第五章 线性系统的频域分析2.ppt

1、第五章,线性系统的频域分析,第三章已介绍了控制系统的时域分析法，系统的动态性能用时间响应来描述市较为直观与逼真的。但是，对于比较复杂的系统来说，这种方法较为繁琐，因此希望使用一种不必实际求解微分方程就有可能预示系统性能的方法，而这种方法又能方便地指出应如何调整系统来满足系统性能的技术条件。这种方法就是现在已变得越来越成熟的频域分析方法,特点,它可借助做图法就可以指出系统究竟应该如何改进 可以用实验方法确定响应，其效果和解析法一样。这在难于用微分方程来描述系统的地方尤为重要。,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.

2、 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。,5. 熟练掌握乃奎斯特稳定判据和对数频率稳定判据及其它们的应用。 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。,5-1 频率特性的一般概念,一、研究线性定常系统对正弦输入的响应 二、频率特性的求法 三、频率特性的物理意义,一、研究线性定常系统对正弦输入的响应,说到频率特性，大家会问什么是频率特性？,定义,对于一个稳

3、定的线性定常系统，当系统的闭环传递函数为G(s)，给系统输入以正弦信号，则系统的稳态输出也为一同频率的正弦信号，但输出的振幅和相位与输入信号不同。即：,稳定系统,实验证明：,当系统输入幅值（X）保持不变时，仅改变输入信号的频率（w），则稳态输出的的幅值（y）和相位角（ ），将随频率（w）变化而变化。,稳定系统,由上可知：,控制系统对正弦输入信号的稳态响应称为频率响应，系统频率响应的幅值、相位与输入正弦信号幅值、相位的关系称为频率特性,问题：,系统在接受正弦输入后，其稳态输出一定是同频率的正弦函数吗？输出信号的幅值、相位有何变化？其变化于什么有关？,用频率特性分析系统，能否反应系统的结构参数与系

4、统性能之间的关系？,下面我们就逐一解答上面的问题：,首先我们看频率特性分析，能否反应系统的结构参数与系统性能的关系。 通过前面的学习我们知道系统的传递函数反映系统结构参数与系统性能间的关系，通过本节的讨论将会看到频率特性是特定的传递函数，即频率特性是传递函数的一种特例。,设系统是稳定的，初始条件为零，则系统的传递函数为,传递函数 G(s) 在一般情况下可写成如下形式，即,系统输出的象函数y(s),系统的输入为正弦函数：,则：,将上式写成部分分式形式为：,上式进行拉氏反变换，得到系统对正弦输入信号的响应为 ：,对于稳定的系统，其闭环极点都具有负实部。 当 时，输出的瞬态分量衰减为零。因此，不管系

5、统属于哪种形式，其对正弦信号的稳态响应为,式中： 和 为待定系数，,确定b，等式的两边同乘（s+jw)，并令s=-jw，得：,同理确定 ， 等式的两边同乘(s-jw)，并令s=jw，得：,由于,与,为一对共轭复数，其模相等幅角相反,故：,欧拉公式,得：,故：,从以上的推导证明： 稳定的线性定常系统，其正弦函数的输入的响应，是与输入同频率的正弦函数,-称为频率特性,从而，得：,频率特性,这样我们在已知系统的传递函数G(s)的情况下，求 是非常方便的 。即在G(s)中用s=jw代入即可求得G(jw) -一复数，我们求得起相应的幅值、幅角。,由此可见G(jw)也是控制系统的一种数学模型,例 如下图所

6、示的RC电路，求该环节的频率特性以及系统输入为r(t)=xsinwt时的稳态输出,R,C,Ur,Uo,解：列写系统的微分方程,故得环节的传递函数,环节的频率特性,此时系统的稳态输出：,5-2 系统的开环频率特性图,频率特性分析法，使用的是图解的方法，即通过图形判断系统的性能。,常用的图形有三种,频率特性分析法和时间响应分析法在具体做法上有着较大的差别。,本章主要任务有两个,作出Nyquist、Bode图 利用Nyquist图和Bode图判断系统的稳定性和系统动、静态特性。,下面分别介绍Nyquist图和bode图的做法：,5-2、Nyquist图（极坐标图）,-在频率特性G(jw)中的w从0变

7、化到 时，表示在极坐标图上的复变函数 的矢量端点轨迹曲线，称为Nyquuist图。,例：系统的传递函数为G(s)，则将s=jw代入，即：,1、概述,2、典型环节的Nyquist图,比例环节（放大环节）,比例环节的传递函数：G(s)=k 比例环节的频率特性：G(jw)=k,k,j,Re,积分环节,频率特性,0,1,1,0,j,G,惯性环节,传递函数,频率特性,幅相特性,振荡环节,传递函数,频率特性,分子、分母同除wn2,令,幅相特性,从图中可见：,无论 大小，曲线总是起于(1，j0)点，终止于原点(0，j0); 当 时， 可见： 曲线越往外延伸 当 小于某一个数值时，,当 时， 出现峰值，故 出

8、现峰值时，对应的频率成为谐振频率,谐振频率特性（谐振幅值）,二阶系统频率响应与单位阶跃响应间的关系,通常在设计二阶系统时，当系统参数 未知时，可用x-y记录仪，记录下Mr 找出 ，在通过,三种频率物理意义不同,微分环节,传递函数 G(s)=s,频率特性 G(jw)=jw,幅相特性,一阶微分环节,传递函数,频率特性,幅相特性,二阶微分环节,传递函数,频率特性,幅相特性,滞后环节,传递函数,频率特性,幅相特性,举例，作系统的Nyquist图,例1：设某系统的开环传递函数为,试绘制该系统地Nyquist图,解：由G(s)求G(jw),可见系统时有两个典型环节组成,k,例2：设某系统的开环传递函数为,

9、试绘制该系统地Nyquist图,解：由G(s)求G(jw),可见系统时有三个典型环节串联而成,可见其大概的趋势为,要绘制精确的曲线则要找出渐近线,寻找渐近线,渐近线,例3：设某系统的开环传递函数为,试绘制该系统地Nyquist图,解：由G(s)求G(jw),可见系统时有四个典型环节串联而成,小结,讨论开环系统Nyquist图形的起点、终点的问题,若系统的开环传递函数为,频率特性,当v=0时，故开环系统中不含积分环节，称为0型系统,讨论：,说明,0型系统 起点为: (k，j0) 终点为原点，但趋进的角度取决于(n-m)的数值。,当v=1时，故开环系统中含一个积分环节，称为1型系统,讨论：,n-m

10、=2,n-m=3,Re,Im,V=1,V=2,V=3,W= 时，趋近于原点，方向取决于(n-m)的数值,例：系统开环传递函数分子有一阶微分环节，取m=1，n=3时，系统的开环幅相特性。其开环幅相特性曲线出现凹凸,5-3、Bode图（对数频率特性）,对数幅频特性图,1、概述,Bode 图的优点,可将串联环节的幅值的乘、除运算转化为加、减运算，这样大大的简化了运算过程； 在有限的长度坐标上，表示出较宽的频率范围 例如: w从1-1000，共需999个单位长度 对数lg1-lg1000，只用4个单位长度 低频段，w变化很小但读数很清楚。,2、典型环节Bode图,比例环节,传递函数,频率特性,幅相特性

11、,对数幅、相特性,问题：k1,k1,积分环节,传递函数,频率特性,幅相特性,对数幅、相特性,可见： 频率每增加10倍频程，幅值衰减-20db，L(w)曲线是一条过(1,0)点、斜率为-20的直线,如果传递函数中含有n个积分环节，即：,传递函数,频率特性,对数频率特性,可见：L(w)是一条过(1，0)点斜率为-20*n/dec的直 线,微分环节,传递函数,频率特性,幅相特性,对数幅、相特性,可见：L(w)为一条过(1,0)点，w每增加10倍，幅值增加20dB的直线。 类推，如果n个微分环节串联时的情况。,惯性环节,传递函数,频率特性,幅相特性,这里为研究问题方便,对数幅频特性,讨论：对数频率特性

12、(L(w)， ）随w的变化情况,可见惯性环节的对数幅频特性，在高频段w每增加10倍，L(w)下降20dB，w=wT为高低频段的交界处，称wT为转折频率（或交接频率）,-相频特性,惯性环节的Bode图,由上图可见： 惯性环节的对数幅频特性，在低频段为0dB的一条直线（渐近线）。在高频段时w每增加10倍，对数幅频特性衰减20dB(渐近线），最大误差发生在W=1/T处，必要时可根据以下方法修正。,L(w)曲线的修正,利用上式制出教材P153表5-2，从表中发现误差在Tw=0.110区间，其中最大误差发生在w=1/T处，在此区间以外基本上误差为0，因此在有必要修正渐近线时只在这个区间内进行。,一阶微分

13、化解,传递函数,频率特性,幅相特性,讨论：对数频率特性(L(w)， ）随w的变化情况,这里为研究问题方便,对数幅频特性,可见微分环节的对数幅频特性，在高频段w每增加10倍，L(w)增加20dB，w=wT为高低频段的交界处，称wT为转折频率（或交接频率）,-相频特性,微分环节渐进性及精确曲线的之间的修正方法与惯性环节一样，只是向反对称于实轴，L(w)的最大误差也出现在w=1/T处，最大误差为+3dB，修正区间也在Tw=0.110,振荡环节,传递函数,频率特性,分子、分母同除wn2,令,幅相特性,对数幅频特性,讨论：对数频率特性(L(w)， ）随w的变化情况,可见振荡环节的对数幅频特性，在低频时为

14、0，高频段W每增加10倍，L(w)衰减40dB.,-相频特性,相频特性曲线特点 这三点无论 为何值都不变，之外曲线随 值的不同而不同。,振荡环节的Bode图,振荡环节的Bode图的特点 修正的区间也在转折频率的前后10倍频率范围内进行,二阶微分环节,振荡环节,二阶微分环节,振荡环节,与惯性环节还有一阶微分环节作比较,系统bode图绘制,Bode图通常绘制系统的开环bode图的渐近线，若需精确特性时，在对渐近bode图进行适当修正。 绘制bode图见基本步骤通过例题给大家加以说明,例5-2（教材例题）：已知单位负反馈系统的开环传递函数，绘制系统开环对数频率特性,解：将组成系统的各环节化为标准形式,方法1分别各个环节的bode图，然后叠加而成为系统的bode图,方法2,将组成系统的各环节化为标准形式,建立bode图的坐标,求20lgk，并将其标注在图中,过w=1作横轴的垂线，找垂线与20lgk的交点A 求相应环节的转折频率，并标注在图中,过A点作斜率为v(-20)的线段，经过一个转折频率，改变一次斜率,利用Matlab绘制bode图,num=5 10; den=0.5 1.5 1 0; figure(1) bode(num,den) numb,denb=cloop(num,den