1控制系统的时域与频域特性分析

南京邮电大学自动化学院实验报告课程名称：计算机控制系统实验名称：计算机控制系统性能分析所在专业：自动化学生姓名：**班级学号：B************: ***2013 /2014 学年第二学期实验一：计算机控制系统性能分析一、 实验目的：1.建立计算机控制系统的数学模型；2.掌握判别计算机控制系统稳定性的一般方法3.观察控制系统的时域响应，记录其时域性能指标；4.掌握计算机控制系统时间响应分析的一般方法；5.掌握计算机控制系统频率响应曲线的一般绘制方法。

二、 实验内容：考虑如图1所示的计算机控制系统图1 计算机控制系统1. 系统稳定性分析(1) 首先分析该计算机控制系统的稳定性，讨论令系统稳定的K 的取值范围； 解:G1=tf([1],[1 1 0]);G=c2d(G1,0.01,'zoh');//求系统脉冲传递函数 rlocus(G);//绘制系统根轨迹Root LocusReal AxisI m a g i n a r y A x i s-7-6-5-4-3-2-1012-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.5将图片放大得到0.750.80.850.90.9511.051.11.151.21.25-0.15-0.1-0.050.050.10.15Root LocusReal AxisI m a g i n a r y A x i sZ 平面的临界放大系数由根轨迹与单位圆的交点求得。

放大图片分析： [k,poles]=rlocfind(G)Select a point in the graphics window selected_point = 0.9905 + 0.1385i k =193.6417 poles =0.9902 + 0.1385i 0.9902 - 0.1385i 得到0<K<193(2) 假设不考虑采样开关和零阶保持器的影响，即看作一连续系统，讨论令系统稳定的K 的取值范围； 解：G1=tf([1],[1 1 0]); rlocus(G1);-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.200.2-0.8-0.6-0.4-0.20.20.40.60.8Root LocusReal AxisI m a g i n a r y A x i s由图片分析可得，根轨迹在S 平面左半面，系统是恒稳定的，所以： 0<K<∞(3) 分析导致上述两种情况下K 取值范围差异的原因。

控制系统时域与频域性能指标的联系经典控制理论中，系统分析与校正方法一般有时域法、复域法、频域法.时域响应法是一种直接法，它以传递函数为系统的数学模型,以拉氏变换为数学工具，直接可以求出变量的解析解。

这种方法虽然直观,分析时域性能十分有用,但是方法的应用需要两个前提，一是必须已知控制系统的闭环传递函数,另外系统的阶次不能很高。

如果系统的开环传递函数未知，或者系统的阶次较高，就需采用频域分析法。

频域分析法不仅是一种通过开环传递函数研究系统闭环传递函数性能的分析方法,而且当系统的数学模型未知时，还可以通过实验的方法建立。

此外，大量丰富的图形方法使得频域分析法分析高阶系统时,分析的复杂性并不随阶次的增加而显著增加。

在进行控制系统分析时，可以根据实际情况，针对不同数学模型选用最简洁、最合适的方法，从而使用相应的分析方法,达到预期的实验目的。

系统的时域性能指标与频域性能指标有着很大的关系，研究其内在联系在工程中有着很大的意义.一、系统的时域性能指标延迟时间t d阶跃响应第一次达到终值h (∞)的50％所需的时间上升时间tr阶跃响应从终值的10%上升到终值的90％所需的时间；对有振荡的系统，也可定义为从0到第一次达到终值所需的时间峰值时间tp阶跃响应越过终值h (∞）达到第一个峰值所需的时间调节时间ts阶跃响应到达并保持在终值h (∞)的±5％误差带内所需的最短时间超调量%σ 峰值h （tp)超出终值h （∞)的百分比，即%σ=()()()∞∞-h h h t p ⨯100%二、系统频率特性的性能指标采用频域方法进行线性控制系统设计时,时域内采用的诸如超调量，调整时间等描述系统性能的指标不能直接使用,需要在频域内定义频域性能指标。

1、零频振幅比M(0):即ω为0时闭环幅频特性值。

它反映了系统 的稳态精度， M （0)越接近于1，系统的精度越高。

M （0）≠1时，表明系统有稳态误差。

2、谐振峰值Mr ：为幅频特性曲线的A （ω）的最大值。

确定方法
通过分析频率响应函数的极点和零点分布，以及系统的相位和幅值 特性，利用稳定性判据判断系统在不同频率下的稳定性。
注意事项
稳定性判据的选择应根据具体系统的特性和要求而定，同时应注意 不同判据之间的适用范围和限制条件。
04
频域分析法的应用实例
04
频域分析法的应用实例
控制系统性能分析
稳定性分析
极坐标或对数坐标表示。
绘制方法
通过频率响应函数的数值计算，将 结果绘制成曲线图，以便直观地了 解系统在不同频率下的性能表现。
注意事项
绘制曲线时应选择合适的坐标轴比 例和范围，以便更好地展示系统的 性能特点。
频率特性曲线的绘制
定义
频率特性曲线是频率响应函数在 不同频率下的表现形式，通常以
极坐标或对数坐标表示。
稳定裕度。
动态性能分析
02
研究系统在不同频率下的响应，分析系统的动态性能，如超调
和调节时间等。
静态误差分析
03
分析系统在稳态下的误差，确定系统的静态误差系数，评估系
统的静态性能。
系统优化设计
参数优化
通过调整系统参数，优化 系统的频率响应，提高系 统的性能指标。
结构优化
根据系统频率响应的特点， 对系统结构进行优化，改 善系统的整体性能。
05
总结与展望
05
总结与展望
频域分析法的优缺点
02
01
03
优点
频域分析法能够直观地揭示系统的频率特性，帮助理 解系统的稳定性和性能。
通过频率响应曲线，可以方便地比较不同系统或同一 系统不同参数下的性能。
频域分析法的优缺点
02
01
03
优点
频域分析法能够直观地揭示系统的频率特性，帮助理 解系统的稳定性和性能。

时域与频域方法的控制系统性能比较研究控制系统是用来管理、指导和调节物理或工程系统的设备或系统。

在控制系统的设计和分析过程中，时域与频域方法被广泛应用于系统性能的评估和比较。

本文将对时域与频域方法在控制系统性能比较方面的研究进行探讨，并对两种方法的优点和不足进行比较分析。

时域方法是指通过对系统的输入和输出信号在时间域上的分析和处理，来研究系统的动态特性和性能。

时域方法的主要优点是直观易懂，能够直接观察系统的时间响应和稳态特性。

常用的时域方法包括时域响应、步跃响应、阶跃响应以及脉冲响应等。

在控制系统性能比较研究中，时域方法可以通过观察系统的超调量、上升时间、调节时间、稳态误差等指标来评估系统的性能。

频域方法是指通过对系统的输入和输出信号在频率域上的分析和处理，来研究系统的频率响应和性能。

频域方法的主要优点是能够直观地观察系统的频率特性，可以通过频率相应曲线来评估系统的稳定性和抗干扰能力。

常用的频域方法包括频率响应曲线、伯德图、尼奎斯特图以及波特图等。

在控制系统性能比较研究中，频域方法可以通过观察系统的增益裕度、相位裕度、带宽、稳定裕度等指标来评估系统的性能。

时域方法和频域方法在控制系统性能比较研究中各有其优点和不足。

时域方法可以直接观察系统的时间响应，对于分析系统的动态特性非常有帮助。

它能够通过观察超调量、上升时间、调节时间等指标来评估系统的性能，并对系统的快速性和稳定性进行分析。

然而，时域方法依赖于实际系统的输入和输出信号，在实际系统中可能存在噪声和干扰，这会对时域方法的分析结果产生一定程度的影响。

频域方法可以通过观察系统的频率响应曲线来评估系统的稳定性和抗干扰能力。

它能够通过观察增益裕度、相位裕度等指标来分析系统的频率特性，并对系统的抗干扰能力进行评估。

频域方法对于分析系统的稳定性具有一定的优势，特别适用于带有传递函数表示的线性系统。

然而，频域方法无法直接观察系统的时间响应，对于非线性系统和时变系统的分析比较困难。

时域与频域分析时域与频域分析是信号处理中常用的两种方法，用于分析信号在时间和频率上的特征。

时域分析主要关注信号的幅度、相位和波形，而频域分析则关注信号的频率成分和频谱特性。

一、时域分析时域分析是指通过对信号在时间轴上的变化进行观察和分析，来研究信号的特性。

它通常使用时域图形表示信号，常见的时域图形有时域波形图和时域频谱图。

1. 时域波形图时域波形图是将信号的幅度随时间变化的曲线图形。

通过观察时域波形图，我们可以获得信号的振幅、周期、持续时间等特征。

例如，对于周期性信号，我们可以通过时域波形图计算出信号的周期，并进一步分析信号的频谱成分。

2. 时域频谱图时域频谱图是将信号的频谱信息与时间信息同时呈现的图形。

它可以用来描述信号在不同频率下的能量分布情况。

常见的时域频谱图有瀑布图和频谱图。

瀑布图将时域波形图在频域上叠加，通过颜色表示不同频率下的幅度，以展示信号随时间和频率的变化。

频谱图则是将时域信号转换到频域上，通过横轴表示频率，纵轴表示幅度，以展示信号的频谱特性。

二、频域分析频域分析是指通过将信号从时域转换到频域，来研究信号在频率上的特性。

频域分析通常使用傅里叶变换或者其它频域变换方法来实现。

1. 傅里叶变换傅里叶变换是一种将信号从时域转换到频域的重要方法。

它可以将信号分解成不同频率成分的叠加。

傅里叶变换得到的频域信息包括频率、幅度和相位。

通过傅里叶变换，我们可以分析信号中各个频率成分的能量分布，从而了解信号的频谱特性。

2. 频谱分析频谱分析是对信号的频谱特性进行定量分析的方法。

经过傅里叶变换后，我们可以得到信号的频谱，进而进行频谱分析。

常见的频谱分析方法有功率谱密度分析、功率谱估计、自相关分析等。

通过频谱分析，我们可以计算信号的平均功率、峰值频率、峰值功率等参数，进一步得到信号的特征信息。

三、时域与频域分析的应用时域与频域分析在信号处理和通信领域具有广泛的应用。

例如：1. 时域分析可以用于信号的滤波和去噪。

一. 实验教学目的和任务机械设计制造及其自动化、机械电子工程专业培养目标为机械与电子结合、信息与控制相结合的宽口径的人才，要求学生有扎实的基础理论知识、较强的实践动手能力与创新能力。

因而要求本专业的学生必须掌握《控制工程基础》的相关基础知识。

实验的主要目的是使学生通过实验中的系统设计及理论分析，帮助学生进一步理解自动控制系统的设计和分析方法，综合应用所学的工程数学、模拟电路、数字电路等基础知识，培养控制系统的独立设计与研究开发能力，从自动控制工程的角度自觉地建立系统的思维方法。

二. 实验教学基本要求1. 本实验课程单独设课，教师需向学生讲解实验课程的性质，任务，要求，课程安排和进度，平时考核内容，期末考试办法，实验守则及实验室安全制度等。

2. 实验课以设计性与验证性实验为主，实验指导书中给出设计题目与方法，也可由学生自主设计实验方法，实验前学生必需进行预习，设计报告经教师批阅后，方可进入实验室进行实验。

3. 在规定的时间内，学生分组独立完成，出现问题，教师要引导学生独立分析解决，不得包办代替。

4. 任课教师要认真上好每一堂课，实验前清点学生人数，实验中按要求做好学生实验情况及结果记录，实验后认真填写实验开出记录。

5. 学生必须严格遵守实验室规定，实验分组独立进行。

实验完成后一周内学生完成实验报告，指导教师二周内完成实验报告的批改、成绩登记，并上交相关文件存档。

三. 实验教学内容本课程实验教学安排以下2个实验。

可根据具体教学情况及实验设备性能情况，在THBCC-1信号与系统·控制理论及计算机技术实验平台实验指导书所给13个实验中合理选取2个实验项目进行。

实验项目一：控制系统时域分析实验项目二：控制系统频域分析四. 实验项目与学时分配实验项目与学时分配表五. 实验考核办法与成绩评定实验考核成绩占课程总成绩的权重为10%，计入平时成绩。

六. 实验教材（或参考书、指导书）本专业实验采用自编实验指导书。

时域与频域综合分析在控制理论工程中的应用在控制理论工程中，时域与频域综合分析是一种常用的方法，用于分析和设计控制系统。

时域分析关注系统的时间响应，而频域分析则关注系统在不同频率下的行为。

本文将介绍时域与频域综合分析在控制理论工程中的应用。

时域分析是通过研究系统的时间响应来了解系统的行为，包括系统的稳定性、阻尼特性、超调量等。

通过时域分析，可以获取系统的时域响应曲线，并进行性能指标的评估。

时域分析中常用的方法包括单位阶跃响应、单位脉冲响应和频率响应等。

单位阶跃响应是指在系统输入为单位阶跃函数时，系统输出的响应。

通过分析单位阶跃响应可以得到系统的过渡过程、稳态误差和稳定性等信息。

单位脉冲响应是指在系统输入为单位脉冲函数时，系统输出的响应。

通过分析单位脉冲响应可以了解系统的动态响应和频率特性。

频域分析是通过研究系统在频率域下的特性来了解系统的行为，包括系统的频率响应、频率特性和滤波特性等。

频域分析常用的方法包括傅里叶变换、频率响应曲线和波特图等。

傅里叶变换是将信号从时域转换到频域的一种数学方法。

通过傅里叶变换，可以将信号分解成不同频率的成分，进而分析系统对不同频率的响应。

频率响应曲线是描述系统在不同频率下的增益和相位特性的曲线。

波特图是一种用于展示系统频率响应曲线的图形，它将频率和增益同时表示在一个图中，直观地反映了系统的频率特性。

时域与频域综合分析在控制理论工程中的应用举足轻重。

通过时域分析，可以分析系统的稳定性、误差及动态特性等，从而为系统设计和性能评估提供重要依据。

通过频域分析，可以分析系统的频率特性和频率响应，为系统设计和滤波设计提供有力支持。

在控制理论工程中，时域与频域综合分析常常结合使用。

通过时域分析可以先确定系统的动态性能和稳定性，然后通过频域分析进一步研究系统的频率特性和滤波特性。

通过综合时域和频域的分析结果，可以得到更全面的系统性能评估和设计方案。

总之，时域与频域综合分析在控制理论工程中是一种非常重要的方法。

基于MATLAB自动控制系统时域频域分析与仿真MATLAB是一款强大的数学软件，也是自动控制系统设计的常用工具。

它不仅可以进行时域分析和频域分析，还可以进行相关仿真实验。

本文将详细介绍MATLAB如何进行自动控制系统的时域和频域分析，以及如何进行仿真实验。

一、时域分析时域分析是指对系统的输入信号和输出信号进行时域上的观察和分析，以了解系统的动态特性和稳定性。

MATLAB提供了一系列的时域分析工具，如时域响应分析、稳态分析和步骤响应分析等。

1.时域响应分析通过时域响应分析，可以观察系统对于不同的输入信号的响应情况。

在MATLAB中，可以使用`lsim`函数进行系统的时域仿真。

具体步骤如下：- 利用`tf`函数或`ss`函数创建系统模型。

-定义输入信号。

- 使用`lsim`函数进行时域仿真，并绘制系统输出信号。

例如，假设我们有一个二阶传递函数模型，并且输入信号为一个单位阶跃函数，可以通过以下代码进行时域仿真：```num = [1];den = [1, 1, 1];sys = tf(num, den);t=0:0.1:10;u = ones(size(t));[y, t, x] = lsim(sys, u, t);plot(t, y)```上述代码中，`num`和`den`分别表示系统的分子和分母多项式系数，`sys`表示系统模型，`t`表示时间序列，`u`表示输入信号，`y`表示输出信号。

通过绘制输出信号与时间的关系，可以观察到系统的响应情况。

2.稳态分析稳态分析用于研究系统在稳态下的性能指标，如稳态误差和稳态标准差。

在MATLAB中，可以使用`step`函数进行稳态分析。

具体步骤如下：- 利用`tf`函数或`ss`函数创建系统模型。

- 使用`step`函数进行稳态分析，并绘制系统的阶跃响应曲线。

例如，假设我们有一个一阶传递函数模型，可以通过以下代码进行稳态分析：```num = [1];den = [1, 1];sys = tf(num, den);step(sys)```通过绘制系统的阶跃响应曲线，我们可以观察到系统的稳态特性。

自动控制理论实验指导书自动控制理论实验室2012-11-06目 录自动控制理论实验说明 (2)§1自动控制原理实验箱 (3)1.1自动控制原理实验箱构成 (3)1.2软件操作说明 (3)§2控制系统时域与频域特性分析（6学时） (7)§3角随动系统 (11)3.1系统组成及基本原理 (11)3.2系统各个元件的工作原理与输入输出特性 (12)3.3实验箱面板及说明 (18)§4 角随动系统的数学建模及串联校正（8学时） (20)§5数字随动系统 (23)5.1系统组成及工作原理 (23)5.2系统各个环节的电路构成及数学模型 (24)5.3实验箱面板说明 (27)5.4系统的初始设置 (28)§6 数字随动系统数学建模及控制器设计（8学时） (29)§7 非线性控制系统Matlab分析（2学时） (32)自动控制理论实验说明1.自动控制理论实验的实验项目序号实验项目名称实验学时内容提要实验类型1 控制系统时域与频域特性分析6基于古典控制理论半实物仿真平台，搭建一阶系统，测量其阶跃响应曲线，分析参数对一阶系统时域特性的影响；搭建二阶系统，改变二阶系统的阻尼比和无阻尼振荡频率，分析它们对二阶系统时域特性的影响；搭建控制系统，分析开环增益和时间常数对闭环系统稳定性的影响，并与理论计算进行对比分析；设计一阶系统、二阶系统的频率特性测试实验，绘制它们的幅频和相频特性曲线，并与渐进频率特性曲线对比分析。

设计型2 角随动系统模型建立及串联校正8以角随动系统为研究对象，分析系统的组成和工作原理，在对系统各个环节机理分析的基础上，利用实验法分别设计测量各环节数学模型参数的方法，进而得到各环节的传递函数，从而得出固有系统的开环传递函数；分析固有系统的动态与稳态性能，根据期望的性能指标要求，选择合适的方法设计串联校正环节，利用有源阻容网络实现校正环节，将有源校正网络接入到系统中进行校验及调试，总结调试规律。

控制系统时域分析控制系统是指由各种元件和装置组成的，用于控制、调节和稳定各种过程的系统。

在控制系统的设计和分析中，时域分析是一种常用的方法。

时域分析可以通过考察系统输出信号在时间上的变化来评估系统的性能和稳定性。

本文将介绍控制系统的时域分析方法及其在工程实践中的应用。

1. 时域分析的基本概念时域分析是指通过观察系统输入和输出信号在时间轴上的波形变化，来分析控制系统的性能和特性。

在时域分析中，常用的指标包括系统的响应时间、稳态误差、超调量、振荡频率等。

2. 系统的单位阶跃响应单位阶跃响应是指将系统输入信号设置为单位阶跃函数，观察系统输出信号的变化。

单位阶跃响应可以反映系统的动态特性，包括系统的稳态响应和暂态响应。

通过观察单位阶跃响应的波形，可以评估系统的超调量、上升时间、峰值时间等性能指标。

3. 系统的单位脉冲响应单位脉冲响应是指将系统输入信号设置为单位脉冲函数，观察系统输出信号的变化。

单位脉冲响应可以用来确定系统的传递函数和冲激响应。

通过观察单位脉冲响应的波形，可以计算系统的阶跃响应和频率响应等特性。

4. 系统的稳态误差分析稳态误差是指系统输出信号与期望输出信号之间的偏差。

稳态误差分析是用来评估系统在稳态下的性能。

根据系统的稳态误差特性，可以对系统进行进一步的补偿和优化。

通常，稳态误差可以通过单位阶跃响应和传递函数来计算。

5. 系统的波形分析波形分析是指通过观察系统输入和输出信号的波形，来分析系统的性能和特性。

波形分析可以帮助工程师判断系统是否存在超调、振荡和阻尼等问题，从而进行相应的调整和改进。

6. 控制系统的频域分析虽然时域分析是评估控制系统性能的常用方法，但有时候需要使用频域分析来更全面地了解系统的特性。

频域分析可以通过考察系统的频率响应函数来评估系统的稳定性和抗干扰性能。

常见的频域分析方法包括傅里叶变换、拉普拉斯变换和频率响应曲线等。

总结：时域分析是控制系统设计和分析中重要的工具之一。

通过观察系统输入和输出信号在时间上的变化，可以评估系统的性能和稳定性。

实验二离散控制系统的性能分析（时域/频域）一、实验目的1．掌握离散闭环系统的动态性能时域参数的分析与计算方法；2．掌握离散系统稳定性的频域典型参数分析与计算方法。

二、实验工具1．MATLAB 软件（6.5 以上版本）；2．每人计算机一台。

三、实验内容1．在 Matlab 语言平台上，通过给定的闭环离散系统，深刻理解时域参数的物理意义与计算方法，内容包括如下：●阻尼比参数分析：Z 平面与 S 平面的极点相互转换编程实现；分析 S/Z 两个平面域特殊特性（水平线、垂直线、斜线、圆周等）的极点轨迹相互映射方法；系统阶跃响应参数：上升时间和超调量等。

2．采用频域分析方法，通过编程计算，进一步理解离散系统的稳定性参数，包括如下：●通过幅频图，进行增益裕度分析；●通过相频图，进行相位裕度分析。

四、实验步骤1.阻尼比计算注释：Example 1 Damping ratio computationts=0.1;gp=tf(1,[1 1 0])gz=c2d(gp,ts,'zoh')kz=tf(5*[1,-0.9],[1 -0.7],ts);sys_ta=feedback(gz*kz,1,-1)p=pole(sys_ta)- 2 -radii=abs(p);angl=angle(p)damp(sys_ta)real_s=log(radii)/tsimg_s=angl/tszeta=cos(atan(-img_s./real_s))wn=sqrt(real_s.^2+img_s.^2)运行结果：2.水平 S 平面线到 z 平面的映射注释：Example 2 Mapping of horizontal s-plane line to z-planexx=[0:0.05:1]'N=length(xx)s0=-xx*35;s=s0*[1 1 1 1 1]+j*ones(N,1)*[0,0.25,0.5,0.75,1]*pi/tsplot(real(s(:,1)),imag(s(:,1)),'-o',real(s(:,2)),imag(s(:,2)),'-s',... real(s(:,3)),imag(s(:,3)),'-^',real(s(:,4)),imag(s(:,4)),'-*',...real(s(:,5)),imag(s(:,5)),'-v'),sgridz=exp(s*ts)plot(real(z(:,1)),imag(z(:,1)),'-o',real(z(:,2)),imag(z(:,2)),'-s',... real(z(:,3)),imag(z(:,3)),'-^',real(z(:,4)),imag(z(:,4)),'-*',...real(z(:,5)),imag(z(:,5)),'-v'),zgrid3.垂直 S 平面线到 z 平面的映射注释：Example 3 Mapping of vertical s-plane line to z-planes0=j*xx*pi/ts;s=ones(N,1)*[0,-5,-10,-20,-30]+s0*[1 1 1 1 1]plot(real(s(:,1)),imag(s(:,1)),'-o',real(s(:,2)),imag(s(:,2)),'-s',...real(s(:,3)),imag(s(:,3)),'-^',real(s(:,4)),imag(s(:,4)),'-*',...real(s(:,5)),imag(s(:,5)),'-v'),sgridz=exp(s*ts)plot(real(z(:,1)),imag(z(:,1)),'-o',real(z(:,2)),imag(z(:,2)),'-s',...real(z(:,3)),imag(z(:,3)),'-^',real(z(:,4)),imag(z(:,4)),'-*',...real(z(:,5)),imag(z(:,5)),'-v'),zgrid4.恒定阻尼比 S 平面线映射到 z 平面注释：Example 4 Mapping of constant damping ratio s-plane lines into z-plane s=s0*[1 1 1 1]-imag(s0)*[0,1/tan(67.5*pi/180),...1/tan(45*pi/180),1/tan(22.5*pi/180)]s=[s,real(s(:,4))];plot(real(s(:,1)),imag(s(:,1)),'-o',real(s(:,2)),imag(s(:,2)),'-s',...real(s(:,3)),imag(s(:,3)),'-^',real(s(:,4)),imag(s(:,4)),'-*',...real(s(:,5)),imag(s(:,5)),'-v'),sgridz=exp(s*ts)plot(real(z(:,1)),imag(z(:,1)),'-o',real(z(:,2)),imag(z(:,2)),'-s',...real(z(:,3)),imag(z(:,3)),'-^',real(z(:,4)),imag(z(:,4)),'-*',...real(z(:,5)),imag(z(:,5)),'-v'),zgrid5.将圆 s 平面线映射到 z 平面注释：Example 5 Mapping of circle s-plane line to z-planephi=xx*pi/2s0=(pi/ts)*(-cos(phi)+j*sin(phi))s=s0*[1,0.75,0.5,0.25,0]plot(real(s(:,1)),imag(s(:,1)),'-o',real(s(:,2)),imag(s(:,2)),'-s',... real(s(:,3)),imag(s(:,3)),'-^',real(s(:,4)),imag(s(:,4)),'-*',...real(s(:,5)),imag(s(:,5)),'-v'),sgridz=exp(s*ts)plot(real(z(:,1)),imag(z(:,1)),'-o',real(z(:,2)),imag(z(:,2)),'-s',... real(z(:,3)),imag(z(:,3)),'-^',real(z(:,4)),imag(z(:,4)),'-*',...real(z(:,5)),imag(z(:,5)),'-v'),zgrid6.阶跃响应注释：Example 6 Step response measurek=[0:1:60];step(sys_ta,k*ts);7.根轨迹注释：Example 7 Root-locus analysisrlocus(gz*kz)Amplitude；注释：Example 8 Root-locus analysis in page 56 numg=[1 0.5];deng=conv([1 -0.5 0],[1 -1 0.5]);sys_z=tf(numg,deng,-1)rlocus(sys_z)注释：Example 9 Root-locus analysis in page 57numg=[1];deng=[1 4 0];ts=0.25sys_s2=tf(numg,deng)sys_z2=c2d(sys_s2,ts,'imp')rlocus(sys_z2)8.频率响应注释：Example 10 Analysis of frequency response and roots locus in page 59 a=1.583e-7;k=[1e7,6.32e6,1.65e6];w1=-1;w2=1;ts=0.1;v=logspace(w1,w2,100);deng=[1.638 1 0];numg1=k(1,1)*a*[-1 1]numg2=k(1,2)*a*[-1 1]numg3=k(1,3)*a*[-1 1]sys_s1=tf(numg1,deng)sys_s2=tf(numg2,deng)sys_s3=tf(numg3,deng)bode(sys_s1,sys_s2,sys_s3,v),grid onnumg=1.2e-7*[1 1]deng=conv([1 -1],[1 -0.242]);sys_z2=tf(numg,deng,ts)rlocus(sys_z2),grid on五、实验思考1. S 平面与 Z 平面不同位置的映射关系分析s平面虚轴的映射s平面整个虚轴映射为z平面单位圆，左半平面任一点映射在z平面单位圆内，右半平面任一点映射在单位圆外。

控制系统的时域与频域分析及应用研究控制系统的时域与频域分析是控制工程中的两个重要方面，它们为我们研究和设计控制系统提供了强大的工具。

本文将探讨控制系统的时域与频域分析的基本概念、方法和应用，并讨论它们在实际工程中的重要性。

控制系统的时域分析是对系统在时间域内的行为进行分析和研究。

时域分析的主要目标是研究系统的稳定性、响应速度和稳态误差等特性。

在时域分析中，我们通常关注系统的脉冲响应、阶跃响应和频率响应等。

通过对这些响应的分析，我们可以了解系统对输入信号的处理方式和输出响应的特点。

时域分析的基本方法包括传递函数法、状态空间法和信号流图法等。

其中，传递函数法是最常用的方法之一。

它通过求解系统的传递函数，将输入信号和输出响应之间的关系用数学表达式表示出来。

传递函数法可以帮助我们分析系统的稳定性、零极点分布和频率响应等重要特性。

另外，状态空间法可以帮助我们直观地理解系统的动态特性，以及对多输入多输出系统进行分析和设计。

信号流图法则可以帮助我们将系统的结构图形象地表示出来，从而更好地理解和分析系统的性能。

除了时域分析，控制系统的频域分析也是十分重要的。

频域分析是通过将系统的输入和输出信号转换为频率域内的频谱图来研究系统的动态特性。

频域分析的主要目标是研究系统的频率响应、幅频特性和相频特性等。

在频域分析中，我们可以使用频率响应法、傅里叶变换法和拉普拉斯变换法等方法来分析系统。

其中，频率响应法是最常用的分析方法之一。

它通过将系统的输入和输出信号的频谱进行比较，得出系统的幅度响应和相位响应。

频率响应法可以帮助我们分析系统的频率特性，如共振频率、带宽和滤波特性等，从而指导系统的设计和优化。

控制系统的时域与频域分析在实际工程中具有广泛的应用。

首先，时域分析可以通过对系统的阶跃响应进行研究，帮助我们评估系统的稳态误差和响应速度，从而指导系统的控制策略和参数调节。

其次，频域分析可以通过对系统的幅度响应和相位响应进行研究，帮助我们评估系统的稳定性和抑制高频噪声的能力。

第三章 线性系统的时域分析法分析控制系统的第一步是建立模型，数学模型一旦建立，就可求出已知输入信号作用下系统的输出响应。

第二步分析控制性能，即对系统做定性的分析和定量的计算。

分析有多种方法，主要有时域分析法，频域分析法，根轨迹法等。

第一节 控制系统的性能指标一、典型输入信号1.阶跃信号 数学表达式： 拉氏变换：当R 0=1，称为单位阶跃信号，记为)(t ε。

2.斜坡信号 数学表达式： 拉氏变换：当v 0=1，称为单位斜坡信号。

3.抛物线（等加速度）信号数学表达式： 拉氏变换：当a 0=1，称为单位抛物线函数。

4.脉冲信号 数学表达式：拉氏变换：当a 0=1，称为单位抛物线函数。

5.正弦信号 数学表达式： 拉氏变换：二、系统性能指标：控制系统的性能指标分为动态性能指标和稳态性能指标。

动态性能指标又分为跟随性能指标和扰动性能指标。

一般讨论的是跟随性能指标，即在给定信号作用下，有系统输出导出的性能指标。

常用的性能指标：1. 上升时间t r ：响应曲线从零开始，第一次上升到稳态值所需的时间。

上升时间越短，⎩⎨⎧≥<=000)(0t R t t r ，，为常数。

，00)(R s R s R =为常量。

，020)(v s v s R =⎩⎨⎧≥<=000)(0t t v t t r ，，为常量。

，030)(a sa s R =⎪⎩⎪⎨⎧≥<=02100)(20t t a t t r ，，为常量。

，030)(a s a s R =数。

，称为单位理想脉冲函。

若令脉宽时，记为，当，，，0)(10/00)(→=⎩⎨⎧≤≤><=εδεεεt H t H t t t r 22)(ωω+=s A s R ⎩⎨⎧≥<=0sin 00)(t t A t t r ，，ω响应速度越快 。

2. 峰值时间tp ：响应曲线达到过调量的第一个峰值所需要的时间。

3. 调节时间t s ：响应曲线达到并永远保持在稳态值的误差范围内，即响应进入并保持在所需的误差带之内所需的时间。

则
uos (t) = A ⋅ A(ω)sin[ω t + ϕ(ω)]
(5.2)
结论：
(1) 稳态解与输入信号为同一频率的正弦量；
(2) 当ω 从 0 向∞变化时，其幅值之比 A(ω) 和相位差ϕ(ω) 也将随之变化，其变化规
律由系统的固有参数 RC 决定； (3) 系统稳态解的幅值之比 A(ω) 是ω 的函数，其比值为
三角函数形式： G( jω) = A(ω)[cosϕ(ω) + jsinϕ(ω)] 。
式中 A(ω) = G( jω) 是幅值比，为ω 的函数，称为幅频特性；
ϕ(ω) = ∠G( jω) 是相位差，为ω 的函数，称为相频特性； U (ω) 是 G( jω) 的实部，为ω 的函数，称为实频特性； V (ω) 是 G( jω) 的虚部，为ω 的函数，称为虚频特性。
s + p1 s + p2
s + pn s + jω s − jω
∑n
=
Ci
+
B
+
D
i=1 s + pi s + jω s − jω
(5.4)
式中 Ci , B , D 均为待定系数。
将(5.4)式进行拉氏反变换，得系统的输出响应为
n
∑ c(t) = Cie− pi t + (Be− jω t + Dejω t ) = ct (t) + cs (t) i =1
C( jω) = G( jω)R( jω)
因而，得
G( jω) = C( jω) R( jω)
(5.11)
事实上，当ω 从 0 向∞变化时， G( jω) 将对不同的ω 作出反映，这种反映是由系统自

ϕ(ω) = −arctg (ωT )
自动控制原理
幅相频率特性画法举例
画出二阶系统 G ( s ) = 112
的幅相频率特性
s (1 + 0 .02 s )
自动控制原理
2. 伯德图(Bode图)
如将系统频率特性G(jω ) 的幅值和相角分别绘在半对数坐
标图上,分别得到对数幅频特性曲线（纵轴：对幅值取分贝数
自动控制原理
极坐标图(Polar plot)，幅相频率特性曲线，幅相曲线 当ω在0～∞变化时,相量G(jω) 的幅值和相角随ω而变化,与 此对应的相量G(jω) 的端点在复平面 G(jω) 上的运动轨迹 就称为幅相频率特性曲线或 Nyqusit曲线。画有 Nyqusit曲 线的坐标图称为极坐标图或Nyqusit图。（ ω在0～－∞变化 对称于实轴） 奈奎斯特(N.Nyquist)在1932年基于极坐标图阐述了反馈系统 稳定性
这些幅频特性曲线将通过点
自动控制原理
0dB,ω = 1
L(ω ) = 20 lg 1 = −20 lg ω (dB ) jω
ϕ (ω ) = −90°
Magnitude (dB)
Phas e (deg)
20 10
0 -10 -20 -30 -40 -89
-89.5
-90
-90.5
-91
-1
10
Bode Diagram of G(jw )=1/(jw )
(a) 幅频特性
自动控制原理
ϕ(ω) = −arctgTω
自动控制原理
输出与输入的相位之差
(b)相频特性
Uo (s) = G(s) = 1
Uo ( jω) = G( jω) = 1 = 1

1
Ts 1
L( )
3dB
c
1 T
b log
频域性能指标：
由频b 宽的c 定T1义知：A(我b们) 知1道2 一A(0阶) 惯 0性.70环7 ,节20的log调A整(时bt)s间是33Td：(B, 5)
则频宽越大，调整时间越小。
二阶系统：
开环频率特性为：Gk ( j
第七节 频率特性和时域性能指标的 关系
主要内容
通过频率特性曲线获得稳态性能指标 频率域性能指标 频率域特性指标与时域瞬态指标的关系
一、稳态性能指标分析：
如果通过频率特性曲线能确定系统的无差度阶数 （即积分
环节的个数）和开环放大系数k的话，则可求得系统的稳态误差。 （见第三章第六节 稳态误差分析）
数定义为幅值稳定裕度。所对应的频率 称为相角穿越频率。
即
L
hA2(01 lgg)，A(满 足)。
(
) 180 。实际中常用对数幅值稳定裕度
相角稳定裕度 系统开环频率特性的幅值为1时，系统开环频率特性的相角
与180 之和定义为相角稳定裕度，所对应的频率 称为系统截 止频率或幅值穿越频率。即 180 ( ) ， 满足 A( ) 1
闭环频率特性为：( j)
)
(
n2
(
j)((
j ) 2
n2
2
n
(
j)2 2 n ( j) n
j ))
2 A(
)e
j
(
)
频域性能指标主要有相位稳定裕度（开环指标）和频宽、谐振
峰值（闭环指标）。
幅频特性为：A()
n2
(n2 2 )2 (2 n )2
由带宽的定义知当 A()
1 A(0) 2

傅里叶变换
将时域信号转换为频域信号，通过分析频谱特性来了解信号的频率组成和变化规 律。
频域分析
通过分析系统的频率响应，了解系统在不同频率下的性能表现，有助于揭示系统 的内在特性。
控制系统设计中的时频转换
时频转换
在控制系统设计中，时频转换是一种 重要的技术手段，用于将时域特性与 频域特性相互转换，以便更好地进行 系统分析和设计。
VS
详细描述
时频联合分析结合了时域和频域分析的方 法，通过同时考虑系统的时域和频域特性 ，全面了解系统的动态特性和稳定性。例 如，对于一个控制系统，可以通过时频联 合分析计算系统的时频响应曲线，从而更 全面地评估系统的性能和稳定性。
06 结论
控制系统的时域与频域特性总结
稳定性
通过分析系统的极点和零点，可以判断系统 的稳定性。极点位于复平面的左半部分时， 系统不稳定；而零点同样影响稳定性，需要 综合考虑。
稳定性
系统在受到扰动后恢复平衡状态 的能力，分为稳定、临界稳定和 不稳定三种状态。
阶跃响应与冲激响应
阶跃响应
系统在阶跃输入信号下的动态行为， 反映系统的动态性能和调节能力。
冲激响应
系统在冲激输入信号下的动态行为， 用于评估系统的暂态性能和稳态误差 。
时域性能指标
上升时间
系统输出从稳态值的 10%上升到90%所需的
快速性
系统的快速性主要通过调节时间常数实现， 时间常数小的系统响应速度快。
控制系统的时域与频域特性总结
• 准确性：系统的准确性由最大误差决定，可通过优化系统 参数减小误差。
控制系统的时域与频域特性总结
带宽
带宽反映了系统对不同频率信号的响应能力，带 宽越大，系统对高频信号的响应越好。