都是滤波器，有神马不同?
发布时间：2014-8-12 13:49
发布者：看门狗
关键词：
滤波器
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作者：paradoxfx 在通信、控制等系统中，滤波器被广泛使用。它们可以被用来消除噪声、干扰、减小频率分量的混叠，也能衰减某些特定频率点上的谐振。在控制系统中，很多方法、概念就是由通信系统中借鉴过来的，例如工控领域广泛使用的PWM技术就源自通信领域;至于滤波器这样的技术就更不用说了。不过借鉴归借鉴，对于它们直接的区别，还是要认识清楚的。比如拿一个低通滤波器来，是不是只要设置了截止频率，别的就不管了呢?这样的使用方法，既不能充分发挥它们的特性，也有可能对系统造成不利的影响。 目前对于滤波器的讨论，包括教科书、文献、论坛等等，大多数都是针对通信系统中的应用的，所以人们关心的指标往往是滤波器造成的信号失真度、衰减特性、功率损坏、时延特性等。 而在控制系统中，上面的特性很难找到对应的实际意义，而且其信号的特征与通信系统中的许多应用都有一个显著的区别，就是其频率往往比较低，往往只有是几百甚至几十Hz，高的情况也不过几千Hz;例如即使是在性能很高的电机调速系统中，其闭环的电流内环的带宽往往也只能达到1kHz左右，所以在这些应用中，除了A/D输入端的抗混叠滤波器以外，其它滤波器的截止频率基本是不超过1kHz的(超过了就没有实际意义了，因为系统中更高频率的信号很少，系统本身的低带宽使得它看起来像一个低通滤波器)。 在控制系统中，使用最多的就属低通滤波器了。低通滤波器的滤波效果无庸置疑，但是它对控制系统的负面影响也是显而易见的。低通滤波器会引起波特图中，增益频率穿越处的相位滞后，从而减小稳定裕度，给控制系统带来不稳定性。例如，一个双极点的低通滤波器，假设其带宽为800Hz，则输出信号的幅值在前面几百Hz都是几乎无衰减的，直到800Hz时才衰减到70.7%;但是其相位可以从80Hz的时候就开始快速下降了。如果一个控制系统中有多个这样的滤波器，则几个这样的滤波器一叠加，再加上其它的延时环节，整个系统的相位裕度就非常小了，甚至很容易达到180度的相位延时;如果整好反馈增益又为1，则整个控制系统就彻底不稳定了(相当于正反馈)。所以在控制系统中使用滤波器时，都是小心、谨慎，尽可能地减小相位延迟对整个闭环系统的影响。 其次，在通信和数字信号处理教材中，一些窗函数，例如巴特沃斯、贝塞尔、切比雪夫、椭圆等经常被反复讲解，而在控制系统中，一般情况下只有巴特沃斯型的会被用到，因为只有它不产生凸峰，从而不会导致控制系统额外的超调。再比如我们经常会讨论到有限冲击响应FIR滤波器，它可以实现高阶滤波，对系数量化的变化不敏感，而且不会产生极限环，所以在通信系统中被广泛应用;例如在电话中，FIR的陡峭的衰减特性就很适合。而在控制系统中，除了极少的场合使用FIR进行滑动平均值滤波以外，FIR并不常用。一方面是控制系统中极少使用3阶以上的控制器(还是稳定性问题)，另一方面FIR需要的计算能力也需要占用大量的处理器时间，而控制系统中复杂的控制算法本身还需要处理器以较短的时间完成处理，例如在几十微秒到两三百微秒的定时中断中，必须完成有关的计算。 |
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