系统频率特性
系统频率特性的测试1
系统频率特性的测试1简介在电子电路中，系统频率特性是非常重要的性能参数之一。
系统频率特性指的是系统对输入信号频率的响应能力，通俗地说，就是系统对于不同频率的信号的处理能力。
在设计一些高精度和高性能的电路的时候，对系统频率特性的测试就显得非常重要。
在本文中，我们将介绍常见的系统频率特性测试方法，并针对其中的一种方法进行详细的介绍。
常见系统频率特性测试方法Bode图法Bode图法是一种基于频率响应的方法，用于描述系统对输入信号频率的响应能力。
它通常通过Bode图来表示被测系统的频率特性。
Bode图是以频率为横轴、输入输出响应幅值比或相位差为纵轴的图形。
具体来说，Bode图法首先将被测系统激励输入电路，然后通过测量输出信号幅值和相位与输入信号的相对大小和差距来构建图形。
频率响应测试法频率响应测试法是一种基于一个频率输入信号测量系统的输出响应的方法。
具体操作过程是，选取一个频率范围作为输入信号，然后将各个频率的输入信号作为输入，测量对应的输出信号以得到系统的频率响应。
这种方法会输出一个基于不同频率的幅值和相位差的表格，以及对应的曲线图。
载频测试法又称为亚细分测试法，通过选取不同的载频对被测系统进行激励，测量电路的响应电流进行测试。
在实际的应用中，亚细分测试法可以用来评估系统处理高频信号和噪音的能力。
系统频率特性测试方法之一：Bode图法测试过程Bode图法将被测系统激励输入电路，随后测量输出电路随频率变化的幅值和相位，将结果用Bode图进行展示。
具体的测试步骤如下：1.激励输入电路。
在实际测试中，往往选取的是一个正弦波作为输入信号，将其施加到被测系统中。
2.测量输出信号的幅值和相位。
使用输入信号激励电路后，使用测量设备测量输出信号随时间变化的幅值和相位。
3.用Bode图展示幅值和相位的变化。
将得到的幅值和相位数据绘制成Bode图，用以表示对应信号频率下的系统响应能力。
Bode图的意义Bode图在系统性能测试中起着非常重要的作用。
系统的频率特性
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3
本章学习要求、重点、难点
➢学习要求 掌握频率响应和频率特性的概念和含义，会根据传 递函数求频率特性。 掌 握 频 响 特 性 的 图 形 描 述 方 法 ： Bode 图 、 Nyquist 图 及 其 绘 制 方 法 。 掌 握 典 型 环 节 的 Bode 图 和 Nyquist图的特点和绘制方法。 掌握最小相位系统和非最小相位系统的概念及本质。 掌握频域性能指标的含义及求法。
是这一变化导致了线性时不变系统不能准确、快速地响应输
入信号（时域响应上表现为输出信号波形与输入信号波形不
同或滞后），产生误差。为了减小误差，我们需要知道B和
随是如何变化的，变化的原因是什么，怎样才能快速准
确地响应。 为了表示B和随变化，我们写成B()和()。
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10
5-1 频率特性
➢系统的频率特性可以从两方面来衡量：
稳态响应为Css(t)=Bsin(ωt+φ)，其中：
B A G( j)
G( j) arctan
Im Re
G( G(
j j
) )
G( j) G(s) G( j) e j() s j
称为正弦值B、输出与输入的相
位差一般要随着正弦输入信号的频率的变化而变化，正
了解用开环频率特性求闭环频率特性的方法；了解 开环增益的求法。
了解实验法确定系统频率特性的方法和过程（系统 辨识）。
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4
本章学习要求、重点、难点
➢本章重点
频率响应和频率特性的概念和含义，会根据传递函 数求频率特性； 典型环节的Bode图和Nyquist图及其特点； 最小相位系统和非最小相位系统的概念及本质； 频域性能指标的含义及求法。
控制工程 第5章 系统的频率特性
频响函数 幅频特性 相频特性
1 G ( j ) 1 j 0.005 1 | G ( j ) | 1 (0.005 )2 0 0.005 ( ) arctan arctan 1 1 arctan(0.005 )
可见：输入信号频率越高，稳态输出幅值衰减越大，相移越大（这正是惯性环节 的频响特性）。
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5-1 频率特性
本例题也可以采用第 4 章介绍的求时间响应的方法获 得稳态响应，即利用传递函数求出零状态响应，然后分 解出其中的稳态响应。 而利用频响函数可直接求出稳态 响应。
21
y( t ) L [Y ( s )] 0.555e 200 t
m k f (t)/x (t) f(t)—力
A
f(t) = Asin(ωt)
A B
x(t)—位移 B
0 -A
ωt
υ
单自由度有阻尼振动 x(t) = Bsin(ωt+υ)+瞬态响应 系统力学模型 教材101页图5-2中的标注“υ”不对，应改成“υ/ω”，
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或将横坐标标尺改成“ωt”。
5-1 频率特性
相频特性 = 正弦信号稳态响应相角 - 正弦输入信号相角
幅频特性和相频特性合起来描述了系统的频响特 性或频率特性。
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13
5-1 频率特性
系统频率特性的获得 解析法 令输入x(t)=x0sin(t)，求解微分方程的特解（稳 态解）。可以利用拉氏变换求解；
利用频率响应函数；
实验法
输入正弦信号，测量稳态输出。
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5-1 频率特性
利用频率响应函数求频率特性 频率响应函数的定义：对连续线性定常系统，输出 的付立叶变换 C(j) 与输入的付立叶变换 R(j) 之比 ，叫频率响应函数，简称频响函数，也称为正弦传 递函数，记作G(j) 。即
系统的频率特性
三、机械系统动刚度的概念
质量-弹簧-阻尼系统(m- k- B)
f(t):输入力
x(t):输出位移
k
B
m
其传递函数
阻尼比
无阻尼自然频率
系统的频率特性
动柔度： 动刚度： ω = 0时，即为系统静刚度。 当
f
x1
k1
m1
k2
m2
x2
例p142：弹簧吸振器简化图示模型,若质量m1受到干扰力f=Asinωt,如何选择吸振器参数m2和k2,使质量m1产生的振幅为最小?
解 其稳态响应为： 求一阶系统G(s)=K/Ts+1的频率特性及在正弦信号xi(t)=Xsinωt作用下的频率响应。
求系统如图所示，当输入3cos(4t-30°)+sin(10t+45 °)时，试求系统的稳态输出。
[结论]：当传递函数中的复变量s用 jω代替时，传递函数就转变为频率特性。反之亦然。 到目前为止，我们已学习过的线性系统的数学模型有以下几种：微分方程、传递函数、脉冲响应函数和频率特性。它们之间的关系如下： 微分方程 频率特性 传递函数 脉冲函数
卡通风学期计划
频率特性
频率特性的对数坐标图
频率特性的极坐标图
最小相位系统
闭环频率特性与频域性能指标
系统辨识
第五章 系统的频率特性
B
D
F
A
C
E
掌握系统频率特性的概念和求法
掌握系统闭环频率特性的求取方法
根据bode图估计系统的传递函数
熟悉系统的bode图和nyquist图的构成
系统幅频特性和相频特性的求法
解:以f为输入,x1为输出,系统微分方程为
则位移x1与干扰力f之间的传递函数为
系统频率测试实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 了解系统频率特性的基本概念和测试方法。
2. 掌握使用示波器、频谱分析仪等设备进行系统频率测试的操作技巧。
3. 分析测试结果，确定系统的主要频率成分和频率响应特性。
二、实验原理系统频率特性是指系统对正弦输入信号的响应，通常用幅频特性（A(f)）和相频特性（φ(f)）来描述。
幅频特性表示系统输出信号幅度与输入信号幅度之比，相频特性表示系统输出信号相位与输入信号相位之差。
频率测试实验通常包括以下步骤：1. 使用正弦信号发生器产生正弦输入信号；2. 将输入信号输入被测系统，并测量输出信号；3. 使用示波器或频谱分析仪观察和分析输出信号的频率特性。
三、实验设备1. 正弦信号发生器2. 示波器3. 频谱分析仪4. 被测系统（如放大器、滤波器等）5. 连接线四、实验步骤1. 准备实验设备，将正弦信号发生器输出端与被测系统输入端相连；2. 打开正弦信号发生器，设置合适的频率和幅度；3. 使用示波器观察输入信号和输出信号的波形，确保信号正常传输；4. 使用频谱分析仪分析输出信号的频率特性，记录幅频特性和相频特性；5. 改变输入信号的频率，重复步骤4，得到一系列频率特性曲线；6. 分析频率特性曲线，确定系统的主要频率成分和频率响应特性。
五、实验结果与分析1. 幅频特性曲线：观察幅频特性曲线，可以发现系统存在一定频率范围内的增益峰值和谷值。
这些峰值和谷值可能对应系统中的谐振频率或截止频率。
通过分析峰值和谷值的位置，可以了解系统的带宽和选择性。
2. 相频特性曲线：观察相频特性曲线，可以发现系统在不同频率下存在相位滞后或超前。
相位滞后表示系统对输入信号的相位延迟，相位超前表示系统对输入信号的相位提前。
通过分析相位特性，可以了解系统的相位稳定性。
六、实验总结1. 通过本次实验，我们掌握了系统频率特性的基本概念和测试方法。
2. 使用示波器和频谱分析仪等设备，我们成功地分析了被测系统的频率特性。
3. 通过分析频率特性曲线，我们了解了系统的主要频率成分和频率响应特性。
第四章系统的频率特性分析
第四章 频率特性分析4.1 什么是频率特性？解 对于线性定常系统，若输入为谐波函数，则其稳态输出一定是同频率的谐波函数，将输出的幅值与输入的幅值之比定义为系统的幅频特性；将输出的相位于输入的相位之差定义为系统的相频特性。
将系统的幅频特性和相频特性统称为系统的频率特性。
4.2 什么叫机械系统的动柔度，动刚度和静刚度？解 若机械系统的输入为力，输出为位移（变形），则机械系统的频率特性就是机械系统的动柔度；机械系统的频率特性的倒数就是机械系统的动刚度；当0=w 时，系统频率特性的倒数为系统的静刚度。
4.3已知机械系统在输入力作用下变形的传递函数为 12+s (mm/kg)，求系统的动刚度，动柔度和静刚度。
解 根据动刚度和动柔度的定义有 动柔度()()()12+====jw jw s s G jw G jw λ mm/kg 动刚度 )(jw K =)(1jw G =21+jw kg/mm 静刚度 ()()5.0021010==+====K w jw w jw G w jw kg/mm4.4若系统输入为不同频率w 的正弦函数Asinwt,其稳态输出相应为Bsin(wt+ϕ).求该系统的频率特性。
解：由频率特性的定义有 G （jw ）=AB e jw。
4.5已知系统的单位阶跃响应为）（。
t x =1-1.8te 4-+0.8te9-，试求系统的幅辐频特性与相频特性。
解：先求系统的传递函数，由已知条件有）（。
t x =1-1.8te 4-+0.8te9-（t 0≥））（S X i =s 1）（。
S X =s 1-1.841+s +0.891+s ）（S G =）（）（。
S X S X =()()9436++s s ）（jw G =jw s s G =）（=()()jw jw ++9436）（w A =）（jw G =22811636ww +•+）（w ϕ=0-arctan 4w -arctan 9w =-arctan 4w -arctan 9w4.6 由质量、弹簧、阻尼器组成的机械系统如图所示。
机械工程控制基础(第4章 系统的频率特性分析)
（4.1.10）
根据频率特性的定义可知，系统的幅频特性和相频特性分别为：
G ( j ) Xi ( ) G ( j ) A ( ) X o ( )
（4.1.11）
故 G ( j ) G ( j ) e
j G ( j )
就是系统的频率特性，它是将 G ( s )
d dt
微分方程
dt
s 传递函数 s
系统
j
频率特性
j
图4.1.2 系统的微分方程、传递 函数和频率特性相互转换关系图
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4.1.4 频率特性的特点和作用
第1
系统的频率特性就是单位脉冲响应函数的Fourier变换，即频谱。 所以，对频率特性的分析就是对单位脉冲响应函数的频谱分析。
第2
K
所以
A
X o Xi
1 T
2
2
arctan T
或
K 1 T
2 2
e
j arctan T
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2. 将传递函数中的s换为 j (s=j )来求取
由上可知，系统的频率特性就是其传递函数G(s)中复变量s j 的特殊情况。由此得到一个极为重要的结论与方法，即将系统的传递
G
j 端点的轨迹即为频率特性的极坐标图, 或称为Nyquist 图, 如
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图4.2.1所示。它不仅表示幅频特性和相频特性, 而且也表示实频特性和
虚频特性。图中的箭头方向为从小到大的方向。
正如4.1节所述, 系统的幅频特性和相频特
性分别为
A ( ) X o ( ) Xi G
控制系统的频率特性
相位的单位采用度或弧度来表示。 ➢对数幅相特性曲线：Nichols图，对数幅相图，复合坐标图
横坐标为相频特性，采用度或弧度来表示。
纵坐标为幅频特性，采用分贝（dB）来表示。
例：一般系统的传递函数和频率特性
G(s)
b0s m a0 s n
b1s m1 a1s n1
j0
系统的输出为
Y (s)
(s
p1 )( s
M (s) p2 )(s
pn )
X s2 2
(s
M (s) p1)(s p2 )(s
pn )
(s
X j)(s
j)
稳定系统
n
Y(s)
Ai
A
A
i1 s pi s j s j
A, A 和Ai (i 1,2,n)
待定系数
n
y(t) Ae jt A e jt Aie pit i 1
G( j) G( j) e j()
G( j) G( j) e j() G( j) e j()
式中:
(
)
G(
j
)
arctg
Im Re
[G( [G(
j j
)] )]
将待定系数 A, A 代入式 ys (t) Ae jt A e jt 中,有:
ys (t)
X 2j
G( j) e j () e jt
采用MATLAB绘制比例环节的极坐标图：
K=1; G=tf([K],[1]); nyquist(G,'*'); axis([-2,2,-2,2]);
X G( j) e j () e jt
2j
X G( j ) e j (t ( )) e j (t ( ))
第讲系统的频率特性
当ω＝0，幅值为1，相位角为0�，ω＝∞，相位角为90�
为过点（1，0），平行于虚轴的上半部直线。
1
（6）振荡环节 1+ 2ξ jω +（ jω ）2
ωn ωn
幅频特性和相频特性分别为：
G（jω） ＝
1
（1－
ω2 ωn2
解：分别写出三个系统零点和极点并画出分布图
G（1 s）：零点Z＝－
1 T1
，极点P＝－
1 T2
G（2 s）：零点Z＝T11
，极点P＝－
1 T2
G（3 s）：零点Z＝T11
，极点P＝－ 1 T2
可以看出它们中只有 G（1 s） 为最小相位系统，G（2 s） 和 G（3 s） 为非最小相位系统。
个半圆，此时系统已经接近为一阶惯性环节。
（7）二阶微分环节 1+ 2ξ jω
G（jω） ＝ （1－ωωn22
）2 ＋（2ξ ω ωn
）2
2ξ ω
∠G（jω）＝arctan
ωn
1－（ω ）2
ωn
二阶微分环节极坐标图与阻尼比 ξ 有关，对应不同 的值，形成一簇极坐标曲线。不论 ξ 如何，极坐标曲线 在 ω=0 时，从点(1,0)开始，在 ω = ∞ 时指向无穷远处。
产生相应的变化，例如与惯性环节、比例环节和延时环
节串联。
G（jω）=
K 1＋ jωT
e－jωτ
惯性环节与比例环节的
极坐标图为第四象限半圆，
加入延时环节后，对应每一
频率的幅值不变，但相位滞
后了 ωτ 。系统的极坐标图
由原来的第四象限内的半园
第四章系统的频率特性分析
第四章系统的频率特性分析第四章系统的频率特性分析时间响应分析：主要用于分析线性系统的过渡过程，以时间t为独立变量，通过阶跃或脉冲输入作用下系统的瞬态时间响应来研究系统的性能；依据的数学模型为G(s)频率特性分析：以频率ω为独立变量，通过分析不同的谐波输入时系统的稳态响应来研究系统的性能；依据的数学模型为G(jω)频域分析的基本思想：把系统输入看成由许多不同频率的正弦信号组成，输出就是系统对不同频率信号响应的总和。
4.1频率特性概述1.频率响应与频率特性（1）频率响应：线性定常系统对谐波输入的稳态响应。
（frequencyresponse）对稳定的线性定常系统输入一谐波信号xi(t)=Xisin?t稳态输出（频率响应）:xo(t)=Xo(?)sin[ωt+?(ω)]【例】设系统的传递函数为输入谐波信号xi(t)=Xisin?t 则稳态输出（频率响应）与输入信号的幅值成正比与输入同频率，相位不同进行laplace逆变换，整理得同频率?幅值比A(?)相位差?(?)ω的非线性函数(揭示了系统的频率响应特性)输入:xi(t)=Xisinωt稳态输出（频率响应）:xo(t)=XiA(?)sin[ωt+?(ω)]幅频特性：稳态输出与输入谐波的幅值比相频特性：稳态输出与输入谐波的相位差?(?)[s]A(?)?(?)（2）频率特性：对系统频率响应特性的描述(frequencycharacteristic)频率特性定义为ω的复变函数，幅值为A(?)，相位为?(?)。
输入谐波函数xi(t)=Xisin?t，其拉式变换为2.频率特性与传递函数的关系设系统的微分方程为:则系统的传递函数为:则由数学推导可得出系统的稳态响应为根据频率特性定义，幅频特性和相频特性分别为故G(j?)=?G(j?)?ej?G(j?)就是系统的频率特性如例1，系统的传递函数为所以3.频率特性的求法(1)频率响应→频率特性稳态输出（频率响应）故系统的频率特性为或表示为(2)传递函数→频率特性将传递函数G(s)中的s换成jω，得到频率特性G(jω)。
系统频率特性
第三章 系统频率特性系统的时域分析是分析系统的直接方法，比较直观，但离开计算机仿真，分析高阶系统是困难的。
系统频域分析是工程广为应用的系统分析和综合的间接方法。
频率分析不仅可以了解系统频率特性，如截止频率、谐振频率等，而且可以间接了解系统时域特性，如快速性，稳定性等，为分析和设计系统提供更简便更可靠的方法。
本章首先阐明频率响应的特点，给出计算频率响应的方法，接着介绍Nyquist 图和Bode 图的绘制方法、系统的稳定裕度及系统时域性能指标计算。
3.1 频率响应和频率特性3.1.1 一般概念频率响应是指系统对正弦输入的稳态响应。
考虑传递函数为G(s)的线性系统，若输入正弦信号t X t x i i ωsin )(= (3.1-1)根据微分方程解的理论，系统的稳态输出仍然为与输入信号同频率的正弦信号，只是其幅值和相位发生了变化。
输出幅值正比于输入的幅值i X ，而且是输入正弦频率ω的函数。
输出的相位与i X 无关，只与输入信号产生一个相位差ϕ，且也是输入信号频率ω的函数。
即线性系统的稳态输出为)](sin[)()(00ωϕωω+=t X t x (3.1-2)由此可知，输出信号与输入信号的幅值比是ω的函数，称为系统的幅频特性，记为)(ωA 。
输出信号与输入信号相位差也是ω的函数，称为系统的相频特性，记为)(ωϕ。
幅频特性：)()()(0ωωωi X X A = (3.1-3)相频特性：)()()(0ωϕωϕωϕi -= (3.1-4)频率特性是指系统在正弦信号作用下，稳态输出与输入之比对频率的关系特性，可表示为：)()()(0ωωωj X j X j G i = (3.1-5)频率特性)(ωj G 是传递函数)(s G 的一种特殊形式。
任何线性连续时间系统的频率特性都可由系统传递函数中的s 以ωj 代替而求得。
)(ωj G 有三种表示方法：)()()(ωϕωωj e A j G = (3.1-6))()()(ωωωjV U j G += (3.1-7))(sin )()cos()()(ωϕωωωωjA A j G +=(3.1-8) 式中，实频特性：)(cos )()(ωϕωωA U =虚频特性：)()(arctan )()()()()(sin )()(22ωωωϕωωωωϕωωU V V U A A V =+==一般在分析系统的结构及参数变化对系统性能的影响时，频域分析比时域分析要容易些。
第四章 系统的频率特性分析
61
4.2 频率特性的图示方法(典型环节的Bode图)
62
4.3 频率特性的特征量
如图4.31所示，在频域分析时要用到的一些有关频率的特征量 或频域性能指标有 A(0)、wm、wr（Mr）、wb。
1．零频幅值 A(0 ) 零频幅值A(0 )表示当频率ω 接近于零时，闭环系统稳态输出 的幅值与输入幅值之比。
解：根据回路电压定律有
系统的传递函数为：
系统的频率特性为 ：
系统的幅频特性为：
17
4.1 频率特性概述
系统的相频特性为：
根据系统频率特性的定义有 ，系统稳态输出为：
18
4.1 频率特性概述
例4.4 系统结构图如图所示。当系统的输入 时，测得 系统的输出 ，试确定该系统的参数nω,ξ。 解：系统的闭环传递函数为:
因为，如果不知道系统的传递函数或微分方程等数学模型就无法
用上面两种方法求取频率特性。在这样的情况下，只有通过实验 求得频率特性后才能求出传递函数。这正是频率特性的一个极为 重要的作用。
12
4.1 频率特性概述
三、 根据定义来求，此方法麻烦。
13
4.1 频率特性概述
四、
14
4.1 频率特性概述
五、
27
4.2 频率特性的图示方法(典型环节的Nyquist图)
所以，微分环节频率特性的nyquist图是：
28
4.2 频率特性的图示方法(典型环节的Nyquist图)
29
4.2 频率特性的图示方法(典型环节的Nyquist图)
30
4.2 频率特性的图示方法(典型环节的Nyquist图)
31
4.2 频率特性的图示方法(典型环节的Nyquist图)
系统的频率特性分析
例4.3 一典型质量－弹簧－阻尼系统如图所示，系统输入 力f(t)为矩形波。f(t)=f(t-2T)，试求系统的输出位移x(t)。 解：系统的传递函数为
X (s) 1 2 F ( s ) ms Bs k
幅频特性
C( )= j 1
2 ( - m 2 ) + B 2 2 k
相频特性
B G( ) - arctan j = = ( ) 2 k - m
K （ 如图所示系统，传递函数为G s）＝ Ts＋1，求系统的
解：令 s＝j 则系统的频率特性为
K G j）＝ （ jT＋1
系统的幅频特性为
K K G j） （ ＝ ＝ jT＋ 1 1＋T 2 2
系统的相频特性为：
＝G j）＝－arctanT （
系统的稳态响应为：
（t）＝ c AK 1＋T 2 2 sin t－arctanT） （
jt
* jt
t e
k s jt
xi xi jG j xi s j s j G j G j e B Gs s j s j 2j 2j
xi xi jG j B G j G j e 2j 2j
1
4 单位负反馈系统的开环传递函数为 Gs ss 2
若输入信号为
xi t 2 sin 2t
试求系统的稳态输出和稳态误差。
4 G B s 2 s 2s 4
G j
G j
4 4 2 j 2
4
4
2 2
F j） （ X1 j）＝ （ K j） （
由频率响应可知，当系统输入为正弦信号时，系统 （ 输出为同频率正弦信号。显然要使 X1 j） 0 ,则应使 K j） （ k2 2 k2－m2 ＝0 = 2 m2 即当选择吸振器参数满足上式时，可使质量 m1 的振 幅为零，施加于 m1 的干扰被 m2 和 k2 吸收了，这就 是振动控制中的吸振器。
机械控制理论基础(第五章 系统的频率特性)
Imaginary Axis
Phase (deg)
-45 -90 -135 -180 -2 10
-1 0 1 2
-2
-1
0 Real Axis
1
2
3
10
10 Frequency (rad/sec)
10
10
第五章 系统的频率特性 §5-2 典型环节的频率特性图
7.
二阶微分环节
传递函数： G( s) T 2 s 2 + 2Ts + 1 频率特性：
频率特性的求取：已知系统传递函数G(s)，令
s=jw代入，即得
第五章 系统的频率特性 §5-1频率特性
例：已知系统传递函数G(s) = K/(Ts+1)，求系统
的频率特性及对正弦输入Asinwt的稳态响应
解：系统的频率特性G(jw) = K/(jTw+1)
当r(t) = Asinwt时
Bode Diagram 0 -5
Magnitude (dB)
-10 -15 -20 -25 -30 0
渐近线 转角频率
渐近线
Phase (deg)
-45
-90 -1 10
10 10 Frequency (rad/sec)
0
1
10
2
第五章 系统的频率特性 §5-2 典型环节的频率特性图
3.
一阶微分环节
在初步设计和分析中，能满足要求； ③ 可以利用样板方便地画出准确的对数幅频特性和对 数相频特性曲线； ④ 从试验得出的对数频率特性曲线能够简便地确定系 统（元件）的传递函数； ⑤ 可以在很宽的频率范围内研究系统。
第五章 系统的频率特性 §5-2 典型环节的频率特性图
4.1系统的频率特性分析
U m s2 2
因而输出为： X ( s ) G ( s ) X ( s ) o i
1 U m Ts 1 s 2 2
一. 频率响应与频率特性
1 U m X o ( s) G ( s) X i ( s) Ts 1 s 2 2
输入 xi (t ) U m sin t 引起的响应为：
1
1
90
（3）惯性环节
传递函数： G ( s )
1 Ts 1
频率特性： G ( j )
1 jT 1
G ( j ) U ( ) V ( )
| G ( j ) | 1 T 2 2 1
1 T 1
2 2
j
T T 2 2 1
G ( j ) arctan(T )
得
幅频特性=组成系统的各典型环节的幅频特性之乘积。 相频特性=组成系统的各典型环节的相频特性之代数和。
示例2：
K 已知系统的传递函数为： G ( s ) 2 s (T1s 1)(T2 s 1)
试绘制其Nyquist图。
xos (t ) Um 1 T 2 2 sin(t arctan T )
• 幅频特性：稳态输出与输入谐波的幅值比。 Um 1 A( ) / Um 1 T 2 2 1 T 2 2 • 相频特性：稳态输出与输入谐波的相位差。
( ) arctan T
典型环节的Nyquist图
（1）比例环节 （2）积分环节 （3）微分环节 （4）惯性环节 （5）一阶微分环节 （6）振荡环节 （7）延时环节
（1）比例环节
G ( s) K 传递函数： G ( j ) K 频率特性：
电力系统的频率特性
频率的一次调整通过汽轮发电机组调速系统反应机组转速变化，调节 原动力阀门开度调节转速，其表现在某一条调节特性上运行点的变化，当 负荷变化较大时，调整结束时频率与额定值偏差较大——调节结果有差；
对水轮发电机组 R* (2 ~ 4)% 或 KG* 25 ~ 50 。
第一节 电力系统的频率特性
（三）调差特性与机组间有功功率分配的关系 曲线①代表 1 号发电机组的调节特性。 曲线②代表 2 号发电机组的调节特性。
系统频率为 f e ：
线段 CB 的长度所示系统总负荷 PL 。
1 号机承担的负荷为 P1 ，2 号机承担的负荷为 P2 ，于是有
a0,a1,an —为上述各类负荷占 Ple 的比例系数
（3-2）
第一节 电力系统的频率特性
将上式除以 Ple ，则得标么值形式，即
Pl* a0 a1 f* a2 f*2 an f*n
PL
P La
a
b P Lb
o
fb
fa
f
图 3-2 负荷的静态频率特性
PL 1.10
1.05 1.00 0.95
第一节 电力系统的频率特性
在计算功率与频率的关系时，常常采用调差系数的倒数，
K G*
1 R
PG* f*
KG* ——发电机的功率-频率特性系数，或原动机的单位调节功率。 一般发电机的调差系数或单位调节功率，可采用下列数值： 对汽轮发电机组 R* (4 ~ 6)%或 KG* 16.6 ~ 25 ；
有失灵区产生的分配功率上的误差为（用标幺值表示）：
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系统的开环对数频率特性
若过惯性环节的交接频率，斜率减去20dB/dec； 若过比例微分环节——斜率增加20dB/dec； 若过振荡环节——斜率减去40dB/dec。 例：试画出如下图所示系统的开环对数幅频特性。
R( s)
+ -
0.1s 1 5 0.1s
0.15 0.02 s 1
20 s
பைடு நூலகம்C ( s)
画图：① →② →③ → ④
练习：用简便画法画图1所示系统的幅频特性图。
1 1 K, , s Tm s 1
同叠加法幅频特性比较（一致）
系统的开环对数频率特性
小结
1、叠加法画系统对数频率特性图。 串联环节的对数频率特性，为各串联环节的对 数频率特性的叠加。 2、简便法画系统幅频特性图。
20lg K ( 1, L( ) 20lg K ), 20vdB / dec 交接频率：
②低频段的绘制 K 150 ， 20lg K 20lg150 43.5dB ③ v2
20vdB / dec 40dB / dec
过（ 1, L( ) 43.5dB）做斜率为40dB / dec 的斜线。
系统的开环对数频率特性
④中、高频段的绘制
1 1 10 比例微分环节的交接频率 0.1 1 50 惯性环节的交接频率 2 0.02
系统的开环对数频率特性
2、画系统的开环对数频率特性图
系统的开环传递函数为
K2 K3 G( s ) K1 Tm s 1 s
K s(Tm s 1)
( K K1 K 2 K 3 )
由上式可见，系统可看成由比例、积分、惯性三 个典型环节所组成。该系统的对数频率特性为三个环 节的对数频率特性的叠加。
j 2 ( )
M 3 ( )e
j 3 ( )
M1 ( ) M 2 ( ) M 3 ( )e
j 1 ( ) 2 ( ) 3 ( )
G( j ) M ( )e j ( )
其对数幅频特性为 L( ) 20 lg M1 ( ) M 2 ( ) M 3 ( ) 20 lg M 1 ( ) 20 lg M 2 ( ) 20 lg M 3 ( ) L1 ( ) L2 ( ) L3 ( ) 结论：串联环节的 其对数相频特性为 对数频率特性，即 ( ) 1 ( ) 2 ( ) 3 ( ) 为各串联环节的对 数频率特性的叠加。
惯性环节 G( s ) TS 1
1
比例微分环节G( s) s 1
振荡环节（二阶系统）
系统的开环对数频率特性
新课讲授 4.2.4 系统的开环对数频率特性 一、采用叠加的方法求串联环节的伯德图
R( s)
+ -
G1 ( s)
G2 ( s )
K2 Tm s 1
G3 ( s )
K3 s
画图：比例① 、积分② 、惯性③ ； 系统④=①+②+③
系统的开环对数频率特性
二、系统开环对数幅频特性图的简便画法
①分析系统是由哪些典型环节串联组成的， 将这些典型环节的传递函数都化成标准形式(分母 常数项为1)。 ②根据比例环节的K值，计算20lgK。 ③在坐标纸上，过（ω=1、L(ω)=20lgK）的 点，作斜率为-20vdB/dec的斜线（v——积分环节 的个数）。 ④计算各典型环节的交接频率，将各交接频率 按由低到高的顺序进行排列，并按下列原则依次改 变L(ω)的斜率：
系统的开环对数频率特性
复习导入： 1、频率特性：
G( j ) M ( )e j ( )
2、对数频率特性： L( ) 20lg M ( )
( )
3、典型环节的对数频率特性：
系统的开环对数频率特性
比例环节 G( s) K
积分环节 G ( s ) TS
1
微分环节 G( s) s
K1
C ( s)
图1 某随动系统框图
1、此系统的开环传递函数G(s)为
G( s ) G1 ( s )G2 ( s )G3 ( s )
系统的开环对数频率特性
其对应的开环频率特性则为 G(j ) G1 (j )G2 (j )G3 (j )
M1 ( )e
j1 ( )
M 2 ( )e
惯性 20dB / dec ,比例微分 20dB / dec ,振荡 40dB / dec。
作业布置
P96 4-9，4-11
系统的开环对数频率特性
系统的开环对数频率特性
解：①由图可得该系统的开环传递函数G(s)
0.1s 1 0.15 20 5 0.15 20 0.1 s 1 G( s ) 5 2 0.1s 0.02 s 1 s 0.1 s (0.02 s 1)
1 1 150 2 (0.1s 1) s 0.02 s 1