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[工学]控制工程课件07第四章第一讲修改
频域分析法;引言;2. 频率响应、频率特性和频域分析法
频率响应:正弦输入信号作用下,系统输出的稳态分量。(控制系统中的信号可以表示为不同频率正弦信号的合成)
频率特性:系统频率响应和正弦输入信号之间的关系,它和传递函数一样表示了系统或环节的动态特性。
数学基础:控制系统的频率特性反映正弦输入下系统响应的性能。研究其的数学基础是Fourier变换。
频域分析法:利用系统频率特性分析和综合控制系统的方法。 ;引例——RC电路
对于图4-1所示的RC电路,其传递函数为
式中,T=RC 。;设输入电压为正弦信号,其时域和复域描述为
所以有
将其进行部分分式展开后再拉氏反变换;uo(t)表达式中第一项是瞬态分量,第二项是稳态分量。显然上述RC电路的稳态响应为
结论:当电路输入为正弦信号时,其输出的稳态响应(频率响应)也是一个正弦信号,其频率和输入信号相同,但幅值和相角发生了变化,其变化取决于ω。;若把输出的稳态响应和输入正弦信号用复数表示,并求其复数比,可以得到
式中
频率特性G(jω):上述电路的稳态响应与输入正弦信号的复数比,且G(jω) = G(s)|s=jω 。
幅频特性A(ω):输出信号幅值与输入信号幅值之比。
相频特性?(ω):输出信号相角与输入信号相角之差。;设系统的传递函数为;(4-2); ;3. 频率特性的定义
幅频特性:LTI系统在正弦输入作用下,稳态输出振幅与输入振幅之比,用A(ω)表示。
相频特性:稳态输出相位与输入相位之差,用?(ω)表示。
幅频A(ω)和相频? (ω)统称幅相频率特性。;频率特性与传递函数具有十分相似的形式 ; 几点说明 ; 应用频率特性分析系统性能的基本思路:
实际施加于控制系统的周期或非周期信号
都可表示成由许多谐波分量组成的傅立叶
级数或用傅立叶积分表示的连续频谱函数,
因此根据控制系统对于正弦谐波函数这类
典型信号的响应可以推算出它在任意周期
信号或非周期信号作用下的运动情况。 ; 频率特性的物理意义:频率特性表征了系
统或元件对不同频率正弦输入的响应特性;;(1)幅相频率特性曲线(极坐标图或奈奎斯特图);可用幅值;将G(jω)分为实部和虚部(代数表示),即;例:;图5-25 极坐标图;4.2.1 典型环节的极坐标图;Re;Re; 微分环节有三种:纯微分、一阶微分和二阶微分。传递函数分别为:;① 纯微分环节:;一阶微分环节的奈氏图;二阶微分环节的频率特性;惯性环节的奈氏图;极坐标图是一个圆,对称于实轴。证明如下:;实频、虚频、幅频和相频特性分别为:;振荡环节的奈氏图;振荡环节的奈氏图;1;小 结;一、控制系统开环传递函数的典型环节分解 ;所以,系统的开环幅频和相频分别为:;对于一般线性定常系统,传递函数为:;绘制Nyquist图
有时并不需要绘制得十分准确
只需要绘出Nyquist图的大致形状和几个关键点的准确位置(如与坐标轴的交点)就可以了。
开环系统典型环节分解和典型环节幅相曲线的特点是绘制概略幅相特性曲线的基础。;概略绘制乃氏图的步骤:;注意:若传递函数不存在微分项(纯微分、一阶微分、二阶微分等),则幅相特性曲线相位连续减少;反之,若出现微分环节,则幅相曲线会出现凹凸。;K;K;零型系统(ν=0);0型系统的乃氏图始于正实轴上的点,在高频段趋于原点,由第几象限趋于原点取决于-(n-m)×90。;Ⅰ型系统(ν=1);Ⅰ型系统(ν=1);Ⅰ型系统的乃氏图的渐近线在低频段与负虚轴平行,在高???段趋于原点,由第几象限趋于原点取决于-(n-m)×90。;Ⅱ型系统(ν=2);Ⅱ型系统(ν=2);Ⅱ型系统的乃氏图在低频段趋于负实轴,在高频段趋于原点,由第几象限趋于原点取决于-(n-m)×90。;加极点和加零点的影响;绘制开环概略幅相曲线的规律;例4-1 已知系统的开环传递函数,绘制系统开环Nyquist图并求与实轴的交点。;Matlab绘制的乃氏图
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