频域分析法1学习.pptx
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1、 频率特性法频率特性法是经典控制理论中对系是经典控制理论中对系统进行分析与综合的又一重要方法。统进行分析与综合的又一重要方法。J与时域分析法和根轨迹法不同;J频域性能指标与时域性能指标之间有内在联系;J频率特性法可以根据系统的开环传递函数采用解析的方法得到系统的频率特性,也可以用实验的方法测出稳定系统或元件的频率特性;J频率特性分析系统对正弦信号的稳态响应;第1页/共171页基本要求基本要求 1.正确理解频率特性的概念。2.熟练掌握典型环节的频率特性,熟记其幅相特性曲线及对数频率特性曲线。3.熟练掌握由系统开环传递函数绘制系统的开环对数幅频渐近特性曲线及开环对数相频曲线的方法。4.熟练掌握由具
2、有最小相位性质的系统开环对数幅频特性曲线求开环传递函数的方法。第2页/共171页5.熟练掌握Nyquist稳定判据和对数频率稳定判据。6.熟练掌握稳定裕度的概念及计算稳定裕度的方法。7.理解闭环频率特性的特征量与控制系统阶跃响应的定性关系。8.理解开环对数频率特性与系统性能的关系及三频段的概念,会用三频段的分析方法对两个系统进行分析与比较。第3页/共171页51 频率特性频率特性第4页/共171页一、基本概念输入信号:输入信号:其拉氏变换式:其拉氏变换式:控制系统在正弦信号作用下的稳态输出控制系统在正弦信号作用下的稳态输出频率特性频率特性分析系统对正弦信号的稳态响应分析系统对正弦信号的稳态响应
3、。第5页/共171页输出:输出:拉氏反变换得:拉氏反变换得:其中:其中:暂态值暂态值稳态值稳态值第6页/共171页同理:同理:将将B、D代入代入c(t),则,则:第7页/共171页式中:式中:结论:结论:线性定常系统在正弦信号作用下,线性定常系统在正弦信号作用下,输出输出稳态分量是和输入同频率的正弦信号稳态分量是和输入同频率的正弦信号。第8页/共171页二、频率特性的定义及求取方法 线性定常系统,在正弦信号作用下,输出的稳态分量与输入的复数比,称为系统的频率特性(即为幅相频率特性,简称幅相特性)。频率特性表达式为:频率特性表达式为:第9页/共171页例子 以RC网络为例其传递函数第10页/共1
4、71页正弦稳态输出正弦稳态输出稳态输出幅值:稳态输出幅值:稳态输出相位:稳态输出相位:第11页/共171页对于任何线性系统都可以采用这种方法分析。对于任何线性系统都可以采用这种方法分析。幅频特性:幅频特性:相频特性:相频特性:取:G(jw w)能够完整描述网络在正弦信号作用下稳态输出的幅值和相角与输入信号频率之间的规律。G(jw w)即为系统的频率特性。第12页/共171页RC网络网络v其传递函数v频率特性频率特性该结论适用任何线性系统!该结论适用任何线性系统!第13页/共171页三、频率特性的几种表示方法1 1、幅频特性、相频特性、幅相特性、幅频特性、相频特性、幅相特性为系统的 幅频特性 。
5、为系统的 相频特性 。第14页/共171页RCRC网络的幅频特性和相频特性网络的幅频特性和相频特性第15页/共171页RCRC网络的幅频特性和相频特性网络的幅频特性和相频特性第16页/共171页RC网网络络的的幅幅相相特特性性曲曲线线第17页/共171页2 2、对数频率特性、对数频率特性v对数频率特性曲线又称伯德(Bode)图,包括对数幅频和对数相频两条曲线。对数幅频特性:对数相频特性:第18页/共171页 对数相频特性曲线:对数相频特性曲线:横坐标为角频率仍采用对数分横坐标为角频率仍采用对数分度度,纵坐标采用线性分度用角度表示纵坐标采用线性分度用角度表示。对数幅频特性曲线:横坐标 采用对数分
6、度,取10为底的对数 ,纵坐标采用线性分度用分贝数(dB)表示。第19页/共171页对数坐标刻度图对数坐标刻度图第20页/共171页注意:注意:纵坐标以幅值对数分贝数为刻度,是均匀的;横坐标按频率对数标尺刻度,但标出的是实际的值,是不均匀的。这种坐标系称为半对数坐标系。在横轴上,对应于频率每增大10倍的范围,称为十倍频程(dec),如1-10、5-50,而轴上所有十倍频程的长度都是相等的。为了说明对数幅频特性的特点,引进斜率的概念,即横坐标每变化十倍频程(即变化)所对应的纵坐标分贝数的变化量。第21页/共171页 以角频率为参变量,横坐标是相位,单位采用角度;纵坐标为幅值,单位采用分贝。对数幅
7、相频率曲线(尼柯尔斯图)第22页/共171页例程:sys=tf(1,1 1 1);nichols(sys,0.1,100);grid第23页/共171页p幅值的乘积简化为加减;幅值的乘积简化为加减;p可以用叠加方法绘制可以用叠加方法绘制BodeBode图;图;p可以用简便方法近似绘制可以用简便方法近似绘制BodeBode图;图;p扩大研究问题的范围;扩大研究问题的范围;p便于用实验方法确定频率特性对应的传递函数。便于用实验方法确定频率特性对应的传递函数。BodeBode图的优点图的优点第24页/共171页对数坐标系第25页/共171页5-2 典型环节的频率特性典型环节的频率特性第26页/共17
8、1页一、比例环节(放大环节)一、比例环节(放大环节)幅频特性相频特性幅相特性第27页/共171页比例环节的频率特性曲线比例环节的频率特性曲线第28页/共171页二、积分环节二、积分环节幅相特性幅相特性传递函数传递函数相频特性是一常值相频特性是一常值第29页/共171页积分环节的幅频积分环节的幅频/相频、幅相特性曲线相频、幅相特性曲线第30页/共171页对数频率特性第31页/共171页三、微分环节三、微分环节幅相特性幅相特性传递函数传递函数相频特性是一常值相频特性是一常值第32页/共171页微分环节的幅频微分环节的幅频/相频、幅相、对数特性曲线相频、幅相、对数特性曲线第33页/共171页频域分析
9、法频域分析法频率特性法:分析系统对正弦信号的稳态响应。三种表示方法:直角坐标表示法、幅相特性曲线(Nyquist图)、对数频率特性曲线(bode图)。频率特性输出的稳态分量与输入的复数比,即为幅相频率特性,简称幅相特性,包括幅频特性和相频特性两部分。第34页/共171页四、惯性环节(一阶系统)四、惯性环节(一阶系统)传递函数传递函数幅相特性第35页/共171页惯性环节的幅频、相频、幅相特性曲线惯性环节的幅频、相频、幅相特性曲线第36页/共171页例程:sys2=tf(1,0.5 1);nyquist(sys2,0.1,100000);第37页/共171页例程:sys2=tf(1,0.5 1);
10、nyquist(sys2,0.1,100000);grid第38页/共171页对数频率特性 当当第39页/共171页惯性环节的对数频率特性曲线惯性环节的对数频率特性曲线第40页/共171页图示:当图示:当T=0.5(s)时,系统的极坐标图)时,系统的极坐标图第41页/共171页对数幅频特性的渐近线的近似方法:对数幅频特性的渐近线的近似方法:在频率很低时,对数幅频曲线可用在频率很低时,对数幅频曲线可用0分贝线近似。分贝线近似。T=0.5s时,系时,系统的伯统的伯德图德图第42页/共171页在图中在图中 T=0.5,1/T=2(rad/sec)当频率很高时,对数幅频曲线可用一条直线近似,直线斜率为
11、-20dB/dec,与零分贝线相交的角频率为 1/T。第43页/共171页 惯性环节的对数幅频特性曲线近似为两段直线。两直线相交,交点处频率 ,称为转折频率。两直线实际上是对数幅频特性曲线的渐近线,故又称为对数幅频特性渐近线。用渐近线代替对数幅频特性曲线,最大误差发生在转折频率处,即 处。惯性环节的误差曲线第44页/共171页 误差的最大值发生在角频率为误差的最大值发生在角频率为1/T处,这时处,这时误差误差最大值为最大值为-3dB。用渐近线近似产生的误差曲线用渐近线近似产生的误差曲线第45页/共171页五、一阶微分环节五、一阶微分环节第46页/共171页六、振荡环节(二阶系统)六、振荡环节(
12、二阶系统)传递函数传递函数频率频率特性特性第47页/共171页振荡环节的对数频率特性振荡环节的对数频率特性低频渐近线是零分贝线。低频渐近线是零分贝线。高频段是一条斜率为高频段是一条斜率为-40/dB的直线,和零分的直线,和零分贝线相交于贝线相交于 ,振荡环节的交接频率为,振荡环节的交接频率为 。特征点:第48页/共171页振荡环节的伯德图振荡环节的伯德图第49页/共171页渐近线对数幅频特性引起的误差:渐近线对数幅频特性引起的误差:第50页/共171页阻尼比0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0最大误差(dB)+14+8+4.4+1.90-1.6-2.9-4.1-5.1-
13、6.0当=n n时,该处的实际值为:其误差与有关。误差计算结果如下:在在=n处,当当0.40.7时,误差小于差小于3dB,可以不,可以不对渐近近线进行修正;行修正;当当0.4或或0.7时,误差差较大,必大,必须对渐近近线进行修行修正。正。第51页/共171页令无因次频率令无因次频率 为参变量为参变量若若第52页/共171页振荡环节的幅相特性曲线(极坐标图)振荡环节的幅相特性曲线(极坐标图)第53页/共171页振荡环节的幅频、相频特性曲线振荡环节的幅频、相频特性曲线第54页/共171页幅频特性的谐振峰值和谐振频率:幅频特性的谐振峰值和谐振频率:幅频特性的谐振幅频特性的谐振频率频率和谐振和谐振峰值
14、峰值:第55页/共171页谐振频率谐振频率谐振峰值谐振峰值第56页/共171页振荡环节的幅相特性振荡环节的幅相特性振荡环节的对数幅频渐进特性振荡环节的对数幅频渐进特性第57页/共171页七、二阶微分环节七、二阶微分环节第58页/共171页二阶微分环节的对数频率特性二阶微分环节的对数频率特性第59页/共171页二阶微分环节的对数频率特性二阶微分环节的对数频率特性第60页/共171页八、一阶不稳定环节八、一阶不稳定环节第61页/共171页非最小相位环节非最小相位环节定义:传递函数中有右半平面极点、右半平面零点的环节(或系统),称为非最小相位环节(或系统)。一阶不稳定环节的幅频与惯性环节的幅频完全相
15、同,但是相频大不一样。相位的绝对值大,故一阶不稳定环节又称非最小相位环节。第62页/共171页九、延迟环节九、延迟环节延迟环节输入输出关系为第63页/共171页第64页/共171页例例 5-1 绘制开环传递函数为绘制开环传递函数为 的零型系统的伯德图。的零型系统的伯德图。解解 系统开环对数幅频特性和相频特性分别为系统开环对数幅频特性和相频特性分别为 第65页/共171页例例 5-1 5-1 的伯德图的伯德图 第66页/共171页由由例例5-15-1可可见见,零零型型系系统统开开环环对对数数幅幅频频特特性性的的低低频频段段为为20lgK20lgK的的水水平平线线,随随着着 的的增增加加,每每遇遇
16、到到一一个个交交接接频频率率,对对数数幅幅频频特特性性就就改改变变一一次次斜率斜率。实实际际上上,在在熟熟悉悉了了对对数数幅幅频频特特性性的的性性质质后后,不不必必先先一一一一画画出出各各环环节节的的特特性性,然然后后相相加加,而而可以采用更简便的方法。可以采用更简便的方法。第67页/共171页53 系统的开环频率特性系统的开环频率特性第68页/共171页设系统开环传递函数由若干典型环节串联开环频率特性开环频率特性一、开环幅相特性曲线一、开环幅相特性曲线第69页/共171页系统开环幅频与相频分别为第70页/共171页1、开环幅相特性曲线(1)当 系统开环传递函系统开环传递函数不包含数不包含积分
17、环节积分环节和和微分环节微分环节。系统开环幅相特性曲线系统开环幅相特性曲线第71页/共171页(2)当取取m=1,n=3时系统开环幅相特时系统开环幅相特性曲线性曲线 系统开环传递系统开环传递函数分子有函数分子有一阶微一阶微分环节分环节,其开环幅,其开环幅相特性曲线出现相特性曲线出现凹凹凸凸。第72页/共171页(3)当含有积分环节时的开环幅相特性曲线含有积分环节时的开环幅相特性曲线 开环传递函数有积分环节时,频率趋于零时,开环传递函数有积分环节时,频率趋于零时,幅值趋于无穷大。幅值趋于无穷大。第73页/共171页2.系统开环幅相的特点当频率w w 0 时,其开环幅相特性完全由比例环节和积分环节
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