5控制系统的频域分析.doc

5.控制系统的频域分析本章主要内容、基本要求、重点和难点主要内容：(1) 频率特性基本概念。频率响应系统对正弦输入的稳态响应。(2) 频率特性的表示方法：极坐标图、对数频率特性图。(3) 典型环节频率特性，系统开环频率特性曲线绘制方法。(4) 奈氏稳定判据、相角裕量、幅值裕量。(5) -2/-1/-2、-2/-1/-3特性。(6) 时域性能指标与频域性能指标关系。基本要求(1) 掌握频率特性基本概念；频率特性两种表示方法；典型环节频率特性曲线图。(2) 掌握系统的开环奈氏频率特性和对数频率特性画法。(3) 了解奈氏稳定判据的基本原理。掌握其判别方法。(4) 掌握相角裕量，幅值裕量定义及计算方法，频域性能指标。(5) 了解-2/-1/-2、-2/-1/-3特性；频域性能指标与时域性能指标的关系。重点：(1) 频率特性基本概念。(2) 典型环节对数频率特性。(3) 系统开环频率特性画法。(4) 奈氏稳定判据、相角裕量、幅值裕量。(5) 性能指标。难点：系统开环频率特性画法，奈氏判据基本原理及判别方法。51频率特性的基本概念 定义为系统的幅频特性，它描述系统对不同频率输入信号的稳态响应幅值衰减（或放大）的特性。定义为系统的相频特性，它描述系统对不同频率输入信号的稳态响应，相位迟后或超前的特性。幅频特性和相频特性可由一个表达式表示，即称为系统的频率特性,系统的频率特性可由该系统的传递函数，以j代替s求得。例 求图511，RC电路的频率响应解：RC电路的传递函数为 R x (t) C y (t)式中T=RC 时间常数。正弦输入信号为 图 511 RC电路电路频率特性以j代替s可得 幅频特性为 相频特性为 系统频率响应为 从RC电路的频率特性可以看出一般规律：电路参数（R、C）给定后，随频率变化规律就完全确定。所以频率特性反映了电路的本身性质，与外界因素无关。例 设系统的传递函数，求输入信号频率为，振幅为时，系统的稳态输出。解：题意分析在线性定常系统中，当有正弦信号输入，则输出肯定是和输入同频率的正弦信号，而只是幅值和相位与输入不同，所以求输出的关键是求输出的振幅及输出与输入的相位差。 由，可以看出是由放大环节与惯性环节串联组成，放大环节只影响输出值的幅值，而惯性环节对输出的幅值及相位都有影响。解题步骤1) 输出与输入频率相同 f=1Hz，所以=2f=6.3（）2) 求输出与输入相位差惯性环节相位落后为 3) 求输出幅值 4) 稳态输出 52频率特性的表示方法系统或环节的频率特性的表示方法很多，其本质都是一样的，只是表示的形式不同而已。最常用的有幅相频率特性，对数频率特性和对数幅相频率特性。(1) 幅相频率特性幅相频率特性可以表示成代数形式或指数形式。代数表示形式设系统或环节的传递函数为G(s)，以j代替s可得系统或环节的频率特性为 （521）式中P()是频率特性的实部，称为实频特性；Q()是频率特性的虚部，称为虚频特性。这就是频率特性的代数表示形式。指数表示形式 （522）式中A()是复数频率特性的模，称幅频特性；是复数频率特性的相位移、称相频特性。两种表示方法的关系为 对数频率特性对数频率特性是将频率特性表示在半对数坐标中。 习惯上，一般不考虑0.434 这个系数，只用相位移本身。对数频率特性曲线用两条曲线表示，即对数幅频频率特性曲线和相频频率特性曲线。通常把幅频和相频特性组成的对数频率特性曲线称为波德图。53 典型环节的频率特性(1) 比例环节的频率特性比例环节的传递函数为 1) 幅相频率特性为 （531）式中 实频特性 ； 虚频特性 。幅频特性 ； 相频特性 。2) 对数频率特性 对数幅频特性为 L（）为常数是平行于横轴的一条直线。当K1时，20logK0;K=1时20logK=0;K1时，20lgK0相频特性为 ，与横轴重合。 (2) 惯性环节的频率特性惯性环节的传递函数为 式中T 环节的时间常数1) 幅相频率特性 （532）幅频特性 相频特性 给出一个频率可以算出相应的和或者和，分别得出在直角坐标中的一个点或者是极坐标中的一个矢量。当由0变到时，可以算出一组和值或和值。例如几个特征点的值列于表531中。 表 531 几个特征点的值 0 1 0 0 0 1 0 0 -45 90 根据这些数值，可以绘出幅相频率特性曲线图如图533所示。很容易证明，惯性环节幅相曲线是个半圆，圆心为(0.5,j0)，半径为0.5。 图533 惯性环节幅相频率特性 2) 对数频率特性惯性环节对数幅频特性为 （533） L() 0 -20dB/十倍频 -20 () 1 1/T 10 100 0 -45 -90 图534 惯性环节幅相频率特性积分环节的传递函数为 1) 幅相频率特性 （535）则，。积分环节的幅相频率特性如图535所示。在0范围内，频率特性为负虚轴。2) 对数频率特性积分环节的对数幅频特性为 （536） 由上式可知，对数幅频特性是一条斜率为的直线，如图536所示。它在=1这一点穿过零分贝线。如果在传递函数中有N个积分环节串联，则 L() 20 0.1 1 10 = P () 20 0 =0 90 图535积分环节的幅相频率特性 图536积分环节的对数频率特性积分环节的相频特性为 (4) 微分环节的频率特性理想微分环节的传递函数为 1) 幅相频率特性 （537）幅频特性为；相频特性为所 (5) 一阶微分环节的频率特性传递函数为 1) 幅相频率特性 （539） 则，。2) 对数频率特性 对数幅频特性为 相频特性为 (6) 振荡环节的频率特性振荡环节的传递函数为 式中 时间常数； 阻尼比 01 。1) 幅相频率特性 (5310)由上式可求得幅频特性 相频特性 (7) 二阶微分环节的频率特性二阶微分环节的传递函数为 01 (5313)式中 不具有振荡环节阻尼系数那样的物理意义。1) 幅相频率特性 幅频特性 相频特性 2) 对数频率特性对数幅频特性为 相频特性为 (8) 延迟环节的频率特性延迟环节的传递函数为 1) 幅相频率特性 (5314)幅频特性，相频特性，故幅相频率特性是一个以原点为园心，半径为1的圆如图5315所示。 2) 对数频率特性=0 1 0 1 P ()图 5315 延迟环节的幅相频特性延迟环节的对数频率特性 对数幅频特性为 相频特性为 54 系统开环频率特性的绘制 实际绘制开环对数幅频特性曲线时，按如下步骤进行即可绘制出渐近特性曲线。1) 确定转折频率，并标在横轴上。2) 在=1处，标出纵坐标等于20logK值的A点，其中K为开环放大系数。3) 通过A点作一条斜率为-20NdB/dec(N为积分环节数)的直线，直到第一个转折频率，若第一个转折频率的值小于1时，则该直线的延长线经过A点。4) 以后每遇到一个转折频率（含第一个转折频率），就改变一次渐近线斜率。每当遇到环节的转折频率时，渐近线的斜率增加-20dB/dec；每当遇到环节的转折频率时，斜率增加+20dB/dec；每当遇到环节的转折频率时，斜率增加-40dB/dec。5) 绘出的渐近线，如果需要修正，就进行修正。系统开环对数幅频特性通过横轴，即或时，对应的频率称为穿越频率，穿越频率是开环对数频率特性的一个重要参数。(2) 对数相频特性开环系统对数相频特性有如下特点：在低频区，对数相频特性由开始（为积分环节数）。在高频区，相频特性趋于 。中间部分，可近似绘出。例 已知最小相位系统开环对数频率特性曲线如图547所示。试写出开环传递函数 。图547解：解题分析这是一道已知开环对数幅频特性曲线求传递函数的练习题。本题的目的是熟练掌握各典型环节的对数频率特性曲线。解题步骤：1) 3，斜率保持不变。故系统开环传递函数应由上述各典型环节串联组成，即 2) 确定开环增益K当=c时，A(c)=1 。 所以 故 (3) 开环对数频率特性与稳态误差1) 0型系统0型系统的开环频率特性为 在低频段范围内的对数幅频特性为 0型系统的对数幅频特性低频段有如下特点： 在低频段，斜率为0dB/dec 低频段的幅值为20logKPdB由低频段的分贝值就可确定稳态位置误差系数KP2) 1型系统1型系统的开环频率特性为 在低频段范围内的对数幅频特性为 1型系统的对数幅频特性低频段有如下特点： 在低频段的渐近线的斜率为20dB/dec。 低频渐近线（或延长线）与横轴相交，交点频率为。 低频渐近线（或延长线）在=1时的幅值为20logK dB。故可由低频段确定系统的速度误差系数。3) 2型系统2型系统的开环频率特性为 在低频段范围内的对数幅频特性为 低频段斜率为40dB/dec。在=1时，L(1)=20logK或者时，。其对数幅频特性曲线如图5410所示。 L() L()-40dB/dec -40dB/dec20logk k 1 1 k 1 1 20logk -60dB/dec-60dB/dec(a) (b) 图5410 2型系统对数幅频特性的低频段2型系统的对数幅频特性低频段有如下特点： 低频渐近线斜率为40dB/dec 低频渐近线（或延长线）与横轴交点频率 低频渐近线（或延长线）在=1时的幅值为20logK dB可由低频渐段确定系统的加速度误差系数5. 5 频率法分析控制系统的稳定性 频率法判断闭环系统的稳定性。(1) n阶系统 对于n阶系统，矢量D(j)可表示为当由0时，如果矢量D(j)的相角变化量为 (由0) (553)则系统稳定。否则系统不稳定。或者将稳定条件变为 (由 -) (554)则系统稳定。否则系统不稳定。551 用开环幅相频率特性判断闭环系统的稳定性例 一个单位反馈系统，其开环传递函数为试判断闭环系统的稳定性。解：这是一个不稳定的惯性环节。P=1绘制幅相频率特性曲线如图556所示。 Im Gk平面 =0 - Re -2 -1 图556由图可知N=1 由于P=N=1，所以闭环系统稳定。 552用开环对数频率特性判断闭环系统稳定性由由0时，频率特性曲线在负实轴区间(-,-1)正、负穿越次数来判断。如图5511所示。 L() Im c -1 =0 (-) + 0 Re -180 (-) (+) (a) (b)图5511 （a）幅相特性 (b)对应的对数频率特性根据正、负穿越，可将奈氏稳定判据表述如下：当由0变到+时，在复平面上，开环幅相频率特性正穿越和负穿越次数之差为P/2，则闭环系统稳定，否则系统不稳定。即 (5513)553 系统的稳定裕量例 单位反馈系统开环传递函数为 。1) 试分析不同K值时系统的稳定性2) 确定当 T1=1,T2=0.5和K=0.75时系统的幅值裕量。解：本题介绍粗略地绘制系统开环幅相频率特性曲线的方法，并用幅相特性曲线（奈氏）稳定判据，判断系统放大系数的变化对闭环系统稳定性的影响。解题步骤1) 首先将幅相频率特性用实部和虚部表示。 实部 虚部 2) 求曲线与负实轴的交点。与负实轴交点处求出对应此点的 将代入实部，若闭环稳定，则1=所以 3) 粗略作的幅相曲线。当 0，当，0，与负实轴交点 当 K=1，P(g)=-1/3 K=3，P(g)=-1 K=9，P(g)=-3=0时，渐近线 P(0)=-K(T1+T2)=-1.5K K=1，P(0)=-1.5 K=3，P(0)=-4.5 K=9，P(0)=-13.5即可粗略的绘出幅相特性曲线如图5514所示。图5514 幅相频率特性曲线4) 讨论不同K值时系统对稳定性的影响。当时，曲线不包围(-1,j0)点，系统稳定。当时，曲线通过(-1,j0)点，系统临界稳定。当时，曲线包围(-1,j0)点，系统不稳定。5) 求幅值裕量。依据幅值裕量定义： 例 系统开环传递函数为1) 试绘制系统的开环对数频率特性并计算值。2) 判断闭环系统的稳定性。解：1) 首先将分成几个典型环节。 显见该系统由放大环节，积分环节，惯性环节，一阶微分环节组成。2) 分别做各典型环节的对数频率特性曲线。 K=7.5 20lgK=17.5dB ； 1=2, 2=3对数幅频特性： 相频特性