第四章 控制系统的频率特性优秀PPT.ppt
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1、第四章第四章 控制系控制系统的的频率特性率特性第一页,本课件共有73页v4-1频率特性的基本概念频率特性的基本概念v4-2频率响应的极坐标图(乃氏图)频率响应的极坐标图(乃氏图)v4-3 频率响应的对数坐标图(伯德图)频率响应的对数坐标图(伯德图)v4-4 由频率特性曲线求系统的传递函数由频率特性曲线求系统的传递函数 v4-5 由单位脉冲响应求系统的频率特性由单位脉冲响应求系统的频率特性v4-6 控制系统的闭环频响控制系统的闭环频响v例题分析例题分析v课后习题课后习题第二页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理4-1频率特性的基本概念频率特性的基本概念一一频率特性概述频率特性概述对于一般线
2、性系统,当输入正弦信号时,其输出稳定后同样也是与输入同对于一般线性系统,当输入正弦信号时,其输出稳定后同样也是与输入同频率的正弦信号。当输入信号幅值不变时,其输出幅值和相位一般也是随频率的正弦信号。当输入信号幅值不变时,其输出幅值和相位一般也是随频率变化而变化的。频率变化而变化的。第三页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理当输入为非正弦的周期信号时,可用傅立叶级数展开,其输入为相应的正当输入为非正弦的周期信号时,可用傅立叶级数展开,其输入为相应的正弦波的叠加。弦波的叠加。频域法的数学基础是傅立叶变换。频域法的数学基础是傅立叶变换。傅立叶正变换式傅立叶正变换式傅立叶反变换式傅立叶反变换式时
3、域变频域时域变频域频域变时域频域变时域第四页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理除了积分下限不同外,只要将除了积分下限不同外,只要将s换成换成jw,就可将已知的拉氏变换式变成相,就可将已知的拉氏变换式变成相应的傅氏变换式。这里讨论的频率特性也就是将拉氏变换应的傅氏变换式。这里讨论的频率特性也就是将拉氏变换G(s)中的中的s直接直接换成换成jw变成变成G(jw)。传递函数传递函数G(s)S=jw频率特性频率特性G(jw)注:系统频率特性分析法是一种用注:系统频率特性分析法是一种用“稳态稳态”的方法(即输出稳态时的正弦信号,的方法(即输出稳态时的正弦信号,不考虑过度过程)来分析系统的动态特性
4、(稳,准,快)不考虑过度过程)来分析系统的动态特性(稳,准,快)第五页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理二二频率特性的一些概念频率特性的一些概念幅频特性幅频特性相频特性相频特性显然显然 第六页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理描述系统正弦输出信号有三个关键参数描述系统正弦输出信号有三个关键参数频率,幅值和相位角。频率,幅值和相位角。如果传递函数由几个环节组成,例如如果传递函数由几个环节组成,例如 则则即多环节传递函数的幅频特性是各环节模的乘积,相频特性是各环节相位角之和。即多环节传递函数的幅频特性是各环节模的乘积,相频特性是各环节相位角之和。第七页,本课件共有73页自动控制原理
5、自动控制原理4-2频率响应的极坐标图(乃氏图)频率响应的极坐标图(乃氏图)频率响应频率响应G(jw)是输入频率是输入频率w的复变函数,是一种变换,当的复变函数,是一种变换,当w从从0逐渐增长至逐渐增长至 时,时,G(jw)作为一个矢量,其端点在复平面相对应的轨迹就是频率响应的极坐作为一个矢量,其端点在复平面相对应的轨迹就是频率响应的极坐标图,亦叫做乃氏图(标图,亦叫做乃氏图(Nyquist曲线)曲线)一一乃氏图的一般作图法乃氏图的一般作图法1写出写出 和和 表达式;表达式;2分别求出分别求出 和和 时的时的 ;3求乃氏图与实轴的交点,交点可利用求乃氏图与实轴的交点,交点可利用 或或 的关系式求
6、出;的关系式求出;4求乃氏图与虚轴的交点,交点可利用求乃氏图与虚轴的交点,交点可利用 或或 的关系式求出;的关系式求出;5必要时画出乃氏图中间几点,勾画出大致曲线。必要时画出乃氏图中间几点,勾画出大致曲线。第八页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理二二典型环节的乃氏图典型环节的乃氏图1放大环节的乃氏图放大环节的乃氏图2积分环节的乃氏图积分环节的乃氏图第九页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理 3微分环节的乃氏图微分环节的乃氏图第十页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理 4惯性环节的乃氏图惯性环节的乃氏图 惯性环节的乃氏图是圆心在惯性环节的乃氏图是圆心在 半径为半径为1/2的园
7、的园第十一页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理5二阶振荡环节二阶振荡环节第十二页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理 6延迟环节延迟环节 显然其乃氏图是单位圆显然其乃氏图是单位圆第十三页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理 三三一般线性定常系统乃氏图的规律一般线性定常系统乃氏图的规律当当 时,称该系统为时,称该系统为0型系统;型系统;当当 时,称该系统为时,称该系统为1型系统;型系统;当当 时,称该系统为时,称该系统为2型系统型系统第十四页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理 (1),低频段:低频段:0型系统的乃氏图始于始于正实轴的有限值处(型系统的乃氏图始于始于正实
8、轴的有限值处(K,0);1型系统始于相角为型系统始于相角为-90度的无穷远处;度的无穷远处;2型系统始于相角为型系统始于相角为-180度的无穷远处;度的无穷远处;(2),高频段:一般系统分母的阶次大于分子的阶次,高频段:一般系统分母的阶次大于分子的阶次,nm,故乃氏图当故乃氏图当 时终于原点处;时终于原点处;当当n=m时,乃氏图曲线终于实轴上的有限值时,乃氏图曲线终于实轴上的有限值(3),加极点使系统相角滞后,加零点使系统相角超前。加极点使系统相角滞后,加零点使系统相角超前。第十五页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理2、举例举例例例1 某某0 0型单位负反馈系统开环传递函数为型单位负反
9、馈系统开环传递函数为 试概略绘制系统开环幅相曲线。试概略绘制系统开环幅相曲线。解:解:由于惯性环节的角度变化为由于惯性环节的角度变化为 -90-900 0,故该系统开环幅,故该系统开环幅相曲线中相曲线中 起点为:起点为:终点为:终点为:系统开环频率特性系统开环频率特性 第十六页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理令令 ,得,得 ,即系统开环幅相曲线除在,即系统开环幅相曲线除在 处外与实轴无交点。处外与实轴无交点。由于由于 、可正可负,故系统幅相曲可正可负,故系统幅相曲 线在第线在第和第和第象限内象限内 变化,系统概略开环幅变化,系统概略开环幅 相曲线如左图所示相曲线如左图所示.若取若取
10、由于非最小相位比例环节的相角恒由于非最小相位比例环节的相角恒 为为 ,故此时系统概,故此时系统概 略开环幅相曲线由原曲线绕略开环幅相曲线由原曲线绕 原点顺时针旋转原点顺时针旋转 而得而得。第十七页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理例例2 设系统开环传递函数为设系统开环传递函数为 试绘制系统概略开环幅相曲线。试绘制系统概略开环幅相曲线。解解 系统开环频率特性系统开环频率特性 第十八页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理幅值变化:幅值变化:相角变化:相角变化:所以所以 的变化为的变化为 。第十九页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理乃氏图的起点:乃氏图的起点:与实轴的交点:令与
11、实轴的交点:令 ,得,得 ,于是于是系统开环幅相曲线如下张图中曲线系统开环幅相曲线如下张图中曲线所示,图中虚线为开环幅所示,图中虚线为开环幅相曲线的低频渐近线。本例中系统型次即开环传递函数中积分相曲线的低频渐近线。本例中系统型次即开环传递函数中积分环节个数环节个数 ,若,若 分别取分别取2 2、3 3和和4 4,则根据积分环节的相,则根据积分环节的相角,可将图中曲线分别绕原点旋转角,可将图中曲线分别绕原点旋转-90-900 0,-180-1800 0和和-270-2700 0,即可,即可得开环概略幅相曲线,如图所示。得开环概略幅相曲线,如图所示。第二十页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原
12、理系统开环幅相曲线如下图系统开环幅相曲线如下图第二十一页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理例例3 已知单位反馈系统开环传递函数为已知单位反馈系统开环传递函数为试绘制系统概略开环幅相曲线。试绘制系统概略开环幅相曲线。解:解:系统开环频率特性为系统开环频率特性为 起点:起点:终点:终点:与实轴的交点:当与实轴的交点:当 时,得时,得 第二十二页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理变化范围:变化范围:时,开环幅相曲线位于第时,开环幅相曲线位于第象限或象限或 第第与第与第象限,象限,时,开环幅相曲时,开环幅相曲 线位于第线位于第象限与第象限与第象限。象限。开环概略幅相开环概略幅相曲线如图
13、所示。曲线如图所示。第二十三页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理4-3 频率响应的对数坐标图(伯德图)频率响应的对数坐标图(伯德图)伯德图是将幅值与频率的关系和相位与频率的关系分别画在两张图上,用半伯德图是将幅值与频率的关系和相位与频率的关系分别画在两张图上,用半对数坐标纸绘制,频率坐标按对数分度,幅值和相角坐标则以线性分度。对数坐标纸绘制,频率坐标按对数分度,幅值和相角坐标则以线性分度。伯德图幅值所用的单位为分贝(伯德图幅值所用的单位为分贝(dB)分贝的定义:在控制学领域,任何一个数分贝的定义:在控制学领域,任何一个数N都可以用分贝值都可以用分贝值n表示,定义表示,定义若若 ,则称从
14、,则称从w1到到w2为十倍频程,以为十倍频程,以“dec.”(decade)表示。表示。第二十四页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理 对于一般线性系统对于一般线性系统第二十五页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理 显然,采用伯德图有如下优点:显然,采用伯德图有如下优点:1,合理利用纸张,以有限的纸张空间表示很宽的频率范围;,合理利用纸张,以有限的纸张空间表示很宽的频率范围;2,简化乘除运算为加减运算;,简化乘除运算为加减运算;3,频率特性往往可用折线近似曲线,系统的幅频特性用组成该系统,频率特性往往可用折线近似曲线,系统的幅频特性用组成该系统的各环节的幅频特性折线叠加使得作图非常
15、方便。的各环节的幅频特性折线叠加使得作图非常方便。第二十六页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理一一典型环节的伯德图典型环节的伯德图1放大环节放大环节第二十七页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理 2积分环节积分环节第二十八页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理3惯性环节惯性环节在低频段,在低频段,w很小,很小,Tw1注注:(:(1)其幅频特性的伯德图可用低频段其幅频特性的伯德图可用低频段和高频段的两条直线组成的折线近似表示。和高频段的两条直线组成的折线近似表示。(2)近似伯德图的转角频率)近似伯德图的转角频率 点是近似幅频伯点是近似幅频伯德图误差最大的点,与精确值大约相差德
16、图误差最大的点,与精确值大约相差3dB 第二十九页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理4一阶微分环节一阶微分环节其分析方法与一阶惯性环节类似其分析方法与一阶惯性环节类似第三十页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理5二阶振荡环节二阶振荡环节在低频段,在低频段,w很小,很小,Tw1在低频段,在低频段,w很小,很小,在高频段,在高频段,w很大,很大,在转角频率处,在转角频率处,第三十一页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理 幅频特性第三十二页,本课件共有73页自动控制原理自动控制原理 说明说明:(:(1)其幅频特性伯德图可用上述低频段和高频段的两条直线组成的折线近似)其幅频特性伯德
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