自动控制原理 第二版课件 教学课件 ppt 作者 王永骥 王金城 王敏 主编 chap55-6 闭环频率特性.pptVIP

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§ 5-6 闭环频率特性 通过本章前面几节的介绍,我们已经了解到系统的开环频率特性对分析系 统的稳定性和稳定程度(即相对稳定性)具有十分重要的意义。但稳定性是 系统能否正常工作的一个基本条件,为了研究自动控制系统的其它性能指标, 仅知道系统的开环频率特性是不够的。为此有必要进一步研究系统的闭环频 率特性。一般情况下,求解系统的闭环频率特性十分复杂烦琐,在实际中通 常都是采用图解法来求出系统的闭环频率特性。 一、 向量作图法 如图5-59所示单位负反馈系统,其闭环传递函数 用 代入上式,就可得到系统的闭环频率特性表示为 (5-130) 式中 是单位负反馈系统的开环频率特性,它可以用 代入系 统的开环传递函数 得到,也可以用实验方法获得。式(5-130)描述 了系统的开环频率特性 与闭环频率特性 之间的关系。 上式表明,当 时,系统的闭环频率特性的幅值等于向量 与 的 幅值之比, 而闭环频率特性的相角等于向量OA与QA的相角差。这样,逐点测 出不同频率处对应向量的幅值和相角,便可绘制如图5-61所示的闭环幅频特性 A(ω)和闭环相频特性 。 二、等M圆图 由向量作图法和图5-60可看出,对于G平面上任一点A,总有一个闭环 幅值 与之对应,如果令闭环幅值 为一常数M,那么它在G平面 上是一个什么样的图形呢? 设单位反馈系统的开环频率特性为 式中U、V分别是G(jω)的实部与虚部,它们都是角频率ω的实函数,由此 得到系统的闭环频率特性为 由此得到 (5-132) 若M=1,则 ,这是在G平面上过点 且平行于虚轴的直线 方程,即 是 M=1在G平面上的等幅值轨迹。 若 ,则式(5-132)可写成 由不同的 M值在G平面上构成的这簇圆叫做等M圆或等幅值轨迹。由 图5-62可看出,等M圆在G平面上是以实轴为对称的,它们的圆心均在实轴 上。当M=1时,它是一条过 点且平行于虚 轴的直线( 无穷大圆弧); 当 M1时,等 M 圆簇微均 位于直线U=- 的左侧,且 圆心由负实轴(-1,j0 )点 左侧收敛于(-1,j0)点; 当 M1时,等M圆簇均位于直 线U=- 的右侧,且圆心由正 实轴收敛于(1,j0)点。 在工程实践中,应用等M圆求取闭环幅频特性时,需先在透明纸上绘制出标准等M圆簇,然后按相同的比 例 尺在白纸或坐标纸上绘制出给定的开环频率特性G(jω)的纸上重叠起来,并将它们的坐标重合最后根据G(jω)曲线与等M圆簇的交点得到对应的M值和ω值,便可绘制出闭环幅频特性A(ω)(如图5-63和图5-64所示)。 需要指出,上述方法可直接得到G(jω)与等M圆簇各交点处的M值,其对应的ω值还必须查表才能得到。方法是,先根据给定的开环频率特性 G(jω)表达式,分别由给定的 ω值(按合适步长从小到大)计算出开环幅频特性 和开环相频特性 的对应值, 这只要编制一个简单程序,便可将所有数据计算和打印出来(如表5-1所示)。对照G(jω)与等M圆簇各交点坐标位置查表得到对应的角频率ω值,最后将各交点的ω值和M值列表(如表5-2所示)标出,便可绘出如图5-64所示的闭环幅频特性A(ω)。 三、等N圆图 用等M圆图和开环频率特性可以求出系统的闭环幅频5特性A(ω)。现在用类似的方法进一步研究系统的闭环相频特性 及其在G平面上的图形。单位反馈系统的开环频率特性可以表示为 则其闭环频率特性是 化简后有 令 则有 由图 5-65 还可看出,对于给定的θ值对应的等N 值轨迹,实际上并不是一个完整的圆,而只是一段圆弧,这是因为一个角度加上 (或 的倍数)其正切值相等的缘故。例如 和 (或-1500)的N 值均

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