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自控原理课件 第5章-自动控制系统的频率分析
小 结 频率分析法是自动控制系统中非常重要的分析方法之一,也是工程上应用最为广泛的分析方法。频率特性是线性系统在正弦函数输入下,稳态输出与输入之比对频率的关系,它具有同频、变幅与相移的性质;频率特性是传递函数的一种特殊形式,将传递函数中的s换成纯虚数jω就可以得到该系统的频率特性;频率特性也可以通过实验的方法确定,这对于不易写出数学模型的系统非常有用。 系统的频率特性包括幅频特性和相频特性。由于系统的开环频率特性可以写成因式乘积的形式,而这些因式就是典型环节的频率特性,因此研究典型环节的频率特性是对系统进行频率分析的基础。常用的典型环节有:比例环节、积分环节、微分环节、惯性环节、一阶微分环节、振荡环节等。 系统开环频率特性的几何表示法主要有开环极坐标图和开环伯德图。开环极坐标图由于绘制较为繁琐,在实际应用中较少使用。开环伯德图由于手工绘制草图较为简便,在工程中应用较为广泛。绘制开环伯德图幅频特性的方法为:(1)将开环传递函数化简为标准形式,计算每一典型环节所对应的转折频率并标在ω轴上;(2)确定低频段的斜率和位置;(3)绘制系统开环频率伯德图,由低频段向高频段延伸,每经过一个转折频率,斜率作相应改变。绘制开环伯德国相频特性的方法为:确定ω=0、转折频率ωc及ω=∞时的相角,再根据典型环节相频特性连接成光滑曲线即可。 系统的稳定是进行分析与研究的基础。利用频率特性判断系统是否稳定的判据主要有奈奎斯特稳定判据。它有两种描述,一种针对开环极坐标图,其内客为:如果系统在开环状态下是稳定的,闭环系统稳定的充要条件是:它的开环幅相频率特性曲线不包围(-l,j0)点。反之,若曲线包围(-l,j0)点,则闭环系统将是不稳定的。若曲线通过(-l,j0)点,则闭环系统处于稳定边界。另一种针对开环伯德图,其内容为:若系统开环是稳定的,则闭环系统稳定的充要条件是: 当L(ω)线过0dB线时,φ(ωc)在-π线上方或当φ(ω)线到达-π时,L(ωg)在0dB线下方。 利用频率特性进行系统性能分析的主要指标有相角裕量γ和幅值裕量是kg。对于某一控制系统,若相角裕量γ大于零,幅值裕量kg大于l,则系统稳定,并且γ和kg的值越大,系统稳定程度越好;若γ小于零,kg小于l,则系统不稳定。在使用时,γ和是kg通常是成对使用的,但有时也使用一个裕量指标,如用相角裕量γ来分析控制系统的性能指标。这时对于系统的绝对稳定性的分析没有什么影响,但是在γ较大而kg较小的情况下,对于系统动态性能的影响较大。通常,对一个控制系统的稳定裕量要求为 γ>40°~ 60° kg>3或20lg kg>10dB * * * * * * * (3)当ω=1时,最左端直线或其延长线的分贝值等于20lgK。 (4)在交接频率处,曲线斜率的变化取决于典型环节的种类,如惯性环节,斜率减少 20dB/dec;一阶微分环节,斜率增加20dB/dec,振荡环节,斜率则减少40dB/dec。 绘制对数相频特性时,首先绘制低频段的相位角,每经过一个交接频率,相应的相角就改变成90o或180o。其中称L(ω)与ω轴相交处的频率ω c为穿越频率。 * * (4)由低频段向高频段延伸,每经过一个交接频率,斜率改变一次。因此,当低频段ω逐渐增加到ω=1时遇到一个惯性环节,所以曲线斜率由-20dB/dec增加到-40dB/dec;当ω=2时,系统遇到微分环节,斜率又减小到-20 dB/dec;当ω=20时,系统又遇到惯性环 节,斜率又变为-40dB/dec,如图5.13所示。 同理,系统的相频特性为 φ(ω)=-90o-arctanω+arctan(0.5ω)-arctan(0.05ω) 绘制的对数相频特性曲线如图5.13所示。 * * 利用控制系统的开环频率特性判断闭环系统的稳定性是一种较为实用的方法,尤其是对一些不知道系统的开环传递函数的系统来说尤为重要(因为频率特性可用实验的方法绘出,而根轨迹法等在不知道开环传递函数时就无法利用)。 在频域系统中,奈奎斯特判据(简称奈氏判据)是最常用的判断系统稳定与否的一个重要 准则,而且该判据加以推广后还可以应用于一些非线性系统中。 * 1.奈奎斯特稳定判据 奈奎斯特稳定判据是建立在复平面上根据幅角变化的基本规律利用开环频率特性曲线来判断闭环系统稳定性的一种判据,由于该方法简单、实用,因此在实际工程中得到了广泛的应用。 奈奎斯特稳定判据内容如下: 如果系统在开环状态下是稳定的,闭环系统稳定的充要条件是:它的开环幅相频
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