自动控制理论典型环节的频率特性精品文稿.ppt

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1、自动控制理论典型环节的频率特性10/24/20221第1页，本讲稿共51页实频特性实频特性：；虚频特性：；虚频特性：；ReImK 比例环节：比例环节：;幅频特性：幅频特性：；相频特性：；相频特性：比例环节的极坐标图为比例环节的极坐标图为实轴上的实轴上的K点。点。一、奈奎斯特图一、奈奎斯特图10/24/20222第2页，本讲稿共51页积分环节的奈氏图积分环节的奈氏图频率特性：频率特性：ReIm 积分环节的频率特性：积分环节的频率特性：积分环节的极坐标图为积分环节的极坐标图为负虚轴。频率负虚轴。频率w w从从0特性曲线由虚轴的特性曲线由虚轴的趋向原点。趋向原点。10/24/20223第3页，本讲稿

2、共51页惯性环节的奈氏图惯性环节的奈氏图 惯性环节的频率特性惯性环节的频率特性：10/24/20224第4页，本讲稿共51页惯性环节的奈氏图惯性环节的奈氏图极坐标图是一个圆，对极坐标图是一个圆，对称于实轴。证明如下：称于实轴。证明如下：整理得：整理得：下半个圆对应于正频率部下半个圆对应于正频率部分，而上半个圆对应于负分，而上半个圆对应于负频率部分。频率部分。10/24/20225第5页，本讲稿共51页实频、虚频、幅频和相频特性分别为：实频、虚频、幅频和相频特性分别为：振荡环节的频率特性振荡环节的频率特性 振荡环节的频率特性振荡环节的频率特性：讨论讨论 时的情况。当时的情况。当K=1时，频率特性

3、为：时，频率特性为：10/24/20226第6页，本讲稿共51页当当 时，时，曲线在曲线在3，4象限；当象限；当 时，与之对称时，与之对称于实轴。于实轴。振荡环节的奈氏图振荡环节的奈氏图实际曲线还与阻尼系数实际曲线还与阻尼系数有关有关10/24/20227第7页，本讲稿共51页振荡环节的奈氏图振荡环节的奈氏图由图可见无论是欠由图可见无论是欠阻尼还是过阻尼系阻尼还是过阻尼系统，其图形的基本统，其图形的基本形状是相同的。形状是相同的。当过阻尼时，阻尼当过阻尼时，阻尼系数越大其图形越系数越大其图形越接近圆。接近圆。10/24/20228第8页，本讲稿共51页 微分环节的频率特性微分环节的频率特性：微

4、分环节有三种：纯微分、一阶微分和二阶微分。传递函微分环节有三种：纯微分、一阶微分和二阶微分。传递函数分别为：数分别为：频率特性分别为：频率特性分别为：微分环节的频率特性微分环节的频率特性10/24/20229第9页，本讲稿共51页 纯微分环节：纯微分环节：纯微分环节的奈氏图纯微分环节的奈氏图ReIm微分环节的极坐标图为微分环节的极坐标图为正虚轴。频率正虚轴。频率w w从从0特性曲线由原点趋向虚特性曲线由原点趋向虚轴的轴的+。10/24/202210第10页，本讲稿共51页一阶微分环节的奈氏图一阶微分环节的奈氏图 一阶微分：一阶微分：ReIm一阶微分环节的极坐标一阶微分环节的极坐标图为平行于虚轴

5、直线。图为平行于虚轴直线。频率频率w w从从0特性曲线特性曲线相当于纯微分环节的特相当于纯微分环节的特性曲线向右平移一个单性曲线向右平移一个单位。位。10/24/202211第11页，本讲稿共51页二阶微分环节的频率特性二阶微分环节的频率特性 二阶微分环节：二阶微分环节：幅频和相频特性为：幅频和相频特性为：10/24/202212第12页，本讲稿共51页1极坐标图是一个圆心在原点，极坐标图是一个圆心在原点，半径为半径为1的圆。的圆。延迟环节的奈氏图延迟环节的奈氏图 延迟环节的频率特性延迟环节的频率特性：传递函数：传递函数：频率特性：频率特性：幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：10/24/

6、202213第13页，本讲稿共51页7、开环系统极坐标频率特性的绘制（绘制奈氏图）开环系统的频率特性或由典型环节的频率特性组合而成，或是一个有理分式，不论那种形式，都可由下面的方法绘制。q 使用MATLAB工具绘制。q 将开环系统的频率特性写成 或 的形式，根据不同的 算出 或 可在复平面上得到不同的点并连之为曲线。（手工画法）。或直接用经验法绘制。绘制方法：10/24/202214第14页，本讲稿共51页例5-1设开环系统的频率特性为：试列出实频和虚频特性的表达式。当 绘制奈氏图。解：当 时，找出几个特殊点（比如 ，与实、虚轴的交点等），可大致勾勒出奈氏图。为了相对准确，可以再算几个点。10

7、/24/202215第15页，本讲稿共51页 0-1.72-5.770 0-0.79 03.8510.80.20相角：-180-114.62 -90-56.3100.80.20用上述信息可以大致勾勒出奈氏图。10/24/202216第16页，本讲稿共51页下图是用 Matlab工具绘制的奈氏图。10/24/202217第17页，本讲稿共51页例5-2设开环系统的频率特性为：试绘制极坐标特性曲线。解：分析1、当 时，显然，当 时，的渐近线是一条通过实轴 点，且平行于虚轴的直线。2、与实轴的交点。令：，解得：，这时：3、当 时，渐近线方向向下。10/24/202218第18页，本讲稿共51页10/

8、24/202219第19页，本讲稿共51页具有积分环节的系统的频率特性的特点：频率特性可表示为：其相角为：当 时，当 时，显然，低频段的频率特性与系统型数有关，高频段的频率特性与n-m有关。10/24/202220第20页，本讲稿共51页下图为0型、型和型系统在低频和高频段频率特性示意图：（0型）（型）（型）低频段频率特性n-m=3n-m=1n-m=2高频段频率特性至于中频部分，可计算一些特殊点的来确定。如与坐标的交点等。10/24/202221第21页，本讲稿共51页幅频特性：幅频特性：；相频特性：；相频特性：比例环节：比例环节：;对数幅频特性：对数幅频特性：相频特性：相频特性：比例环节的比

9、例环节的bode图图二、二、对数频率特性曲线（波德图，对数频率特性曲线（波德图，BodeBode图）图）10/24/202222第22页，本讲稿共51页 积分环节的频率特性：积分环节的频率特性：频率特性：频率特性：积分环节的积分环节的Bode图图可见斜率为可见斜率为20/dec 当有两个积分环节时，斜率为当有两个积分环节时，斜率为 -40/dec 10/24/202223第23页，本讲稿共51页惯性环节的惯性环节的Bode图图 惯性环节的频率特性惯性环节的频率特性：对数幅频特性：对数幅频特性：，为，为了图示简单，采用分段直线近似表示。方法如下：了图示简单，采用分段直线近似表示。方法如下：低频段

10、：当低频段：当 时，时，称为低频渐近线。，称为低频渐近线。高频段：当高频段：当 时，时，称为高频渐近线。，称为高频渐近线。这是一条斜率为这是一条斜率为-20dB/Dec的直线（表示的直线（表示 每增加每增加10倍频程下降倍频程下降20分贝）。分贝）。当当 时，对数幅频曲线趋近于低频渐近线，当时，对数幅频曲线趋近于低频渐近线，当 时，趋近于高频渐近线。时，趋近于高频渐近线。低频高频渐近线的交点为：低频高频渐近线的交点为：，得：，得：，称为转折频率或交换频率。，称为转折频率或交换频率。可以用这两个渐近线近似的表示惯性环节的对数幅频特性。可以用这两个渐近线近似的表示惯性环节的对数幅频特性。10/24

11、/202224第24页，本讲稿共51页惯性环节的惯性环节的Bode图图图中，红、绿线分别是低频、高频渐近线，蓝线是实际曲线。图中，红、绿线分别是低频、高频渐近线，蓝线是实际曲线。10/24/202225第25页，本讲稿共51页惯性环节的惯性环节的Bode图图波德图误差分析波德图误差分析（实际频率特性和渐近线之间的误差）：（实际频率特性和渐近线之间的误差）：当当 时，误差为：时，误差为：当当 时，误差为：时，误差为：最大误差发生在最大误差发生在 处，为处，为w wT0.1 0.2 0.5 1 2 510L(w),(w),dB-0.04-0.2-1-3-7-14.2-20.04 渐近线渐近线,dB

12、 0 000-6-14-20 误差误差,dB-0.04-0.2-1-3-1-0.2-0.0410/24/202226第26页，本讲稿共51页 相频特性：相频特性：作图时先用计算器计算几个特殊点：作图时先用计算器计算几个特殊点：由图不难看出相频特性曲线在半对数坐标系中对于由图不难看出相频特性曲线在半对数坐标系中对于(w w0,-45)点点是斜对称的，这是对数相频特性的一个特点。当时间常数是斜对称的，这是对数相频特性的一个特点。当时间常数T变变化时，对数幅频特性和对数相频特性的形状都不变，仅仅是根化时，对数幅频特性和对数相频特性的形状都不变，仅仅是根据转折频率据转折频率1/T的大小整条曲线向左或向

13、右平移即可。而当增的大小整条曲线向左或向右平移即可。而当增益改变时，相频特性不变，幅频特性上下平移。益改变时，相频特性不变，幅频特性上下平移。惯性环节的波德图惯性环节的波德图w wT0.010.020.050.10.20.30.50.71.0j(w)j(w)-0.6-1.1-2.9-5.7-11.3-16.7-26.6-35-45w wT2.03.04.05.07.0102050100j(w)j(w)-63.4-71.5-76-78.7-81.9-84.3-87.1-88.9-89.410/24/202227第27页，本讲稿共51页 振荡环节的频率特性振荡环节的频率特性：讨论讨论 时的情况。当

14、时的情况。当K=1时，频率特性为：时，频率特性为：振荡环节的频率特性振荡环节的频率特性幅频特性为：幅频特性为：相频特性为：相频特性为：对数幅频特性为：对数幅频特性为：低频段渐近线：低频段渐近线：高频段渐近线：高频段渐近线：两渐进线的交点两渐进线的交点 称为转折频率。斜率为称为转折频率。斜率为-40dB/Dec。10/24/202228第28页，本讲稿共51页相频特性：几个特征点：由图可见：对数相频特性曲线在半对数坐标系中对于(w0,-90)点是斜对称的。对数幅频特性曲线有峰值。振荡环节的波德图10/24/202229第29页，本讲稿共51页对对 求导并令等于零，可解得求导并令等于零，可解得 的

15、极值对应的频率的极值对应的频率 。该频率称为谐振峰值频率。可见，当该频率称为谐振峰值频率。可见，当 时，时，。当当 时，无谐振峰值。当时，无谐振峰值。当 时，有谐振峰值。时，有谐振峰值。谐振频率，谐振峰值谐振频率，谐振峰值当当 ，。因此在转折频率附近的渐近线依不同阻尼系数与实际曲线可能因此在转折频率附近的渐近线依不同阻尼系数与实际曲线可能有很大的误差。有很大的误差。10/24/202230第30页，本讲稿共51页振荡环节的波德图振荡环节的波德图左图是不同阻尼系数情况下的左图是不同阻尼系数情况下的对数幅频特性和对数相频特性对数幅频特性和对数相频特性图。上图是不同阻尼系数情况图。上图是不同阻尼系数

16、情况下的对数幅频特性实际曲线与下的对数幅频特性实际曲线与渐近线之间的误差曲线。渐近线之间的误差曲线。10/24/202231第31页，本讲稿共51页 微分环节的频率特性：微分环节有三种：纯微分、一阶微分和二阶微分。传递函数分别为：频率特性分别为：微分环节的频率特性10/24/202232第32页，本讲稿共51页纯微分环节的波德图纯微分环节的波德图 纯微分：纯微分：10/24/202233第33页，本讲稿共51页 一阶微分：这是斜率为+20dB/Dec的直线。低、高频渐进线的交点为相频特性：几个特殊点如下相角的变化范围从0到 。低频段渐进线：高频段渐进线：对数幅频特性（用渐近线近似）：一阶微分环

17、节的波德图10/24/202234第34页，本讲稿共51页一阶微分环节的波德图一阶微分环节的波德图10/24/202235第35页，本讲稿共51页幅频和相频特性为：二阶微分环节：低频渐进线：高频渐进线：转折频率为：，高频段的斜率+40dB/Dec。相角：可见，相角的变化范围从0180度。二阶微分环节的频率特性10/24/202236第36页，本讲稿共51页二阶微分环节的波德图二阶微分环节的波德图10/24/202237第37页，本讲稿共51页 延迟环节的频率特性延迟环节的频率特性：传递函数：传递函数：频率特性：频率特性：幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：延迟环节的奈氏图延迟环节的奈氏图1

18、0/24/202238第38页，本讲稿共51页7、开环系统对数坐标频率特性的绘制（绘制波德图）开环系统对数频率特性曲线的绘制方法：先画出每一个典型环节的波德图，然后相加。10/24/202239第39页，本讲稿共51页例：开环系统传递函数为：，试画出该系统的波德图。解：该系统由四个典型环节组成。一个比例环节，一个积分环节两个惯性环节。手工将它们分别画在一张图上。然后，在图上相加。10/24/202240第40页，本讲稿共51页 实际上，画图不用如此麻烦。我们注意到：幅频曲线由折线（渐进线）组成，在转折频率处改变斜率。q 确定 和各转折频率 ，并将这些q频率按小大顺序依次标注在频率轴上；q 确定

19、低频渐进线：，就是第一条折线，其斜率为 ，过点（1，20logk）。实际上是k和积分 的曲线。具体步骤如下：10/24/202241第41页，本讲稿共51页q 高频渐进线的斜率为：-20(n-m)dB/dec。q 相频特性还是需要点点相加，才可画出。遇到 （一阶惯性）时，斜率下降-20dB/Dec;遇到 （二阶惯性）时，斜率下降-40dB/Dec;q 画好低频渐进线后，从低频开始沿频率增大的方向，每遇到一个转折频率改变一次分段直线的斜率：遇到 （一阶微分）时，斜率增加+20dB/Dec;遇到 （二阶微分）时，斜率增加+40dB/Dec;10/24/202242第42页，本讲稿共51页例5-3系

20、统开环特性为：试画出波德图。解：1、该系统是0型系统，所以则，2、低频渐进线：斜率为 ，过点（1，20）3、波德图如下：10/24/202243第43页，本讲稿共51页红线为渐进线，兰线为实际曲线。10/24/202244第44页，本讲稿共51页例5-4已知，试画波德图。解：1、2、低频渐进线斜率为 ，过（1，-60）点。4、画出波德图如下页：3、高频渐进线斜率为：10/24/202245第45页，本讲稿共51页红线为渐进线，兰线为实际曲线。10/24/202246第46页，本讲稿共51页三、非最小相位系统的频率特性 在前面所讨论的例子中，当 时，对数幅频特性的高频渐进线的斜率都是-20(n-

21、m)dB/Dec，相频都趋于 。具有这种特征的系统称为最小相位系统。在最小相位系统中，具有相同幅频特性的系统（或环节）其相角（位）的变化范围最小，如上表示的 。相角变化大于最小值的系统称为非最小相位系统。结论：在s右半平面上没有零、极点的系统为最小相位系统，相应的传递函数为最小相位传递函数；反之为非最小相位系统。10/24/202247第47页，本讲稿共51页例有两个系统，频率特性分别为：转折频率都是：幅频特性相同，均为：相频特性不同，分别为：显然，满足 的条件，是最小相位系统；而 不满足 的条件，是非最小相位系统。可以发现：在右半平面有一个零点。10/24/202248第48页，本讲稿共51

22、页最小相位系统非最小相位系统 该两个系统的波德图如下所示：10/24/202249第49页，本讲稿共51页奈氏图为：最小相位系统非最小相位系统10/24/202250第50页，本讲稿共51页 对于最小相位系统，幅值特性和相位特性之间具有唯一对应关系。这意味着，如果系统的幅值曲线在从零到无穷大的全部频率范围上给定，则相角曲线被唯一确定，反之亦然；但是这个结论对于非最小相位系统不成立。非最小相位系统情况可能发生在两种不同的条件下。一是当系统中包含一个或多个非最小相位环节；另一种情况可能发生在系统存在不稳定的内部小回路。一般来说，右半平面有零点时，其相位滞后更大，闭环系统更难稳定。因此，在实际系统中，应尽量避免出现非最小相位环节。10/24/202251第51页，本讲稿共51页