自动控制原理-5-1 频率特性及其表示法
- 格式:ppt
- 大小:525.50 KB
- 文档页数:3
第五章§5-1 引言§5-2频率特性§5-3 开环系统的典型环节分解和开环频率特性曲线的绘制§5-4开环和闭环系统Bode图的绘制方法§5-5 系统稳定性分析§5-6控制系统的相对稳定性分析第五章 控制系统的频率响应分析[教学目的]:掌握利用频域法进行系统分析的一般方法 ,为后面的校正及信号与系统分析打下基础。
掌握系统频率特性分析与系统幅角之间的关系,掌握Nyquist 图和Bode 图的绘制方法,根据系统的Nyquist 图和Bode 图分析系统的性质。
本章的难点是Nyquist 稳定性分析。
[主要容]:一、引言 二、 频率特性 三、 开环系统的典型环节分解和开环频率特性曲线的绘制 四、 频率域稳定判据 五、 稳定裕度 六、 闭环系统的频域性能指标[重点]: 频率特性的基本概念,各种频域特性曲线的绘制,Nyquist 稳定判据的应用,及相对稳定裕度的分析,理解三频段的概念与作用。
[难点]:时域性能指标与频域性能指标之间的相互转换。
闭环频域性能指标的理解与应用[讲授方法及技巧]:联系传递函数,微分方程等数学模型,将频率法和时域分析法、根轨迹法相比较,理解和掌握古典控制系统的完整体系。
准确理解概念,把握各种图形表示法的相互联系。
与时域法进行对比,以加深理解。
§5-1 引言1.时域分析法(特点)1)以传递函数和单位阶跃响应为分析基础构成的一整套解析法为主响应曲线图形分析法为辅的分析方法。
它具有直观、明确的物理意义,但就是运算工作量较大,参数的全局特征不明显。
2) 原始依据--数学模型,得来不易,也同实际系统得真实情况有差异,存在较多的近似、假设和忽略,有时对于未知对象,还可能要用经验法估计。
3) 对工程中普遍存在的高频噪声干扰的研究无能为力。
4) 在定性分析上存在明显的不足。
5) 属于以“点”为工作方式的分析方法。
2.根轨迹法(特点)1)根轨迹法弥补了时域分析法中参数全局变化时特征不明显的不足,在研究单一指定参数对整个系统的影响时很有用;2)增加零极点(增加补偿器)时,是一种很好的辅助设计工具; 3)以“线”和“面”为工作方式;4)为定性分析提供了一种非常好的想象空间和辅助思维界面。
第五章 频域分析法目的:①直观,对高频干扰的抑制能力。
对快(高频)、慢(低频)信号的跟踪能力。
②便于系统的分析与设计。
③易于用实验法定传函。
§5.1 频率特性一. 定义)()()()(1n p s p s s s G +⋅⋅⋅+=θ在系统输入端加一个正弦信号:t R t r m ωsin )(⋅=))(()(22ωωωωωj s j s R s R s R m m -+⋅=+⋅=↔ 系统输出:))(()()()()(1ωωωθj s j s R p s p s s s Y m n-+⋅⋅+⋅⋅⋅+=t j t j e A e A t y t y ωω⋅+⋅+=↔-瞬态响应)()(1若系统稳定,即)(s G 的极点全位于s 左半平面,则 0)(l i m 1=∞→t y t稳态响应为:tj tj ss eA eA t y ωω⋅+⋅=-)(而)(21)()(22ωωωωωj G R jj s s R s G A m j s m -⋅-=+⋅+⋅⋅=-=)(21)()(22ωωωωωj G R jj s s R s G A m j s m ⋅=-⋅+⋅⋅== ∴t j m tj m ss e j G R je j G R j t y ωωωω⋅⋅+⋅-⋅-=-)(21)(21)( =])()([21t j t j m e j G e j G R jωωωω-⋅--⋅⋅ 又)(s G 为s 的有理函数,故)()(*ωωj G j G -=,即φωωj e j G j G )()(= φωωj e j G j G -=-)()(∴][)(21)()()(φωφωω+-+--⋅=t j t j mss e e j G R jt y =)sin()(φωω+⋅⋅t j G R m =)sin(φω+⋅t Y m可见:对稳定的线性定常系统,加入一个正弦信号,其稳态响应也是一个同频率的正弦信号。
其幅值是输入正弦信号幅值的)(ωj G 倍,其相移为)(ωφj G ∠=。
第5章线性系统的频域分析法5.1复习笔记本章考点:幅相特性曲线、伯德图的绘制,奈奎斯特稳定判据,稳定裕度计算。
一、频率特性1.定义幅频特性:稳态响应的幅值与输入信号的幅值之比A(ω)。
相频特性:稳态响应与正弦输入信号的相位差φ(ω)。
频率特性:幅频特性和相频特性在复平面上构成的一个完整向量G(jω)=A(ω)e jφ(ω)。
2.频率特性的几何表示法(重点)(1)幅相频率特性曲线(幅相曲线或极坐标图),横坐标为开环频率特性的实部,纵坐标为虚部, 为参变量。
(2)对数频率特性曲线(伯德图),由对数幅频特性曲线、对数幅相频特性曲线两幅图组成:①对数幅频特性曲线的纵坐标表示L(ω)=20lgA(ω),单位是分贝,记作dB;②对数相频特性曲线的纵坐标为φ(ω),单位为度“°”。
(3)对数幅相曲线(尼科尔斯图),横坐标表示频率特性的相角φ(ω),纵坐标表示频率特性的幅值的分贝数L(ω)=20lgA(ω)。
二、典型环节与开环系统的频率特性1.典型环节的频率特性一些主要典型环节的频率特性曲线总结如表5-1-1所示。
表5-1-1典型环节频率特性曲线总结2.开环幅相曲线绘制步骤(1)确定开环幅相曲线的起点(ω=0+)和终点(ω=∞),确定幅值变化与相角变化。
(2)计算开环幅相曲线与实轴的交点。
令Im[G(jωx)H(jωx)]=0或φ(ωx)=∠G(jωx)H(jωx)=kπ(k=0,±1,…)称ωx为穿越频率,而开环频率特性曲线与实轴交点的坐标值为Re[G(jωx)H(jωx)]=G(jωx)H(jωx)。
(3)分析开环幅相曲线的变化范围(象限、单调性)。
3.开环对数频率特性曲线绘制步骤(1)开环传递函数典型环节分解并确定一阶环节、二阶环节的交接频率;(2)绘制低频段渐近特性线:在ω<ωmin频段内,直线斜率为-20vdB/dec;(3)作ω≥ωmin频段渐近特性线,交接频率点处斜率变化表如表5-1-2所示。