典型环节频率特性.ppt

1 第三节典型环节频率特性 2 幅频特性 相频特性 比例环节 对数幅频特性 相频特性 3 积分环节的频率特性 频率特性 可见斜率为 20 dec 当有两个积分环节时可见斜率为 40 dec 4 惯性环节的频率特性 对数幅频特性 为了图示简单 采用分段直线近似表示 方法如下 低频段 当时 称为低频渐近线 高频段 当时 称为高频渐近线 这是一条斜率为 20dB Dec的直线 表示每增加10倍频程下降20分贝 当时 对数幅频曲线趋近于低频渐近线 当时 趋近于高频渐近线 低频高频渐近线的交点为 得 称为转折频率或交换频率 可以用这两个渐近线近似的表示惯性环节的对数幅频特性 5 图中 红 绿线分别是低频 高频渐近线 蓝线是实际曲线 6 波德图误差分析 实际频率特性和渐近线之间的误差 当时 误差为 当时 误差为 最大误差发生在处 为 7 相频特性 作图时先用计算器计算几个特殊点 由图不难看出相频特性曲线在半对数坐标系中对于 w0 45 点是斜对称的 这是对数相频特性的一个特点 当时间常数T变化时 对数幅频特性和对数相频特性的形状都不变 仅仅是根据转折频率1 T的大小整条曲线向左或向右平移即可 而当增益改变时 相频特性不变 幅频特性上下平移 8 振荡环节的频率特性 讨论时的情况 当K 1时 频率特性为 幅频特性为 相频特性为 对数幅频特性为 低频段渐近线 高频段渐近线 两渐进线的交点称为转折频率 斜率为 40dB Dec 9 相频特性 几个特征点 由图可见 对数相频特性曲线在半对数坐标系中对于 w0 90 点是斜对称的 对数幅频特性曲线有峰值 10 对求导并令等于零 可解得的极值对应的频率 该频率称为谐振峰值频率 可见 当时 当时 无谐振峰值 当时 有谐振峰值 当 因此在转折频率附近的渐近线依不同阻尼系数与实际曲线可能有很大的误差 11 左图是不同阻尼系数情况下的对数幅频特性和对数相频特性图 上图是不同阻尼系数情况下的对数幅频特性实际曲线与渐近线之间的误差曲线 12 微分环节的频率特性 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 频率特性分别为 13 纯微分 14 一阶微分 这是斜率为 20dB Dec的直线 低 高频渐进线的交点为 15 16 幅频和相频特性为 二阶微分环节 低频渐进线 高频渐进线 转折频率为 高频段的斜率 40dB Dec 17 18 延迟环节的频率特性 传递函数 频率特性 幅频特性 相频特性 19 小结 比例环节和积分环节的频率特性惯性环节的频率特性 低频 高频渐进线 斜率 20 转折频率振荡环节的频率特性 波德图 低频 高频渐进线 斜率 40 转折频率微分环节的频率特性 有三种形式 纯微分 一阶微分和二阶微分 分别对应积分 一阶惯性和振荡环节延迟环节的频率特性 20 二 控制系统的开环频率特性 21 1 极坐标图 22 2 最小相位系统和非最小相位系统 定义 在右半S平面上既无极点也无零点 同时无纯滞后环节的系统是最小相位系统 相应的传递函数称为最小相位传递函数 反之 在右半S平面上具有极点或零点 或有纯滞后环节的系统是非最小相位系统 相应的传递函数称为非最小相位传递函数 在幅频特性相同的一类系统中 最小相位系统的相位移最小 并且最小相位系统的幅频特性的斜率和相频特性的角度之间具有内在的关系 对最小相位系统 w 0时j w 90 积分环节个数 w 时j w 90 n m 不满足上述条件一定不是最小相位系统 满足上述条件却不一定是最小相位系统 23 例 有五个系统的传递函数如下 系统的幅频特性相同 24 设 可计算出下表 其中为对数坐标中与的几何中点 25 由图可知最小相位系统是指在具有相同幅频特性的一类系统中 当w从0变化至 时 系统的相角变化范围最小 且变化的规律与幅频特性的斜率有关系 如j1 w 而非最小相位系统的相角变化范围通常比前者大 如j2 w j3 w j5 w 或者相角变化范围虽不大 但相角的变化趋势与幅频特性的变化趋势不一致 如j4 w 26 在最小相位系统中 对数频率特性的变化趋势和相频特性的变化趋势是一致的 幅频特性的斜率增加或者减少时 相频特性的角度也随之增加或者减少 因而由对数幅频特性即可唯一地确定其相频特性 伯德证明 对于最小相位系统 对数相频特性在某一频率的相位角和对数幅频特性之间存在下述关系 式中j0 w 为系统相频特性在观察频率w0处的数值 单位为弧度 u ln w w0 为标准化频率 A ln G jw dA du为系统相频特性的斜率 当L w 的斜率等于20dB dec时 dA du 1 函数为加权函数 曲线如图 27 上述公式称为伯德公式 该式说明对于最小相位系统 其幅频特性与相频特性紧密联系的 当给定了幅频特性 其相频特性也随之而定 反之亦然 因此 可只根据幅频特性 或只根据相频特性 对其进行分析或综合 而非最小相位系统则不然 在进行分析或综合时 必须同时考虑其幅频特性与相频特性 在u 0 w w0 时 在u 2 3 即在w0上下十倍频程处 偏离此点 函数衰减很快 即相频特性在w0处的数值主要决定于在w0附近的对数幅频特性的斜率 在u 0 69 在w0上下倍频程处 28 例 已知最小相位系统的渐近幅频特性如图所示 试确定系统的传递函数 并写出系统的相频特性表达式 解 由于低频段斜率为 20dB dec所以有一个积分环节 在w 1处 L w 15dB 可得20lgK 15 K 5 6 在w 2处 斜率由 20dB dec变为 40dB dec 故有惯性环节1 s 2 1 在w 7处 斜率由 40dB dec变为 20dB dec 故有一阶微分环节 s 7 1 29 例 已知最小相位系统的渐近幅频特性如图所示 试确定系统的传递函数 解 由于低频段斜率为 40dB dec所以有两个积分环节 在w 0 8处 斜率由 40dB dec变为 20dB dec 故有一阶微分环节 s 0 8 1 在w 30处 斜率由 20dB dec变为 40dB dec 故有惯性环节1 s 30 1 在w 50处 斜率由 40dB dec变为 60dB dec 故有惯性环节 s 50 1 30 在w 4时 L w 0 这时可以不考虑转折频率在w 4以上的环节的影响