《闭环频率特性分析》课件.pptVIP

闭环频率特性分析本课程将深入探讨闭环频率特性分析，涵盖基本概念、Bode图绘制、稳定性判据、系统性能指标、测量方法、校正方法、PID控制以及工程应用实例等内容。

课程目标与学习要求目标理解闭环频率特性分析的基本概念掌握Bode图绘制方法和稳定性判据学习系统性能指标与频率特性的关系了解频率特性分析在工程中的应用要求预习相关理论知识积极参与课堂讨论完成课后练习尝试使用MATLAB进行频率特性分析

本节课程主要内容概述1闭环系统的基本概念2频率特性的定义3Bode图的绘制与分析4闭环系统的稳定性判据5系统性能指标与频率特性6频率特性测量方法7系统校正方法8PID控制器的频率特性9频率特性分析在工程中的应用

闭环系统的基本概念定义闭环系统是指其输出量的一部分反馈到输入端，用于控制系统输出量，使其达到预期目标。特点闭环系统具有良好的抗扰动能力，能够有效地抑制外部干扰的影响。应用广泛应用于航空航天、工业自动化、过程控制、伺服系统等领域。

闭环系统的框图表示框图使用框图表示闭环系统，可以直观地展示系统结构和信号流向。符号G(s):开环传递函数H(s):反馈传递函数R(s):输入信号C(s):输出信号E(s):误差信号

开环系统与闭环系统的区别开环系统输出量与输入量之间没有反馈，容易受到干扰的影响，稳定性较差。闭环系统输出量的一部分反馈到输入端，具有良好的抗扰动能力，稳定性较好。

频率特性的定义频率特性是指系统对不同频率正弦信号的响应特性，是描述系统动态特性的重要指标，常用于分析系统的稳定性、性能指标以及设计控制器。

正弦信号的频率响应响应系统对正弦信号的响应也是正弦信号，但幅值和相位可能发生改变。特征幅值改变:系统放大或衰减输入信号相位改变:系统延迟或超前输入信号

传递函数与频率特性的关系传递函数是描述系统动态特性的数学模型，频率特性则是传递函数在复频域上的表现形式，将s替换为jw即可得到频率特性。

幅频特性的概念幅频特性是指系统对不同频率正弦信号的幅值响应，用|G(jw)|表示，它反映了系统对不同频率信号的放大或衰减程度。

相频特性的概念相频特性是指系统对不同频率正弦信号的相位响应，用∠G(jw)表示，它反映了系统对不同频率信号的延迟或超前程度。

Bode图的绘制方法1分解传递函数将传递函数分解为若干个基本环节，如比例环节、积分环节、微分环节等。2绘制每个环节的Bode图利用已知的典型环节Bode图特征，绘制每个环节的幅频特性和相频特性。3叠加各环节的Bode图将每个环节的Bode图叠加，得到系统的总Bode图。

典型环节的Bode图特征比例环节幅频特性为常数，相频特性为0度。积分环节幅频特性为-20dB/dec，相频特性为-90度。微分环节幅频特性为+20dB/dec，相频特性为+90度。

比例环节的Bode图比例环节的Bode图是水平直线，幅频特性为常数，相频特性为0度。

积分环节的Bode图积分环节的Bode图是斜率为-20dB/dec的直线，相频特性为-90度。

微分环节的Bode图微分环节的Bode图是斜率为+20dB/dec的直线，相频特性为+90度。

一阶惯性环节的Bode图一阶惯性环节的Bode图在低频段是水平直线，在高频段是斜率为-20dB/dec的直线，转折频率为τ，相频特性在低频段为0度，在高频段为-90度。

二阶振荡环节的Bode图二阶振荡环节的Bode图在低频段是水平直线，在高频段是斜率为-40dB/dec的直线，转折频率为ωn，相频特性在低频段为0度，在高频段为-180度，峰值频率为ωp，峰值幅值为Mp。

传递函数的零点影响传递函数的零点对幅频特性和相频特性都有影响，零点在低频段会导致幅频特性上升，相频特性增加；在高频段会导致幅频特性下降，相频特性减少。

传递函数的极点影响传递函数的极点对幅频特性和相频特性都有影响，极点在低频段会导致幅频特性下降，相频特性减少；在高频段会导致幅频特性上升，相频特性增加。

最小相位系统的特点最小相位系统是指传递函数的所有极点和零点都在左半平面，其相频特性是频率的单调递减函数，即频率越高，相位滞后越大。

非最小相位系统的特点非最小相位系统是指传递函数存在右半平面零点，其相频特性不是频率的单调递减函数，在右半平面零点附近会有相位超前现象。

闭环系统的稳定性判据1奈奎斯特稳定性判据通过绘制开环传递函数的奈奎斯特曲线，判断闭环系统是否稳定。2根轨迹法通过绘制开环传递函数的根轨迹，判断闭环系统是否稳定。3伯德稳定性判据通过分析开环传递函数的Bode图，判断闭环系统是否稳定。

奈奎斯特稳定性判据奈奎斯特稳定性判据是根据开环传递函数的奈奎斯特曲线来判断闭环系统稳定性的方法，该方法主要基于环路增益的频率响应。

奈奎斯特曲线的绘制步骤将s替换为jw，得到开环传递函数的频率响应G(jw