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《自动控制原理》 第五章 控制系统的频率特性法
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山 东 理 工 大 学 教 案
第 18 次课
教学课型:理论课√ 实验课□ 习题课□ 实践课□ 技能课□ 其它□
主要教学内容(注明:* 重点 # 难点 ):
①§5-1 频率特性的基本概念
②§5-2 典型环节的频率特性—前4个环节(*)(#)
教学目的要求:
①掌握频率特性的定义和表示方法;
②正确理解频率特性与传递函数的关系;
③掌握比例、积分、微分、惯性等环节的频率特性。
教学方法和教学手段:
教学方法:讲授
教学手段:板书
讨论、思考题、作业:
课后习题:P202 5-1。
参考资料:
①《自动控制原理》 高国燊主编 华南理工大学出版社
②《自动控制理论》 文锋主编 中国电力出版社
③《自动控制理论》 夏德钤主编 机械工业出版社
④《自动控制理论》 邹伯敏主编 机械工业出版社
注:教师讲稿附后
《自动控制原理》 第五章 控制系统的频率特性法
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第五章 控制系统的频率特性法
§5—1 频率特性的基本概念
§5—2 典型环节的频率特性
§5—3 系统开环频率特性的绘制
§5—4 乃奎斯特稳定判据
§5—5 控制系统的相对稳定性
§5—6 用频率特性分析系统的品质
§5—7 系统传递函数的实验确定法
主要内容
1、基本概念——频率特性的定义及其与时间响应的关系
2、表示方法——一般坐标、极坐标、对数坐标、尼氏图
3、典型环节的频率特性
4、开环系统频率特性的绘制——极坐标、对数坐标
5、稳定判据——奈氏判据
6、稳定裕度——幅值裕度Lg、相角裕度
7、闭环系统的性能分析(稳态、暂态)
重 点
1、开环系统频率特性的绘制——极坐标、对数坐标
2、稳定判据——奈氏判据
3、闭环系统的性能分析
难 点
频率特性的绘制与奈氏判据
§5-1 频率特性的基本概念
一般来说,系统工作性能用时域特性度量为最好,但高阶系统的时域特性很难用分析法确定。故引出了频率特性法,不用解方程,也不用求特征根,而是利用系统的频率响应图以及频率响应与时间响应之间的某些关系解决系统的设计和分析问题,间接的运用系统开环频率特性分析闭环响应,它是一种图解法,非常形象直观。
一、定义:
以RC网络为例:
T+ u= u ,G(s)
当时,
且初始条件为0,用拉氏变换有:
,
其中:
-
利用公式sinx =
当时,暂态分量 0,所以有:
用有效值表示: ,
所以有: , 即——与有关,是 的函数。
且 ——也与有关,也是的函数
因此称统称频率特性。
ω
ω
T
5
T
4
T
3
T
2
T
1
1
0.71
0.45
0.32
0.24
0.2
0
A(ω)
0
0
T
1
T
2
T
3
T
4
T
5
0
45
0
5
.
63
0
5
.
71
0
76
0
7
.
78
0
90
0
45
-
-
-
-
-
-
-
ω
可见:
在电路中,,因为它们既有幅值又有相角。
而频率特性同样既有幅值,又有相角,
因此,在复平面上构成了一个完整的向量:
它完整的描述了RC网络在正弦输入下稳态输出时电压幅值和相角随正弦信号的频率变化的规律。用表示:
一般系统:, 则
即
则
所以,频率特性是输出、输入正弦函数用向量表示时之比,表示线性系统稳态下输出、输入正弦信号间的数学关系。
定义:频率特性——指线性系统或环节在正弦函数作用下,稳态输出与输入之比对频率
的关系特性。
二、频率特性和传递函数的关系:
若有,则有, 设
,
。
, 则有
且 ,
此时为复数。 ,假设
则, 则 ,
则有 ———正好是系统的幅频特性,
——正好是系统的相频特性。
因此,有
说明:
⑴频率特性只适用于线性定常系统,否则不能用拉氏变换。
⑵上述理论在稳定前提下推出,如不稳定,则不趋向于0,也不趋向于,无法观察稳态响应。但理论上分析,系统的总是可以分离出来的,并不依赖于系统的稳定性。
⑶由可知,它包含了全部动态的结构、参数及规律。虽然是一种稳态响应,但动态过程及其规律必在其中,故频率特性也是一种数模。
三、正弦输入信号下的计算:
因为,当时,在虚轴上不解析。所以,不能用终值定理求其,此时可用频率特性法求。
例1.已知。
解:
即。 故有。
先求,但比较繁。
四、频率特性的表示方法:
(一)一般坐标特性曲线:
分开画,且横、纵坐标的刻度都是常用的线性刻度,例如上面RC网络的曲线。
(二)极坐标特性曲线:
以为幅值,
EMBED Equation.3 为射角,在复平面上画出
例如:RC网络
; 此曲线
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