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机械工程控制基础(第4章系统的频率特性分析)
4.1 频率特性概述 4.2 频率特性的图示方法 Nyquist图的一般形状,若系统的频率特性为 4.2.2 频率特性的对数坐标图(Bode图) 1. 典型环节的Bode图 3. 系统Bode图的绘制 4.3 频率特性的特征量 4.5 最小相位系统与非最小相位系统 频率特性的对数坐标图又称Bode图。对数坐标图由对数幅频特性图和对数相频特性图组成,分别表示幅频特性和相频特性。对数坐标图的横坐标表示频率?,但按对数分度,单位是s-1或rad/s,如图4.2.8所示。由图可知,若在横坐标上任意取两点,使其满足 ?1/?0,=10,则两点的距离为 lg(?1/?0 )=1。因此,不论起点如何,只要角频率变化10倍,在横坐标上线段长均等于一个单位。即频率?从任一数值?0 增加( 减小) 到?1 = 10 ?0(?1 = ?0/10)的频时带宽度在对数坐标上为一个单位。将该频带宽度称为十倍频程,通常以“dec”表示。注意,为了方便,其横坐标虽然是对数分度,但是习惯上其刻度值不标lg?值,而是标真数?值。 图4.2.8 Bode图横坐标 对数幅频特性图的纵坐标表示G(j?)的? 幅值,单位是dB,按线性分度;对数相频特性图的纵坐标表示G(j?)的相位,单位是(°),是也按线性分度。图4.2.9表示Bode图的坐标系。 对数幅频特性图的纵坐标的单位dB的定义为1dB=20lg |G(j?)|(图中简写20lg|G|)。注意,当|G(j?)|=1时,其分贝值为零,即,0dB表示输出幅值等于输入幅值。 图4.2.9 Bode图坐标系 1)作图简单: ① 可将串连环节幅值的乘除化为加减,系统的Bode图为各环节的Bode图的线性叠加; ② 可通过近似方法作图;先分段用直线作出对数幅频的渐近线,再用修正曲线对渐近线进行修正 2)可分别作出各环节的Bode图,然后用叠加法得出系统的Bode图; 3)横坐标采用对数分度,所以能把较宽频率范围的图形紧凑地表示出来。在分析和研究系统时,低频特性很重要,而?轴采用对数分度对于突出频率特性的低频段很方便。在运用时, 横坐标的起点可根据实际所需的最低频率来决定。 Bode图优点 (1) 比例环节 G(s)=K G(j?)=K 20lg?G(j?)?=20lgK; ?G(j?)=0o 比例环节的频率特性为 其对数幅频特性和相频特性分别为 图4.2.10比例环节的Bode图 (2) 积分环节 20lg?G(j?)?= 20lg 1/?= - 20lg ? ?G(j?)= -90o 对数幅频特性:过点(1,0)斜率-20dB/dec的直线 对数相频特性:过点(0,-90o )平行于横轴的直线 积分环节的频率特性为 其对数幅频特性和相频特性分别为 G(s)=1/s G(j?)=1/j? 图4.2.11 积分环节的Bode图 G(s)=s G(j?)=j? 20lg?G(j?)?= 20lg ? ?G(j?)= 90o 对数幅频特性:过点(1,0)斜率20dB/dec的直线 对数相频特性:过点(0,90o )平行于横轴的直线 (3) 微分环节 微分环节的频率特性为 其对数幅频特性和相频特性分别为 图4.2.11 微分环节的Bode图 (4) 惯性环节 令: 故: 对数幅频特性: 惯性环节的频率特性为 幅频特性为 相频特性为 始于点(ωT ,0), 斜率-20dB/dec的直线 低频段(ωωT),20lg?G(j?)??20lg?T-20lg?T=0dB 高频段(ωωT),20lg?G(j?)??20lg?T-20lg? ωT : 转角频率 ?=0, ?G(j?)=0°; ?=?T,?G(j?)=-45°; ?=?, ?G(j?)=-90°; 对数相频特性曲线对称于点(?T,-45°) ?≤0.1?T 时,?G(j?)? 0° ?≥10?T 时,?G(j?)?90° 对数相频特性: 由: 图4.2.12 惯性环节的Bode图 低频段渐近线: 20lg?G(j?)??0dB 误差: 高频段渐近线: 20lg?G(j?)??20lg?T-20lg? 误差: 最大误差发生在转角频率 处,其误差为-3dB 图4.2.14 误差修正曲线 误差修正 始于点(ωT ,0),斜率20dB/dec的直线 对数幅频特性: 低频段(ωωT),20lg?G(j?)??20lg?T-20lg?T=0dB 高频段(ωωT),20lg?G(j?)?? 20lg?-20lg?T 故: ωT : 转角频率 (5) 一阶微分环节 对数相频特性: ? = 0, ?G(j?)=0°;? = ?T,?G(j?) = 45
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