sprungantwort anstelle der Impulsantwort verwendet wurde:

  • Es ist einfach, einen schnellen Schritt zu erzeugen, sehr schwierig, einen "unendlich kurzen" Impuls (oder eine Annäherung davon) zu erzeugen.
  • Der Schritt enthält viel mehr Energie und erzeugt eine viel größere Reaktion. Während ein Impuls nur einen kleinen Blip am Ausgang erzeugen würde. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist mit einer Stufe viel besser.
  • Ein Impuls würde es nicht erlauben, die Anstiegsgeschwindigkeit zu testen. Es würde wenig Informationen liefern.
  • Somit ist der Schritt in der Praxis einfacher zu verwenden. Wenn Sie die Impulsantwort wollen, machen Sie einen Schritt und differenzieren Sie dann.
Ich stimme Ihrer Behauptung nicht zu, dass die Sprungantwort die Laplace-Transformation der Übertragungsfunktion ist, aber die Einheitsimpulsantwort ist die inverse Laplace-Transformation der Übertragungsfunktion.

Ein Impuls, dh mit einem Hammer darauf zu schlagen, ist nicht sehr freundlich, insbesondere in Systemen mit mechanischen Kleinteilen.

Ein perfekter Impuls kann nicht erzeugt werden, daher müssen Sie die Impulsdauer an das System anpassen.

Ein Impuls, der aussagekräftige Antwortdaten liefert, muss relativ stark sein, und das bedeutet eine hohe Amplitude (Stärke = Fläche = Höhe x Dauer und Dauer = klein, daher Höhe = groß).

Um die Sprungantwort aus der Impulsantwort zu erhalten, müssen Sie integrieren, was bedeutet, dass Sie die Anfangsbedingungen kennen müssen.

Eine Impulsantwort gibt nicht ohne weiteres DC-Verstärkungsinformationen; eine Sprungantwort tut es.

Ein Schritt ist nicht so heftig wie ein Impuls.

Ein Schritt ist ein Schritt, unabhängig von der Systemdynamik.

Sie können die Impulsantwort aus der Sprungantwort durch Differenzieren erhalten - und benötigen keine Anfangsbedingungen.

Die Sprungantwort ist oft das inhärente Integral der Impulsantwort (z. B. Motorgeschwindigkeit zu Motorverschiebung), und die Integration hat Rauschunterdrückungseigenschaften.

Ein perfekter Impuls kann zwar nicht erzeugt werden, aber auch die Erzeugung einer perfekten Stufe oder Rampe ist nicht möglich. Aber in der Praxis ist eine Schrittnäherung besser als die Näherung eines Impulses.
Die Impulsprüfung („Hammerprüfung“) ist eine sehr gängige Technik für mechanische Systeme – sie ist schnell, und nachdem Sie Beschleunigungsmesser an festen Positionen an der Struktur angebracht haben, können Sie den Impuls an so vielen verschiedenen Positionen anwenden, wie Sie möchten. Natürlich sind die Impulse mathematisch nicht perfekt – daher zeichnen Sie auch den Ausgang eines Kraftmessers im Hammerkopf auf, damit Sie wissen, welchen Impuls Sie bei jeder Messung tatsächlich aufgebracht haben, und erhalten die gemessene Übertragungsfunktion, nicht nur den nicht normalisierten Impuls Antwort. Die verwendeten "Hämmer" können zwischen 20 g und 20 kg wiegen, je nachdem, was Sie testen!

Es ist möglich, eine "fast perfekte" Stufenfunktion mit positiven Parametern δ, ε und ε' zu beschreiben, so dass:

  1. Für alle Werte von t<-δ liegt die Ausgabe zwischen -ε und +ε.
  2. Für alle Werte von t>+δ liegt die Ausgabe zwischen 1-ε und 1+ε.
  3. Für alle anderen Werte von t liegt die Ausgabe zwischen -ε' und 1+ε'.

Grafisch können solche Funktionen beschrieben werden, indem man sagt, dass ihre Ausgabe immer innerhalb einer "Hülle" liegt, die wie folgt aussieht:

 :                █
 :                █▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀ y=1
 :                █                
 :                █                
 :▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀█▔▔▔▔▔▔▔▔ y=0
 :                ▀ 

Jede Anwendung, die mit allen Funktionen arbeiten würde, die die Anforderungen für einige bestimmte Werte von δ, ε und ε' erfüllen würden, würde von jeder Funktion erfüllt werden, die die Anforderungen für kleinere Werte dieser Parameter erfüllt. Die genaue Position der Funktion innerhalb der Hüllkurve kann schlecht definiert sein, aber die meisten Anwendungen wären nicht an diesem Detaillierungsgrad interessiert, abgesehen davon, dass sie Obergrenzen für δ, ε und ε' haben. Dies macht es somit einfach, einen Satz von Funktionen zu beschreiben, die für einen bestimmten Zweck „gut genug“ sind, und sicherzustellen, dass das Verhalten eines realen Systems ein Mitglied dieses Satzes ist.

Eine „nahezu perfekte“ Impulsfunktion lässt sich dagegen nicht so beschreiben. Das Verhalten mag an den Stellen, an denen nichts passiert, wohldefiniert sein, aber der Teil des Bereichs, in dem das Verhalten am wenigsten klar definiert ist, ist auch der Teil des Bereichs, in dem alles Interessante passiert.

Das ist nette Mathematik, aber in der Praxis irrelevant, da es einfach ist, den angelegten Impuls (oder Schritt) mit der gleichen Zeitbereichsauflösung zu messen, wie Sie die Antwort messen .
@alephzero: Wenn ein Impuls etwa 1 us breit ist und man seine Gesamtamplitude auf 1% genau messen möchte, müsste man in der Lage sein, seine Breite auf 10 ns genau aufzulösen. Wenn man sich stattdessen die Sprungfunktion ansieht, müsste man nur den Wert zu jedem Zeitpunkt wissen, bevor er sich zu ändern begann, und zu jedem Zeitpunkt, nachdem er sich stabilisiert hatte. Die Durchführung der letzteren Messung mit der erforderlichen Genauigkeit ist wahrscheinlich viel einfacher als die Durchführung der ersteren.