线性系统的频域分析方法

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四、线性系统的频域分析法

四、线性系统的频域分析法

其中: A()Ac (j) 幅频特性
A
() (j) 相频特性
RC网络频率特性的物理意义:
1 A()
0.707
频带宽度
b

01 2 3 4 5
TTTT T
() 0
相角迟后
90

01 2 3 4 5
TTTT T
对稳定的线性系统,其频率特性如下:
设: (s)C R ((s s))b a 0 0 ssm n b a 1 1 s sm n 1 1 .... a .b .m n 1 1 s s a b n m
微分环节: s 惯性环节: 1/(Ts1) 一阶微分环节: Ts1
振荡环节: 1 /s (2/ n 2 2s/ n 1 )0 , 1
二阶微分环节: s2/n22 s/n 1 ,01
例如:G(s)s(0.5s K 1()ss( 21 )2s5) 由上述的5个环节组成。
A()1/ ()900
db 60 40 20 0 900
[20]
0.1
1
j
0

幅相曲线
对数频率特性曲线
L()2l0g A()
20lg () 900

10
3)微分环节: s 由 G(s)s
A() ()900
db 60 40 20 0 90 0 00
uc
ur
ur Asi nt c u c
设初值为0, 对上式拉氏变换,设A=1,得:
Uc(s)RC 1s1Ur(s) s1/1T/Ts2 2
RC网络
TRC
s1x/Tsy2sz2 (xy)s2( s (z1 /T y)/T s(2) s x 2 )2z/T

线性系统的频域分析

线性系统的频域分析

第五章 线性系统的频域分析频域分析法是应用频率特性研究线性系统的一种经典方法。

它以控制系统的频率特性作为数学模型,以伯德图或其他图表作为分析工具,来研究、分析控制系统的动态性能与稳态性能。

频域分析法由于使用方便,对问题的分析明确,便于掌握,因此和时域分析法一样,在自动控制系统的分析与综合中,获得了广泛的应用。

本章研究频率特性的基本概念、典型环节和控制系统的频率特性曲线、奈奎斯特稳定判据以及开环频域性能分析等内容。

§5-1 频率特性的基本概念一、频率特性的基本概念频率特性又称频率响应,它是系统(或元件)对不同频率正弦输入信号的响应特性,对于线性系统,若其输入信号为正弦量,则其稳态输出信号也将是同频率的正弦量,但其幅值和相位都不同与输入量。

下面以RC 电路为例,说明频率特性的基本概念。

图5-1所示的RC 电路,)(t u i 和)(0t u 分别为电路的输入电压和输出电压,电路的微分方程为:)()()(00t u t u dtt du Ti =+ 式中T=RC 为电路的时间常数。

RC 电路的传递函数为11)()(0+=Ts s U s U i (5-1) Rui )t图 5-1 RC 电路当输入电压为正弦函数t U t u i i ωsin )(=,则由式(5-1)可得22011)(11)(ωω+⋅+=+=s U Ts s U Ts s U i i 经拉氏反变换得电容两端的输出电压)sin(11)(122/220T tg t T U e T T U t u iT t i ωωωωω---+++=式中,第一项为输出电压的暂态分量,第二项为稳态分量,当∞→t 时,第一项趋于零,于是)sin(1|)(1220T tg t T U t u i t ωωω-∞→-+=)](sin[)(ωϕωω+=t A U i (5-2)式中:2211)(TA ωω+=,T tgωωϕ1)(--=,分别反映RC 网络在正弦信号作用下,输出稳态分量的幅值和相位的变化,二者皆是输入正弦信号频率ω的函数。

自动控制理论 线性系统的频域分析法

自动控制理论  线性系统的频域分析法
A() P2 () Q2 ()
() tg 1 Q() P( )
线性系统的频域分析法>>线性系统的频域特性
频率特性与传递函数的关系为:
G( j ) G(s) |s j
由于这种简单关系的存在,频率响应法和利用传递函数的时域 法在数学上是等价的。
[结论]:当传递函数中的复变量s用 j代替时,传递函数就转变
第六章 线性系统的频域分析法
1 线性系统的频率特性及图示 2 开环系统的典型环节 3 频率域稳定判据 4 稳定裕度 5 闭环系统的频域特性
线性系统的频域分析法>>线性系统的频域特性
6.1 频率特性的基本概念
考察一个系统的好坏,通常用阶跃输入下系统的阶跃响应 来分析系统的动态性能和稳态性能。
有时也用正弦波输入时系统的响应来分析,但这种响应并 不是单看某一个频率正弦波输入时的瞬态响应,而是考察频率 由低到高无数个正弦波输入下所对应的每个输出的稳态响应。 因此,这种响应也叫频率响应。
N (s)
Rm
(s p1)(s p2 )...(s pn ) (s p1)(s p2 )...(s pn ) (s j )(s j )
k1 k2 ... kn kc1 kc2
s p1 s p2
s pn s j s j
拉氏反变换为:
c(t) k1e p1t k2e p2t ... kne pnt kc1e jt kc2e jt
频率响应法的优点之二在于它可以用图来表示,这在控制 系统的分析和设计中有非常重要的作用。
由实验方法求频率特性
正弦信号 发生器
实验装置 (系统或元件)
双踪 示波器
图 求频率特性的实验方法
系统的幅频特性: | G( j) | Y

第五章线性系统的频域分析法

第五章线性系统的频域分析法

对 A(ω ) 求导并令等于零,可解得 A(ω ) 的极值对应的频率 ω r 。
ω r = ω n 1 2ζ 2
该频率称为谐振峰值频率。可见,当 ζ = 当ζ
> 1 2
s = jω
G( jω) =| G( jω) | e
j∠G( jω)
= A(ω)e
j (ω)
G( jω) = G(s) |s= jω
G( jω) = G(s)|s= jω =| G( jω)| e j∠G( jω) = A(ω)e j(ω)
A A j (ω ) k1 = G( jω ) e k2 = G( jω ) e j (ω ) 2j 2j
可以作为系统模型
G( jω) = G(s) |s= jω = G( jω) e j(ω)
定义 幅频特性
A(ω ) =| G( jω ) |
(ω ) = ∠G ( jω )
它描述系统对不同频率输入信号在稳态时的放大特性; 它描述系统对不同频率输入信号在稳态时的放大特性; 相频特性
它描述系统的稳态响应对不同频率输入信号的相位移特性; 它描述系统的稳态响应对不同频率输入信号的相位移特性; 幅频特性和相频特性可在复平面上构成一个完整的向量 G ( jω ), 频率特性。 频率特性 G ( jω ) = A(ω )e j (ω ) ,它也是 ω 的函数。G( jω) 称为频率特性 还可将 G ( jω ) 写成复数形式,即
A(ω ) = 1 1 + T 2ω 2 ,
G (s) =
1 Ts + 1
G ( jω ) =
1 jT ω + 1
(ω ) = tg 1T ω
幅频特性 L(ω) = 20log A(ω) = 20log K 20log 1+ T 2ω2 低频段:当Tω << 1时,ω 高频段:当 Tω >> 1时, ω

线性系统的频域分析法

线性系统的频域分析法

5.1 频率特性

lg
1 0
2
0.301
3
0.477
4
0.602
5
0.699
6
0.778
7
0.845
8
0.903
9
0.954
10
1
※※
( )
40
20 0dB -20 -40
2、对数频率特性曲线 [ 伯德(Bode)图 ]
L ( ) 20 lg A( ) 20 lg G ( j ) ( dB )
L ( ) 20 lg (T ) 1 20 lg T
2
当 T 即 T 1 时
L(ω)dB 40 20 0dB -20 - 40
1
T
1 T


1 T
时 时
20 lg T 0
20 lg T 20
dB
dB
10 T
频 率 特 性 : G ( j ) 1 j T 1
( ) tg T
1
A ( )
1 T 1
2 2
ω 1/10T φ (ω )(度) -5.7 L(ω )(dB)
从到值 取 代入计算,得
对数幅频特性曲线 Bode图如右
1/5T -11.3
1/2T -26.6
2.频域法的基本思想:利用系统的开环频率特 性来分析闭环响应。对系统进行定性分析和定量 计算。
3.频率特性的性质 考察一个系统的好坏,通常用阶跃输入下系统的阶跃响应 来分析系统的动态性能和稳态性能。
有时也用正弦波输入时系统的响应来分析,但这种响应并 不是单看某一个频率正弦波输入时的瞬态响应,而是考察频率 由低到高无数个正弦波输入下所对应的每个输出的稳态响应。 因此,这种响应也叫频率响应。

第五章 线性系统的频域分析法-5-2——【南航 自动控制原理】

第五章 线性系统的频域分析法-5-2——【南航 自动控制原理】

)2
A(0) 1 (0) 0
G(jn )
A() 0 () 180
j
G(j0)

0
G(jn )
共振点
G( jn ) (n ) 0 G( jn ) (n ) 180
变化趋势 0 n () 0 , A() :1
n () 180 , A() : 0
零阻尼振荡环节在自然振荡频率处,相角突变180°。
A()
谐振现象是振荡系统的 特性,谐振频率 r 与系 统固有频率 n 和阻尼比
有关。当谐振频率等于
频率响应峰值
Mr 1/ (2 1 2 )
阶跃响应超调
p exp( / 1 2 )
固有频率时,则发生共振。
共振的危害巨大。
当阻尼比较小,且系统谐振频率处于输入信号的
频率范围时,系统输出会出现很大的振荡,影响系
5.2 典型环节与开环系统的频率特性
环节是系统的基本组成单元。將环节进行分类形成 典型环节。典型环节的频率特性是开环系统频率特性 的分解,而开环系统频率特性是闭环系统分析与设计 的基础。
一、典型环节的频率特性
1.典型环节的分类
环节:系统增益、零点或极点对应的因式
分类:按照增益的正负性、零点或极点的位置(实数 或复数、位于左半平面或右半平面)进行划分,共分 为最小相位、非最小相位两大类、12种典型环节。
设互为倒数的典型环节频率特性为
G1(j)=A1()e j1() G2 (j) =A2 ()e j2 ()
则由 G1(s) 1/ G2 (s) 得
A1()e j1 ( ) =A21()e j2 ( )
L1() L2 ()
互为倒数典型环节的对数相频曲线关于0°线对称, 对数幅频曲线关于0dB线对称。

线性系统的频域分析法

线性系统的频域分析法

第五章线性系统的频域分析法5-1 什么是系统的频率响应?什么是幅频特性?什么是相频特性?什么是频率特性?答对于稳定的线性系统,当输入信号为正弦信号时,系统的稳态输出仍为同频率的正弦信号,只是幅值和相位发生了改变,如图5-1所示,称这种过程为系统的频率响应。

图5-1 问5-1图称为系统的幅频特性,它是频率的函数;称为系统的相频特性,它是频率的函数:称为系统的频率特性。

稳定系统的频率特性可通过实验的方法确定。

5-2 频率特性与传递函数的关系是什么?试证明之。

证若系统的传递函数为,则相应系统的频率特性为,即将传递函数中的s用代替。

证明如下。

假设系统传递函数为:输入时,经拉氏反变换,有:稳态后,则有:其中:将与写成指数形式:则:与输入比较得:幅频特性相频特性所以是频率特性函数。

5-3 频率特性的几何表示有几种方法?简述每种表示方法的基本含义。

答频率特性的几何表示一般有3种方法。

⑴幅相频率特性曲线(奈奎斯特曲线或极坐标图)。

它以频率为参变量,以复平面上的矢量来表示的一种方法。

由于与对称于实轴,所以一般仅画出的频率特性即可。

⑵对数频率特性曲线(伯德图)。

此方法以幅频特性和相频特性两条曲线来表示系统的频率特性。

横坐标为,但常用对数分度。

对数幅频特性的纵坐标为,单位为dB。

对数相频特性的纵坐标为,单位为“。

”(度)。

和都是线性分度。

横坐标按分度可以扩大频率的表示范围,幅频特性采用可给作图带来很大方便。

⑶对数幅相频率特性曲线(尼柯尔斯曲线)。

这种方法以为参变量,为横坐标,为纵坐标。

5-4 什么是典型环节?答将系统的开环传递函数基于根的形式进行因式分解,可划分为以下几种类型,称为典型环节。

①比例环节k(k>0) ;②积分环节;③微分环节s;④惯性环节;⑤一阶微分环节;⑥延迟环节;⑦振荡环节;⑧二阶微分环节 ;⑨不稳定环节。

典型环节频率特性曲线的绘制是系统开环频率特性绘制的基础,为了使作图简单并考虑到工程分析设计的需要,典型环节对数幅频特性曲线常用渐近线法近似求取。

机电控制工程基础 第 4 章 线性系统的频域分析法

机电控制工程基础 第 4 章 线性系统的频域分析法
比较式( 4-5 )和式( 4-6 )可知, A ( ω )和 φ ( ω )分别是 G ( j ω )的幅值 G ( j ω ) 和相角∠ G ( j ω )。这一结论非常重 要,反映了 A ( ω )和 φ ( ω )与控制系统数学模型的本质关系, 在线性定常系统中具有普遍性。
第 4 章 线性系统的频域分析法
第 4 章 线性系统的频域分析法
4. 2 频率特性的图示法
工程中常用的频率特性的图示法有以下三种。 1. 频率特性曲线 频率特性 曲 线 包 括 幅 频 特 性 曲 线 和 相 频 特 性 曲 线。幅 频 特 性 是 频 率 特 性 幅 值︱ G (j ω )︱ 随 ω 的变 化规律;相频特性描述的是频率特性相角 ∠ G ( j ω )随 ω 的 变化规律,如图 4-4 ( a )所示。
时域分析法具有直观、准确的优点,但实际系统往往都 是高阶的,求解高阶系统的微分方程以及按时域指标进行设 计并非易事。频域分析法能比较方便地由频率特性来确定系 统性能。当系统的传递函数难以确定时,可以通过实验法确 定频率特性。
第 4 章 线性系统的频域分析法
4. 1 频 率 特 性
4. 1. 1 频率特性的基本概念与定义 1. 频率特性的基本概念 首先以图 4-1 所示的 RC 滤波网络为例,建立频率特性
(3 )有关传递函数的概念和运算法则对频率特性同样适 用。
(4 )频率特性虽然是用系统稳态响应定义的,但可以用来 分析系统全过程的响应特性,这一点可以通过傅里叶变换加 以证明。
第 4 章 线性系统的频域分析法
图 4-3 频率特性、传递函数与微分方程之间的关系
第 4 章 线性系统的频域分析法
(5 )频率特性具有明显的物理意义。 传递函数表示的是系统或环节传递任意信号的性能,而 频率特性则表示系统或环节传递正弦信号的能力,并且有 3 个要素,即同频率、变幅值、相位移。因此,对于稳定的系 统,可以通过实验的方法求出其输出量的各个物理参数。即 在系统的输入端施加不同频率的正弦信号,然后测量系统的 输出稳态响应,再根据幅值比和相位差作出系统的频率特性 曲线。对于不稳定系统,输出响应稳态分量中含有由系统传 递函数的不稳定极点产生的呈发散或振荡的分量,所以不稳 定系统的频率特性不能通过实验方法确定。
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R
右图RC网络输入ui Asint时+
+
其微分方程是
T
du0 dt
u0
ui
ui(t)
-
i (t) C
uo(t)
-
网络的传函 U0 (s) 1 Ui (s) Ts 1
A R(s) s2 2
输U 出0(s电) 压T s 1 的 1 U 瞬i(态s) 分T s 量1 1s2 A 2 稳态分量
u 0 1 A T T 22 e t/T 1 A T 22 s in (t a r c tg T)
频率响应
16
随着t趋于无穷大,瞬态分量趋于零,于是
lim
t
e0
A sin(t arctgT) 1T22
A11 jTsi nt ( 11 jT)
A A () s in [t() ]
(2)系统的频率特性可用实验方法测出。频率特 性有明确的物理意义,它可以用实验方法来测 定,这对于难以列写微分方程式的元件或系统 来说,具有重要的实际意义。
2.频域分析法
(3)频域分析法不仅适用于线性定常系统的分 析研究,还可以推广应用于某些非线性控制 系统。
(4)便于系统分析和校正。根据系统的频率性 能间接地揭示系统的动态特性和稳态特性, 可以简单迅速地判断某些环节或参数对系统 性能的影响,便于分析和校正。
A( )
1.0
在正弦信号输入下,稳态
输出与输入的幅值之比。
0
幅频特性曲线
2
1.5
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-2
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
线性系统G(s)
5
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
()arctanT---相频特性
相频特性: 在正弦信号输入下,稳态输出与输入正弦信号
系统输入输出曲线
r(t)
c(t)
r(t)
A c(t) A G(jω )
0
t
φ
φ (ω ) = G(jω)
定义 :
系统的频率特性 :jG(jω)=G( Nhomakorabea)S
=|G(jω)|e
=jω
e G(jω)
= A(ω)
jφ (ω )
系统的幅频特性: A(ω) =|G(jω)|
系统的相频特性: φ (ω ) = G(jω)
频率特性的物理意义:
稳定系统的频率特性等于输出和输入的幅值和相位的变化,
这就是频率特性的物理意义。
5 2
4
1.5 3
1
2
0.5 0
线性系统G(s)
1 0
-1
-0.5
-2
-1
-3
-4
-1.5
-5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
-2 0
0.5
1
1.5
A( )U 2
2.5
3
o
Ui
幅频特性:
1 1 2T2
---幅频特性
2.介绍几个名词:
幅值比:同频率下输出信号与输入信号的幅值 之比。B/A
相位差:同频率下输出信号的相位与输入信号
第五章 线性系统的频域分析法
本章主要内容:
5.1 频率特性 5.2 典型环节和开环频率特性曲线的绘制 5.3 频率域稳定判据 5.4 稳定裕度 5.5 闭环系统的频域性能指标
6
第五章 线性系统的频域分析法
本章要求:
➢ 正确理解基本概念; ➢ 掌握开环频率特性曲线的绘制; ➢ 熟练运用频率域稳定判据; ➢ 掌握稳定裕度的概念; ➢ 了解闭环频域性能指标。
线性系统的频域分析方法
引言
1.时域分析法的缺点
用时域法分析系统的性能比较直观、准确,但是求 解系统的时域响应往往比较繁杂。
(1)高阶系统的分析难以进行; (2)当系统某些元件的传递函数难以列写时,整个系统的 分析工作将无法进行;
2.频域分析法
频域分析法是二十世纪三十年代发展起来的研究 自动控制系统的一种经典工程实用方法。是一种利用 频率特性进行控制系统分析的图解方法,可方便地用 于控制工程中的系统分析与设计。
的相位差。 ( )
0o
90o
相频特性曲线
R
右图为RC滤波网络,设电容C +
+
的初始电压为uo0,取输入信 ui(t)
号为正弦信号ui As,in曲t线
-
如图所示。
i (t) C
uo(t)
-
A
当响应呈稳态时,可以看出
仍为正弦信号,频率与输入
信号相同,幅值较输入信号
B
有一定衰减,相位存在一定
延迟。
φ
15
拉将系求cs氏(A统待Ct)C1(c反的定=s=s=(()st变AAG稳系)按)=||(=G换G态数s部tS)→l((i得+jjA响:分mω∞ωSj1ω:)应)分c2|A|(+s+t为ω式ieω)njS=[2ω展[ω–At+开j12·ωt(eG+:-(Sjωjω+t+)+G∑]ijnA=-2ω(1ejj2)ω-eSj[ω)Bjω–]ttSiS+ i=G-j(ωjω)] 同 输 值 位部理之差入均AA比:为同系21小设==频为∠统cGG于系(Gt率|正((G)零j统-(=ωjj的(弦ωAωj。是)ω)1正)信。e)稳2A--|A,j弦2jω号稳定jt+=信作态=A的A号用2A输,e|G|,下Gjω出即(tj(+输的与ωjS∑ω2in=)1出稳-输j,|)12eS|Bej与态2入ij·-ej·输输G·间sGSi(tj(入ω出nj的ω的) )的是相实代幅与入
都是频率ω的函数 幅频特性
A(ω)
1A 0.8A
0.6A 0.4A 0.2A
0 12 TT
11 jT
34 5 ω
TT T
Φ(ω)
0 -20 -40
-60 -80
0 12 TT
相频特性 ∠ 11 jT
345 T TT
ω
17
幅频特性和相频特性统称为频率特性
频率特性: 线性定常系统的频率特性是零初 始条件下稳态输出正弦信号与输入正弦信号 的复数比(频域)。
频域性能指标与时域性能指标之间有着内在的联 系,通过这种内在联系,可以由系统的频域性能指标 求出时域性能指标或反之。因此,频域分析法与时域 分析法是统一的。
频域分析法的优点
(1)不必求解系统的特征根,采用较为简单的图 解法来研究系统的稳定性。由于频率响应法主 要通过开环频率特性的图形对系统进行分析, 因而形象直观且计算量少。
7
§5.1 频率特性
本节主要内容:
1、频率特性的基本概念 2、频率特性的几何表示
8
一、频率特性的基本概念
1.频率特性的定义
系统结构图如图: r(t)=Asinωt R(s) G(S) C(s) 输出响应
c(t)?
R(s)= S设2A+ω系ω统2 传递函C(数s)=为G(s)R(s)
G(sC)=(s()S=-(SS1-)S(S1U)-((SSsU2)-)S(·s·2·))(·S··-(SSn-)Sn)特·S征1S,方S2A2+‥程ωω‥的2S根n 。
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