[信息与通信]第四章频率特性1013.ppt
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1、控制工程基础,(第四章),陶雪华,2010年,时域瞬态响应法:分析控制系统的直接方法。,优点:直观。缺点:分析高阶系统非常繁琐。,频率响应是时间响应的特例,是,控制系统对正弦输入信号的稳态响应。,频率特性是系统对不同频率正弦,输入信号的响应特性。,频率特性分析法(频域法)是利用,系统的频率特性来分析系统性能的方法,研究的问题仍然是系统的稳定性、快速性和准确性等,是工程上广为采用的控制系统分析和综合的方法。,频率特性分析法是一种图解的分析方,法。,不必直接求解系统输出的时域表达式,可以间接地运用系统的开环频率特性去分析闭环系统的响应性能,不需要求解系统的闭环特征根。,系统的频域指标和时域指标之间
2、存在着对应关系。频率特性分析中大量使用简洁的曲线、图表及经验公式,使得控制系统的分析十分方便、直观。,第四章 控制系统的频率特性,4.1 机电系统频率特性的概念及其基本实,验方法,4.2 极坐标图(Nyquist图)4.3 对数坐标图(Bode图),4.4 由频率特性曲线求系统传递函数4.5 由单位脉冲响应求系统的频率特性,*4.6 对数幅相图(Nichols图),4.7 控制系统的闭环频响4.8 机械系统动刚度的概念,4.1 频率特性概述,物理意义,频域法是工程上广为采用的系统分析和综合的间接方法。除了电路与频率特性有着密切关系外,在机械工程中机械振动与频率特性也有着密切的关系。,数学依据,
3、傅立叶变换,频率特性的物理背景,图4-1 电路网络正弦输入的稳态响应,RC电路网络正弦输入的稳态响应,稳态时,lim uo(t)=a()sin t+()1()=arctan(T)=G(j),1+T,tT,T 2 2,e,+a()sin t+(),uo(t)=,t,输入 ui(t)=sin(t),稳态输出 uo(t)=a()sint+(),其中,,()=G(j),图4-2 线性系统的正弦稳态响应输出,P155例题1 某系统传递函数,当输入为 时,求其稳态输出。,频率特性的定义,设系统传递函数为G(s)。定义系统输出信号的稳态响应相对其正弦输入信号的幅值之比A()=G(j)为系统的幅频特性。幅频特
4、性描述系统在稳态下响应不同频率的正弦输入时在幅值上的增益特性(衰减或放大)。,定义系统输出信号的稳态响应相对,其正弦输入信号的相移()=G(j),为系统的相频特性。,相频特性描述系统在稳态下响应不同频率的正弦输入时在相位上产生的,滞后(0)特性。,上述定义的幅频特性,和相频特性()=G(j)统称为系统的频率,特性,它描述了系统对正弦输入的稳态响应。,当输入为非正弦的周期信号时,其输入可利用傅立叶级数展开成正弦波的叠加,其稳态响应输出为相应的正弦波输出的叠加,如下图所示。,当输入为非周期信号时,可将该非周期信号看做周期 T的周期信号。傅里叶正变换式,傅里叶反变换式,傅氏变换与拉氏变换,傅氏正变换
5、式,拉氏正变换式,傅氏变换与拉氏变换是类似的。,除了积分下限不同外,只要将 s,变成相应的傅氏变换式。,换成 j,就可将已知的拉氏变换式,拉氏变换可看作是一种单边的广义的傅氏变,换,其积分区间是从 0 到+。,函数适合进行拉氏变换的条件比傅氏变换的条件弱一些,因此适合函数的范围也宽一些。大多数机电系统可简单地将拉氏变换 G(s)中,的 s 换成 j 而直接得到相应的傅氏变换 式。,系统频率特性的表示形式,系统的频率特性函数是一种复变函数,可以表,示成如下形式:,G(j)=U()+jV(),U()是G(j)的实部,称为实频特性。V()是G(j)的虚部,称为虚频特性。,频率特性函数也可以表示成如下
6、形式:,A()是 G(j)的模,称为幅频特性。()是 G(j)的相角,称为相频特性。,矢量图表示如图:,另外,频率特性函数还可以仿照复数的三角表示法和指数表示法,工程中最常见的表示方法是幅频特性和相频特性形式,要想用频域法分析综合系统,首先要求出系统的频率特性。频率特性可以由以下三种方法求取:(1)如果已知系统的微分方程,可将输入变量以正弦函数带入,求系统的输出变量的稳态解,输出变量的稳态解与输入正弦函数的复数比即为系统的频率特性函数。(理解)(2)如果已知系统的传递函数,可将系统的传递函数中的s代之以jw,即得到系统的频率特性函数。(掌握)(3)可以通过实验的手段求出(了解)。,频率特性的求
7、取解析法,系统的频率特性函数 G(j)可由系,统的传递函数 G(s)求得。,G(j)=G(s)s=j,函数。,将s平面的复变量 s=+j的取值范围限定在虚轴上,即 s=j 所得到的传递函数 G(j)就是系统的频率响应。频率响应是在 s=j 特定情况下的传递,如下图所示系统,其传递函数为,例4-1,将 s代之以 j,即得到系统的频率特性函数为,=,1jRC+1,G(j)=G(s)s=j,例4-2 试求,的幅频特性和相频特性。,G(j)=,Kj(T1 j+1)(T2 j+1),解:,4.1节小结,1.频率特性的概念(掌握):,系统对不同频率正弦输入信号的稳态响应特,性称为频率特性。,2.求取频率特
8、性的解析方法(掌握):,G(j)=G(s)s=j,4.2 极坐标图,(乃奎斯特图,或乃氏图),乃奎斯特(H.Nyquist)18891976,,美国Bell实验室,著名科学家,极坐标图是反映频率特性的几何表示。,当,从 0 逐渐增长至+时,频率特,性 G(j)作为一个矢量,其端点在复平面相对应的轨迹就是频率特性的极坐标图。极坐标图也称为乃氏图或乃奎斯特曲线。,4.2.1 典型环节的乃氏图1.比例环节,jV,o,G(j)=KG(j)=KG(j)=0,2.积分环节,1j,G(j)=,G(j)=90oG(j0)=90G(j)=0 90,3.微分环节 G(j)=j,o,G(j)=90,G(j0)=09
9、0G(j)=90,4.一阶惯性环节,G(j)=,1jT+1,G(j)=arctan(T)G(j0)=10G(j)=0 90,G(j)=,1jT+1,G(j0)=10G(j)=0 90,图4-18 一阶惯性环节的乃氏图,5.二阶振荡环节,相角0180,与负虚轴有交点。,令 ReG(j)=0或 G(j)=90得=1 T=n,90,12,G(jn)=,为与负虚轴交点。,jT,G(j)=e,6.延迟环节,G(j)=1G(j)=T,G(j0)=10G(j)=1,相角0,与实轴和虚轴有无穷多交点。,4.2.2 乃氏图的一般作图方法,(1)写出 G(j)和 G(j)表达式;,的关系式求出,也可以利用关系式,
10、(2)分别求出=0 和+时的 G(j);(3)求乃氏图与实轴的交点,可利用 IImG(j)=0,G(j)=n 180o(其中n为整数)求出;,(4)求乃氏图与虚轴的交点,可利用 ReG(j)=0的关系式求出,也可利用关系式G(j)=n 90o,(其中n为奇数)求出;,(5)必要时画出乃氏图中间几点;(6)勾画出大致曲线。,例4-3,G(j)=arctan(T),当=0 时,,G(j)=10,当=+时,G(j)=0 乃氏图与实轴和虚轴有无穷多交点,随着 增加,曲线距离原点越来越近相角越来越负。,例,e,G(j)=,jjT+1,图4-21 例4-3 乃氏图(书上标注错了),G(j)=,例4-4,1
11、j(j+1)(2 j+1),G(j)=90 arctan()arctan(2)当=0 时,G(j)=+90当=+时,G(j)=0 270其相角范围从-90-270,因此必有与负实轴的交点。,解方程G(j)=90 arctan()arctan(2)=180即 arctan(2)=90 arctan()所以曲线与负实轴交点的频率为=1 2=0.707 rad/sec该交点距原点的距离为,其乃氏图如下图所示:,(j)(jT1+1)(jT2+1)L,系统的型次机电系统的开环频率特性一般可表示为,G(j)=,K(j1+1)(j 2+1)L,当=0 时,称该系统为 0 型系统;当=1 时,称该系统为型系统
12、;当=2 时,称该系统为型系统;,各型乃氏图的低频段,乃氏图的高频段,通常,机电系统频率特性分母的阶次大于分,子的阶次,故当 时,乃氏图曲线终止于,坐标原点处;而当频率特性分母的阶次等于分子,的阶次,当 时,乃氏图曲线终止于坐标,实轴上的有限值。,一般在系统频率特性分母上加极点,使系统相角滞后;而在系统频率特性分子上加零点,使系统相角超前。,乃氏图的负频段令 从 增长到 0,相应得出的乃氏图是与 从,0 增长到,+得出的乃氏,图以实轴对称的。,4.2节小结,1.极坐标图(Nyquist图)的概念(掌握)2.典型环节的Nyquist图,3.Nyquist图作图的一般步骤(掌握),4.系统的型次,
13、各型次Nyquist图的特点,4.3 对数坐标图,(伯德图),伯德(H.W.Bode),19051982,,美国Bell实验室,著名科学家,对数坐标图 是将 幅值 对频率的关系和 相位 对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。,对数坐标图也称伯德图(Bode图)。,伯德图幅值 L()所用的单位 分贝(dB)定义为,n(dB)=20 lg N,幅频特性坐标,若 2=101,则称从 1 到 2 为十倍频程,,以 dec.(decade)表示。,相频特性坐标,4.3.1 Bode diagrams oftypical links,1.Prop
14、ortional link,G(j)=K,o,L()=20 lgg K,()=0,Integral links2.积分环节,G(j)=,1j,()=90o,Integral links,G(j)=,1j,二重积分环节,()=180o,2,1(j),G(j)=,First-order links,3.一阶惯性环节,1jT+1,G(j)=,()=arctan(T)在低频段,L()0()0在高频段,L()20 lg(T)()90用低频段和高频段的两条直线组成的折线近似表示。,G(j)=,1jT+1,First-order differential links,4.一阶微分环节 G(j)=j+1,在低
15、频段,L()0()0,在高频段,L()20 lg()()90,G(j)=j+1,Second-order links,5.二阶振荡环节,Delay links,j,6.延迟环节 G(j)=e,()=,4.3.2 Common method ofsketching Bode diagrams对一般系统,则,可见,系统幅频特性的伯德图可由各典型,环节的幅频特性伯德图叠加得到。,同理,系统相频特性的伯德图亦可用各典,型环节的相频特性伯德图叠加得到。,1,1,:,即,例,该系统可认为由下列五个典型环节组成:,4.3.2 一般系统伯德图的作图方法(续),由此,可以看出伯德图可由如下步骤形成:,(1)将系
16、统频率特性化为典型环节频率特性的乘积;(2)根据组成系统的各典型环节确定转角频率及相,应斜率,并画近似幅频折线和相频曲线;,(3)必要时对近似曲线作适当修正。,真正画伯德图时,并不需要先画出各环节伯德图,可根据静态放大倍数和各环节时间常数直接画出整个系统伯德图。,4.3.3 Minimum phase systems,系统开环传递函数在 S 右半平面上既无极,点、又无零点的系统,称为最小相位系统;否则,为非最小相位系统。,是最小的。,对于相同阶次的基本环节,当频率 从 0变到+时,最小相位的基本环节造成的相移,最小相位系统的相频特性和幅频,特性是一一对应的,知道了系统幅频特性,其相频特性就唯一
17、确定。,最小相位系统幅频、相频特性对应关系,例,设有下列两个系统,其中 T1 T2 0,G1(j)=,G2(j)=,T1 j+1T2 j+1,T1 j+1T2 j+1,两,系统1为最小相位系统,系统2为非最小相位系统。个系统的幅频特性一样,均为,而其相频特性分别为G1(j)=arctan(T1)arctan(T2)G2(j)=arctan(T1)arctan(T2),幅频特性,相频特性,4.3节小结,1.对数坐标图(Bode图)的概念2.典型环节的Bode图,3.Bode图作图的一般步骤,4.最小相位系统和非最小相位系统的,定义及其特点,4.4 Determination of the tra
18、nsferfunction of a system from Bode diagram许多系统的物理模型很难抽象得很准确,其传递函数很难用纯数学分析的方法求出。对于这类系统,可以通过实验测出系统的频率特性曲线,进而求出系统的传递函数。,时间常数静态放大倍数,频率特性曲线,传递函数,由伯德图的作图过程可知,幅频曲线的转折点对应的频率是时间常数的倒数。下面讨论如何确定静态放大倍数。,Determining the height ofthe low-frequency band,G0(j)=在低频时,很小,K0(1 j+1)(1 j+1)L(T1 j+1)(T2 j+1)LG0(j)K0G0(j0)
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