典型环节的频率特性

第5章辅导

频率特性的基本概念

给系统输入一个正弦信号为

x r(t)＝X rm sinωt

式中X rm——正弦输入信号的振幅；

ω——正弦输入信号的频率。

当系统的运动达到稳态后，比较输出量的稳态分量和输入波形时就可以发现，稳态输出的频率与输入频率相同，但输出量的振幅及相位都与输入量不同。

可以把系统的稳态输出量写成

式中的A(ω)和 (ω)分别为复变函数G(jω)的模和幅角。

A(ω)——G(jω)的模，它等于稳态输出量与输入量的振幅比，叫做幅频特性；

φ(ω)——G(jω)的幅角，它等于稳态输出量与输入量的相位差，叫做相频特性。例：电路的输出电压和输入电压的复数比为

式中

图

频率特性的求取方法

频率特性一般可以通过如下三种方法得到：

1.根据已知系统的微分方程，把输入以正弦函数代入，求其稳态解，取输出稳态分量和输入正弦的复数之比即得；

2．根据传递函数来求取； 3．通过实验测得。

线性系统，x r (t)、x c (t)分别为系统的输入和输出，G(s)为系统的传递函数。输入用正弦函数表示

x r (t)＝Asin ωt

设系统传递函数为

（

重要结论：对正弦输入而言

系统的频率特性可直接由G(j ω)=X c (j ω)/X r (j ω)求得。只要把线性系统传递函数G(s)中的算子s 换成j ω，就可以得到系统的频率特性G(j ω)。即

ωωj s s G j G ==)()(

频率特性的表示方法

1. 幅相频率特性

设系统（或环节）的传递函数为

1

10

11)(a s a s a b s b s b s G n n n n m m m m ++++++=---- 令s=j ω，则其频率特性为

)()()()()()()(0

1

10

11ωωωωωωωjQ P a j a j a b j b j b j G n n n n m m m m +=++++++=---- 其中，P(ω)为G(j ω)的实部，称为实频特性；Q(ω)为G(j ω)的虚部，称为虚频特性。

)()(22)()()()(ωϕωϕωωωωj j e A e Q P j G =⋅+=

式中，A(ω)为频率特性的模，即幅频特性，

)()()(22ωωωQ P A +=；

ϕ(ω)为频率特性的幅角或相位移，即相频特性，

)

()

(arctan

)(ωωωϕP Q =。

2.对数频率特性

对数频率特性是将频率特性表示在对数坐标中。对数频率特性曲线又称为伯德（Bode ）图，它包括对数幅频和对数相频两条曲线。

对式两边取对数，得

)(434.0)(lg lg )()(lg )(lg ωϕωωϕωωj A e j A j G +=+=

这就是对数频率特性的表达式。通常不考虑0.434这个系数，而只用相位移本身。 在实际应用中，频率特性幅值的对数值常用分贝(dB ，decibel)表示，其关系式为

dB A L )(lg 20)(ωω=

横坐标为频率ω，但按lg ω刻度。因此，频率每变化十倍，横坐标轴上就变化一个单位长度，称为“十倍频程”。

对数相频特性的纵坐标表示相位移，是线性刻度，单位是“度”。横坐标与幅频特性的横坐标相同。对数频率特性的坐标如图所示。

图对数坐标

典型环节的频率特性

一. 比例环节

比例环节的传递函数为

K s G =)(

以j ω取代s ，得其频率特性为

K j G =)(ω00j Ke j =+

比例环节的对数幅频特性和对数相频特性分别为

)(lg 20)(==ωϕωK

L

比例环节的频率特性

二. 积分环节

积分环节的传递函数为

s

s G 1

)(=

其频率特性为

ω

ωω1

1)(j j j G -== 幅频特性为

ω

ω1

)(=

A

相频特性为

2

)(π

ωϕ-

=

对数幅频特性为

ωωωlg 20)(lg 20)(-==A L

图5-8 积分环节的幅相频率特性

积分环节对数幅频特性是一条斜率为－20dB ／dec 的直线，它在ω＝1这一点穿越零分贝线；相频特性与频率无关，在ω由0→∞时，其为平行于横轴的一条直线。

图 积分环节的对数频率特性

三. 惯性环节

惯性环节的传递函数为

1

1

)(+=

Ts s G

其频率特性为

1

1)(+=

ωωTj j G

1、幅相频率特性

幅频特性为

2

)

(11)()(ωωωT j G A +=

=

相频特性为

ωωωϕT j G arctan )()(-=∠=

惯性环节的对数频率特性

四. 振荡环节

振荡环节的传递函数为

1

21

)(2

2++=

Ts s T s G ς 式中，T 为时间常数；ζ为振荡环节的阻尼比（0<ζ<1）。 其频率特性为

ω

ςωωTj T j G 211

)(22+-=

振荡环节的对数幅频特性为

2222)2()1(lg 20)(lg 20)(ωςωωωT T A L +--==

在低频段，ωT<<1(即ω<

1

)时，Ｌ(ω)≈-20log1＝0dB 。这是一条与横轴重合的直线，即低频渐近线。

在高频段，当ωT>>1，即 ω>>

T

1，)lg(40lg 20)(2

2ωωωT T L -=-≈ 这说明高频渐进线是一条斜率为-40dB ／dec 的直线。

两条渐进线在ω＝T

1

＝ωn 点相交，故振荡系统的固有频率就是其转角频率。 在

振荡环节的对数频率特性