《机械控制工程基础》.ppt

控制工程基础 4 频率特性分析4 1频率特性的基本概念4 2典型环节频率特性4 3系统的频率特性 Nyquist图 Bode图绘制 4 4频域性能指标及其与时域性能指标的关系4 5频率特性实验法估计系统的数学模型 频率特性分析法是经典控制理论中常用的分析与研究系统特性的方法 频率特性包括幅频特性和相频特性 它在频率域里全面地描述了系统输入和输出之间的关系即系统的特性 频率特性在有些书中又称为频率响应 本书中频率响应是指系统对正弦输入的稳态输出 通过本章的学习将会看到 频率特性和频率响应是两个联系密切但又有区别的概念 4 频率特性分析 控制工程基础 频率特性分析方法具有如下特点 这种方法可以通过分析系统对不同频率的稳态响应来获得系统的动态特性 频率特性有明确的物理意义 可以用实验的方法获得 这对那些不能或难于用分析方法建立数学模型的系统或环节 具有非常重要的意义 不需要解闭环特征方程 由开环频率特性即可研究闭环系统的瞬态响应 稳态误差和稳定性 4 频率特性分析 控制工程基础 4 1频率特性的基本概念 4 1 1频率特性及物理意义系统在正弦函数输入作用下的稳态响应称为频率响应 线性系统传递函数为G s 输入正弦信号 x t Xsin t 则系统的稳态输出即为频率与输入的正弦信号相同 只是幅值和相位与输入不同 控制工程基础 线性系统在正弦函数输入下的稳态响应记为 y t Y sin t 4 1 研究频率响应的意义 当信号频率 变化时 幅值Y 与相位差 也随之变化 系统的幅频特性定义 输出信号与输入信号的幅值之比 记为 4 2 它描述了在稳态情况下 系统输出与输入之间的幅值比随频率的变化情况 即幅值的衰减或放大特性 4 1 1频率特性及物理意义 控制工程基础 幅频特性A 和相频特性 统称为系统的频率特性 记作G j 频率特性G j 是一个以频率 为自变量的复变函数 它是一个矢量 如图4 2所示 矢量G j 的模 G j 即为系统的幅频特性A 矢量 j 与正实轴的夹角 G j 即为系统的相频特性 因此 频率特性按复变函数的指数表达形式 记为 4 3 系统的相频特性定义 输出信号与输入信号的相位之差随频率 的变化 记为 4 1 1频率特性及物理意义 控制工程基础 4 4 式中Re 是G j 的实部 称为实频特性 Im 是G j 的虚部 称为虚频特性 在机械测试技术中 实频特性和虚频特性又分别称为同相分量和异相分量 如图4 2 显然有 4 5 由于频率特性G j 是一个复变量 因此它还可以写成实部和虚部之和 即 控制工程基础 4 1 1频率特性及物理意义 例4 1机械系统如图4 3所示 弹簧刚度系数k 10N m 阻尼系数C 10N s m 输入幅值为1N的正弦力 求两种频率下即 f t sint和f t sin100t时 系统的位移y t 的稳态输出 解 系统的微分方程为 控制工程基础 4 1 1频率特性及物理意义 系统的输出为 式中T c k 1 s K 1 k 1 10 0 1 m N 系统的传递函数 式中a b d为待定系数 求出其值 并取拉氏反变换得 控制工程基础 控制工程基础 系统的幅频特性为 系统的相幅频特性为 当 100rad s时 arctan100 89 4 所以f t sin100t时的稳态位移输出为 系统的位移幅值随着输入力的频率增大而减小 同时位移的相位滞后量也随频率的增高而加大 所以当f t sint 即 1 时稳态位移输出为 控制工程基础 系统频率特性 频率特性G j 的物理意义 1 频率特性表示了系统对不同频率的正弦信号的 复现能力 或 跟踪能力 在频率较低时 T 1时 输入信号基本上可以按原比例在输出端复现出来 而在频率较高时 输入信号就被抑制而不能传递出去 对于实际中的系统 虽然形式不同 但一般都有这样的 低通 滤波及相位滞后作用 控制工程基础 2 频率特性随频率而变化 是因为系统含有储能元件 实际系统中往往存在弹簧 惯量或电容 电感这些储能元件 它们在能量交换时 对不同频率的信号使系统显示出不同的特性 3 频率特性反映系统本身的特点 系统元件的参数 如机械系统的k c m 给定以后 频率特性就完全确定 系统随 变化的规律也就完全确定 就是说 系统具有什么样的频率特性 取决于系统结构本身 与外界因素无关 频率特性G j 的物理意义 控制工程基础 4 1 2频率特性的求法 频率特性的求法有三种 根据已知系统的微分方程 把输入以正弦函数代入 求其稳态解 取其输出的稳态分量与输入正弦的复数比即得系统的频率特性 根据传递函数求取 将传递函数G s 中的s用j 替代 即为频率特性G j 通过实验测得 控制工程基础 例4 1机械系统如图4 3所示 弹簧刚度系数k 10N m 阻尼系数C 10N s m 输入幅值为1N的正弦力 求两种频率下即 f t sint和f t sin100t时 系统的位移y t 的稳态输出 解 系统的微分方程为 控制工程基础 这里仅介绍根据传递函数求取频率特性 令s j 得系统的频率特性 式中T c k 1 s 系统的传递函数 系统的实频特性为 系统的虚频特性为 控制工程基础 系统的幅频特性为 系统的相幅频特性为 当 1时 G j 的模和幅角为 控制工程基础 当 100rad s时 arctan100 89 4 所以f t sin100t时的稳态位移输出为 所以当f t sint时稳态位移输出为 控制工程基础 以上分析可归纳如下 1 线性定常系统的频率特性可以通过系统的传递函数获得 即 G j G s s j 4 21 系统的频率特性就是其传递函数G s 中复变量s j 在 0时的特殊情况 2 若系统的输入信号为正弦函数 则系统的稳态输出也是相同频率的正弦函数 但幅值和相位与输入信号的幅值和相位不同 显然 若改变输入信号的频率 系统时域响应的稳态值也会发生相应的变化 而频率特性正表明了幅值比和相位差随频率变化的情况 控制工程基础 3 系统频率特性与传递函数 微分方程 脉冲响应函数之间都存在内在的联系 它们之间可以相互转换 如图4 5所示 因此 频率特性也和微分方程 传递函数 脉冲响应函数一样 可以表征系统的动态特性 是系统数学模型的一种表达形式 这就是利用频率特性来研究系统动态特性的理论依据 控制工程基础 以上分析可归纳如下 4 2 1频率特性表示法 1 极坐标图 奈奎斯特图Nyquist 频率特性的极坐标图也称为幅相频特性图或称为奈奎斯特图 由于频率特性G j 是 的复变函数 故可在复平面 G j 上表示 频率特性可由复平面上相应的矢量G j 描述 如图4 6所示 4 2典型环节频率特性 控制工程基础 当 从0 变化时 G j 矢量端点的轨迹即为频率特性的极坐标曲线 该曲线连同坐标一起则称为极坐标图 这里规定极坐标图的实轴正方向为相位的零度线 由零度线起 矢量逆时针转过的角度为正 顺时针转过的角度为负 图中用箭头标明 从小到大的方向 主要缺点 不能明显地表示出系统传递函数中各个环节在系统中的作用 绘制较麻烦 极坐标图的优点 在一幅图上同时给出了系统在整个频率域的实频特性 虚频特性 幅频特性和相频特性 它比较简洁直观地表明了系统的频率特性 控制工程基础 1 极坐标图 奈奎斯特图Nyquist 绘制频率特性Nyqusit图的步骤1 在系统传递函数中令s j 写出系统频率特性G j 2 写出系统的幅频特性 G j 相频特性 G j 实频特性Re 和虚频特性Im 3 令 0 求出 0时的 G j G j Re Im 4 若频率特性矢端轨迹与实轴 虚轴存在交点 求出这些交点 令Re 0 求出 然后代入Im 的表达式即求得矢端轨迹与虚轴的交点 令Im 0 求出 然后代入Re 的表达式即求得矢端轨迹与实轴的交点 1 极坐标图 奈奎斯特图Nyquist 控制工程基础 5 对于二阶振荡环节 或二阶系统 还要求 n时的 G j G j Re Im 若此环节 或系统 的阻尼比0 0 707 则还要计算谐振频率 r 谐振峰值Mr及 r时的Re Im 6 在0 的范围内再取若干点分别求 G j G j Re Im 8 在复平面 G j 中 标明实轴 原点 虚轴和复平面名称 G j 在此坐标系中 分别描出以上所求各点 并按 增大的方向将上述各点联成一条曲线 在该曲线旁标出 增大的方向 7 令 求出 G j G j Re Im 1 极坐标图 奈奎斯特图Nyquist 控制工程基础 绘制频率特性Nyqusit图的步骤 2 波德图 Bode图 波德图也称为对数频率特性图 用两个坐标图分别表示幅频特性和相频特性 幅频特性图的纵坐标 线性分度 表示了幅频特性幅值的分贝值 为L 20lg G j 单位是分贝 dB 横坐标 对数分度 表示 值 单位是弧度 秒或秒 1 rad s或s 1 相频特性图的纵坐标 线性分度 表示G j 的相位 单位是度 横坐标 同上 这两个图分别叫做对数幅频特性图和对数相频特性图 统称为频率特性的对数坐标图 又称为波德图 Bode 控制工程基础 1 坐标轴分度 2 波德图 Bode图 控制工程基础 对数幅频特性 2 渐近线的斜率绘制对数幅频特性图时 一般常只画出它的渐近线 当要求精确时 再加以修正 所以在画渐近线之前 先要确定渐近线的斜率 渐近线的斜率是用频率增高到一倍或十倍时 L 变化的分贝数来表示的 在对数坐标图上 若 2 2 1 则 1和 2两点间的距离就称为 倍频程 octave 或简写成oct 若 2 10 1 则 1和 2两点间的距离就称为 十倍频程 decade 或简写成dec 倍频程和十倍频程的含义也可从图4 7看出 控制工程基础 对数幅频特性 若频率增高到一倍 L 衰减6分贝 则斜率为 每倍频程负6分贝 记为 6dB oct 相似地 若频率增高到十倍 L 衰减20分贝 则称斜率为 每十倍频程负20分贝 记为 20dB dec 2 渐近线的斜率 控制工程基础 对数幅频特性 设某环节的对数幅频特性为L 20lg 则频率 1和10 1时的对数幅值为 L L 1 20lg 1L L 10 1 20lg 1 20lg10 20lg 1 20即该对数幅频特性渐近线的斜率为 20dB oct 控制工程基础 对数幅频特性 2 渐近线的斜率 3 对数幅频特性曲线的渐近线设某环节的幅频特性为 这一环节的对数幅频特性曲线 4 22 渐近线可求得如下 当 1 T时 T2 2与1相比可以略去不计 故在这一频段的对数幅频特性 可近似地取为L 20lg5 14 4 23 这是一条距横坐标轴距离为14分贝 斜率为0dB dec 控制工程基础 当 1 T时 1与T2 2相比可以忽略 故在这一频段的对数幅频特性 可近似的取为 即 4 24 显然 这是一条斜率为 20dB dec的直线 因此 4 22 所示的对数幅频特性 可用式 4 23 和 4 24 所示的两条直线近似 这两条直线就是所求的渐近线 3 对数幅频特性曲线的渐近线 控制工程基础 4 转角频率两条渐近线相交处的频率称为转角频率 T 转角频率可通过联解两条渐近线方程而求得 求得 其实 系统对数幅频特性曲线上的各个转角频率 就是系统各组成环节的时间常数的倒数或无阻尼自然频率 对数幅频特性曲线的渐近线的斜率 在转角频率处要发生突变 所以在绘制波德图时要确定各个转角频率 控制工程基础 5 幅值穿越频率对数幅频特性曲线与横坐标轴相交处的频率称为幅值穿越频率或增益交界频率 用 c表示 穿越频率可通过求解由高频段渐近线方程和L 0组成的联立方程而得到 如式 4 22 所示的对数幅频特性曲线的幅值穿越频率 可解联立方程L 20lg5 20lgT L 0 得到 c 5 T 对数相频特性图的横坐标轴的分度与对数幅频特性图的相同 是按频率 的对数分度 对数相频特性图的纵坐标轴是按相位的度数或弧度数线性分度的 对数相频特性 对数相频特性是指频率特性函数的相位随 而变化的关系 G j 相位穿越频率或相位交界频率 g 对数相频特性曲线与 180 线相交处的频率 或者说频率特性函数的相位等于 180 时的频率 控制工程基础 波德图表示频率特性有如下优点 1 可将串联环节幅值的乘 除 化为幅值的加 减 因而简化了计算与作图过程 2 可用近似方法作图 先分段用直线作出对数幅频特性的渐近线 再用修正曲线对渐近线进行修正 就可得到较准确的对数幅频特性图 3 可分别作出各个环节的波德图 然后用叠加方法得出系统的波德图 并由此可以看出各个环节对系统总特性的影响 4 由于横坐标为对数坐标 所以 0的频率不可能在横坐标上表现出来 因此 横坐标的起点可根据实际所需的最低频率 来决定 控制工程基础 4 2 1典型环节的频率特性 1 比例环节的频率特性 1 极坐标图 由于G s K 即G j K 4 27 幅频特性 j K 4 28 相频特性 G j 0 4 29 这表明 当 从0 时 j 的幅值总是K 相位总是0 j 在极坐标图上为实轴上的一定点 其坐标为 K j0 如图4 9所示 控制工程基础 2 波德图 对数幅频特性20lg j 20lgK 4 30 对数相频特性 j 0 其曲线是一条水平线 分贝数为20lgK 图4 10中 K 10 故对数幅频特性的分贝数恒为20dB 而相位恒为零 故其对数相频特性曲线是与0 重合的一直线 因为由若干环节串联而成的系统的增益等于各环节增益之积 即K K1 K2 Kn 故系统增益的对数幅值等于各个环节增益的对数幅值之和 控制工程基础 2 积分环节的频率特性 1 极坐标图 由于 即 4 31 幅频特性 j 1 4 32 相频特性 j 90 4 33 由此有 当 0时 G j G j 90 当 时 G j 0 G j 90 可见 当 从0 时 G j 的幅值由 0 相位总是 90 积分环节频率特性的极坐标图是虚轴的下半轴 由无穷远点指向原点 如图4 11所示 控制工程基础 2 波德图 对数幅频特性为 20lg G j 20lg 20lg 4 34 对数相频特性 G j 90 于是 当 0 1rad s时 20lg G j 20dB 对数幅频特性经过点 0 1 20 当 1rad s时 20lg G j 0dB 对数幅频特性经过点 1 0 当 10rad s时 20lg G j 20dB 对数幅频特性经过点 10 20 2 积分环节的频率特性 控制工程基础 积分环节的对数相频特性如图4 12下半部所示 它与 无关 是一条过点 0 90 且平行于横轴的直线 故积分环节的对数幅频特性如图4 12上半部所示 它是一条过点 1 0 的直线 其斜率为 20dB dec dec表示十倍频程 即横坐标的频率由 增加到10 2 积分环节的频率特性 控制工程基础 解 因 即 例4 2作的波德图 相频特性 G j 180 对数幅频特性为 对数相频特性 G j 180 当 1 K 10时 20lg G j 20dB 对数幅频特性过点 1 20 10 K 10时 20lg G j 20dB 对数幅频特性过点 1 20 故幅频特性 控制工程基础 系统的对数幅频特性为一过点 1 20 而斜率为 40dB dec的直线 如图4 13幅频特性图中粗实线所示 显然 它是一个比例环节 K 10 与两个积分环节 1 s 的对数幅频特性的叠加 而这两个积分环节的对数幅频特性如图4 13中虚线所示 例4 2作的波德图 控制工程基础 由图4 12与图4 13可知 增加一个串联的积分环节 就使对数幅频特性的斜率增加 20dB dec 而使相位增加 90 增加一个串联的比例环节后 其对数幅频特性垂直平移20lgK 而其相位不变 对数相频特性是一条过点 0 180 且平行于横轴的一直线 如图4 13所示 当然也是一个比例环节和两个积分环节的对数相频特性的叠加 例4 2作的波德图 控制工程基础 3 理想微分环节的频率特性 1 极坐标图 由于G s s 即G j j 4 35 显然 实频特性恒为0 虚频特性为 故 幅频特性 G j 4 36 相频特性 G j 90 4 37 控制工程基础 可见 当 从0 时 G j 的幅值由0 其相位总是90 微分环节的频率特性的极坐标图是虚轴的上半轴 由原点指向无穷远点 如图4 14所示 由此有 当 0时 G j 0 G j 90 当 时 G j G j 90 3 理想微分环节的频率特性 控制工程基础 2 波德图 对数幅频特性 20lg G j 20lg 4 38 对数相频特性 G j 90 当 0 1时 20lg G j 20dB 当 1时 20lg G j 0dB 可见 微分环节的对数幅频特性是过点 1 0 而斜率为20dB dec的直线 对数相频特性是过点 0 90 且平行于横轴的直线 这说明输出的相位总是超前于输入相位90 微分环节的波德图如图4 15所示 3 理想微分环节的频率特性 控制工程基础 4 惯性环节的频率特性 1 极坐标图 显然 实频特性为 虚频特性为 故幅频特性 4 37 相频特性 4 38 控制工程基础 当 0时 G j 1 G j 0 当 1 T时 G j 0 707 G j 45 当 时 G j 0 G j 90 根据上述实频和虚频特性两式 可分别求得不同 值的Re 和Im 从而作出极坐标图 此时 频率特性曲线为一半圆 证明如下 设实频特性为 虚频特性为 控制工程基础 4 惯性环节的频率特性 所以将其代入实频特性表达式中 则有 将此式整理得 4 39 此式是一个圆方程 但由于 G j arctanT 所以当0 时 极坐标图是下半圆 因为此时 G j 与Im 恒为负值 如图4 16所示 控制工程基础 4 惯性环节的频率特性 2 波德图 如令 此频率称为转角频率 对数相频特性 当 1 T时 对数幅频特性为 4 41 当 1 T时 对数幅频特性为 4 42 控制工程基础 即在低频段 渐近线是一条0dB dec水平线 在高频段是一条斜率为 20dB dec的直线 该两条渐近线相交处的转角频率为 惯性环节的对数幅频特性曲线的穿越频率和转角频率相等 即 cr T 渐近线L 20lg T的绘制方法 设 i 则有L i 20lg iT 如果频率 i变化了十倍频程 即 10 i 则有 从上式可以看出 当频率每变化十倍频程时 幅值L 衰减20dB 即斜率为 20dB dec 控制工程基础 2 波德图 惯性环节的对数相频特性取值如下 当 0时 0 从图4 17可知 对数相频特性斜对称于点 T 45 而且在 0 1 T时 0 在 T 10时 90 准确的相频特性曲线应把每个 值代入对数相频特性 G j arctanT 中计算所得 当 T时 45 当 时 90 2 波德图 控制工程基础 表4 1惯性环节取不同频率 时所对应的 由图4 17可知 惯性环节有低通滤波器的特性 当输入频率 T时 其输出很快衰减 即滤掉输入信号的高频部分 在低频段 输出能较准确地反映输入 渐近线与精确的对数幅频特性曲线之间有误差e 由图4 18可知 最大误差发生在转角频率 T处 其误差为 3dB 在2 T或 T 2的频率处 e 为 0 91dB 即约为 1dB 而在10 T或 T 10的频率处 e 就接近于0dB 据此可0 1 T 10 T范围内对渐近线进行修正 2 波德图 控制工程基础 控制工程基础 5 一阶微分环节的频率特性 1 极坐标图 由于G s 1 TS即G j 1 jT 4 43 显然实频特性恒为1 虚频特性为T 故幅频特性 4 44 相频特性 G j arctanT 4 45 由此有 当 0时 G j 1 G j 0 当 1 T时 G j G j 45 当 时 G j G j 90 控制工程基础 可见 当 从0 时 G j 的幅值由1 其相位由0 90 一阶微分环节频率特性的极坐标图始于点 1 j0 平行于虚轴 是在第一象限的一条垂线 如图4 19所示 控制工程基础 5 一阶微分环节的频率特性 当 1 T时 20lg G j 0dB 即低频渐近线是0dB水平线 当 1 T时 20lg G j 20lg T 即高频渐近线为一直线 其始于点 1 T 0 斜率为20dB dec 显然 一阶微分环节的转角频率 T 1 T 一阶微分环节的对数相频特性取值如下 当 0时 0 当 T时 45 当 时 90 2 波德图 对数幅频特性 对数相频特性 G j arctanT 控制工程基础 由图4 20可知 对数相频特性斜对称于点 T 45 且在 0 1 T时 0 10 T时 90 比较图4 20与图4 17可知 一阶微分环节与惯性环节的对数幅频特性和对数相频特性分别对称于0dB线和0 线 对数幅频特性的精确曲线与渐近线的误差修正曲线如图4 18所示 只是其分贝数取正值 2 波德图 控制工程基础 6 二阶振荡环节的频率特性 1 极坐标图 如令 控制工程基础 实频特性为 虚频特性为 故幅频特性为 4 49 相频特性 4 50 由此有 当 0时 G j 1 G j 0 当 1 T时 G j 1 2 G j 90 当 时 G j 0 G j 180 1 极坐标图 控制工程基础 当 从0 G j 的幅值由1 0 其相位由0 180 振荡环节的频率特性的极坐标图始于点 1 j0 而终于点 0 j0 曲线与虚轴的交点的频率就是无阻尼固有频率 n 此时的幅值为1 2 曲线在第三 四象限 取值不同 G j 的极坐标图形状也不同 如图4 21所示 1 极坐标图 控制工程基础 在阻尼 比较小时 幅频特性 G j 在频率为 r处出现峰值如图4 21所示 此峰值称为谐振峰值Mr 对应的频率 r称为谐振频率 可如下求出 由 求得 4 51 即 当频率 r时 G j 出现峰值 当1 2 2 0 0 707 时 r才有意义 其谐振峰值为 4 53 4 52 1 极坐标图 控制工程基础 越小 r就越大 0时 r 1 T n 由于无阻尼自然频率 n和有阻尼固有频率 d的关系是 对于欠阻尼系统 0 1 谐振频率 r总小于有阻尼固有频率 d 2 波德图 幅频特性 相频特性 振荡环节的对数幅频特性为 4 54 1 极坐标图 控制工程基础 对数相频特性 a 振荡环节的对数幅频特性渐近线当 T 1时 20lg G j 0dB 4 55 即低频渐近线是0dB水平线 当 T 1时 20lg G j 40lg T 4 56 当 1 T时 高频渐近线20lg G j 0dB 可见 高频渐近线为一直线 始于点 1 0 斜率为 40dB dec 2 波德图 控制工程基础 由此可知 振荡环节的渐近线是由一段0dB线和一条起始于点 1 0 即在 r n T处 斜率为 40dB dec的直线所组成 n又可称为振荡环节的转角频率 如图4 22所示 注意 图中横坐标均为以对数刻度表示的 n 2 波德图 b 振荡环节的对数幅频特性的误差修正曲线 2 波德图 控制工程基础 由式 4 54 可知 振荡环节的对数幅频特性精确曲线不仅与 n有关 而且与 也有关 由图4 22可知 越小 n处或它附近的峰值越高 精确曲线与渐近线之间的误差就越大 并根据不同的 n和 值可作出如图4 23所示误差修正曲线 根据此修正曲线 一般在0 1 n 10 n范围内对渐近线进行修正 即可得到精确的对数幅频特性曲线 表4 2为二阶振荡环节对数幅频特性修正表 c 振荡环节的对数相频特性 由图4 22所示的振荡环节的对数相频特性可知 当 0时 0 当 n时 90 当 时 180 2 波德图 控制工程基础 表4 2二阶振荡环节对数幅频特性修正表 控制工程基础 2 波德图 由图4 22还可知 点 n 1 90 是相频特性的斜对称点 表4 3二阶振荡环节的相频特性 2 波德图 控制工程基础 d 振荡环节的谐振频率 r和谐振峰值Mr 在本章中已求得 而且只有当1 0 707时 可认为 r 0 在前面 已求得 r时 G j r 的幅值为 2 波德图 控制工程基础 记 G j r Mr 由式 4 52 作出Mr 关系曲线 如图4 24所示 当 0 707时 可认为Mr 1 值得指出的是 在一般的幅频特性坐标图与相频特性坐标图上 在 0 707或 略小于此值时 幅频特性曲线与相频特性曲线在低频段近于直线 2 波德图 控制工程基础 7 二阶微分环节的频率特性 由于 即 4 57 它的极坐标图如图4 25所示 1 极坐标图 控制工程基础 2 波德图 其幅频特性与相频特性如图4 26所示 4 3控制系统的对数频率特性 4 3 1控制系统开环波德图的绘制控制系统一般总是由若干典型环节组成 直接绘制系统的开环玻德图比较繁琐 但熟悉了典型环节的频率特性后 就不难绘制出系统的开环玻德图 控制系统的开环传递函数一般形式为 4 58 控制工程基础 故其对数幅频特性为 4 59 对数相频特性为 4 60 控制工程基础 绘制系统的开环波德图的步骤把系统开环传递函数化为标准形式 即时间常数形式 如 4 58 式所表示的形式 选定对数幅频特性图上各坐标轴的比例尺 求出惯性 一阶微分 振荡环节及二阶微分的转角频率 并沿频率轴上由小到大标出 根据比例环节K 计算20lgK dB 在半对数坐标纸上 找到频率 1rad s及幅值为20lgK的一点 通过此点作斜率为 20N dB dec 的直线 N为积分环节的个数 如不存在积分环节 则作一条幅值为20logK的水平线 控制工程基础 4 3 1控制系统开环波德图的绘制 在每个转角频率处改变渐近线的斜率 如果为惯性环节 斜率改变为 20 dB dec 二阶振荡环节 斜率改变为 40 dB dec 一阶微分环节 斜率改变为 20 dB dec 如此 作到最后一段 最后一段渐近线的斜率应为 20 N p 2q m dB decN为积分环节的个数 p为惯性环节的个数 q为二阶振荡环节的个数 m为微分环节的个数可以应用上述结论验证图形绘制是否正确 如果要求精确对数幅频特性图 可对渐进线进行修正 画出每一环节的对数相频特性图 然后把所有组成环节的相频特性在相同的频率下相叠加 即可得到系统的开环对数相频特性 控制工程基础 4 3 1控制系统开环波德图的绘制 例4 3已知系统的开环传递函数 要求绘制系统开环波德图 解 1 将G s 化成由典型环节串联组成的标准形式 可见系统由比例环节 一阶微分环节 积分环节 惯性环节和振荡环节串联组成 其频率特性为 控制工程基础 2 比例环节K 7 5 20lgK 17 5dB3 转角频率由小到大分别为1 414 2 3 4 通过点 1rad s 20lgK 17 5 画一条斜率为 20dB dec的斜线 即为低频段的渐近线 此渐进线与通过 1 1 414的垂线相交点 因 1是二阶振荡环节的转角频率 所以要在此点改变渐进线的斜率 40dB dec 因此渐进线的斜率由 20dB dec改变为 60dB dec 此渐进线又与通过一阶惯性环节的转角频率 2 2的垂线相交点改变渐进线的斜率由 60dB dec改变为 80dB dec 当渐进线通过一阶微分环节的转角频率 3 3的垂线相交点时改变渐进线的斜率由 80dB dec改变为 60dB dec 这几段渐进线的折线即为对数幅频特性 4 3 1控制系统开环波德图的绘制 控制工程基础 例4 3 5 在转角频率处 利用误差修正曲线对对数幅频特性曲线进行必要的修正 6 根据式 4 60 画出各典型环节的相频特性曲线 线性叠加后即得系统的相频特性曲线 系统的开环玻德图如图4 27所示 4 3 1控制系统开环波德图的绘制 控制工程基础 例4 3 4 3 2最小相位系统 最小相位传递函数 若传递函数G s 的所有零点和极点均在复平面 s 的左半平面内 则称G s 为最小相位传递函数 最小相位系统 具有最小相位传递函数的系统 控制工程基础 4 3 2最小相位系统 0 T T1 0 T T1 具有相同幅频特性的系统 最小相位系统的相角变化范围是最小的 例如两个系统的传递函数分别为 非最小相位传递函数 若传递函数G s 在复平面 s 的右半平面内存在零点或极点 则称G s 为非最小相位传递函数 非最小相位系统 具有非最小相位传递函数的系统 控制工程基础 图4 28 a 表示两个系统的零 极点分布图 显然G1 s 属于最小相位系统 这两个系统具有同一个幅频特征 但它们却有着不同的相频特性 如图4 28 b 所示 4 3 2最小相位系统 控制工程基础 1 在 时 对数幅频特性曲线的斜率为 Lk 20 n m dB dec 4 61 2 对于最小相位系统的相位特性 90 n m 4 62 这里n和m分别为传递函数中分母和分子多项式的阶次 在最小相位系统中 对数幅频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 一个最小相位系统满足下面的条件 控制工程基础 4 3 2最小相位系统 4 3 3闭环频率特性 4 63 1 由开环频率特性估计闭环频率特性对于如图 4 29 所示的系统 其开环频率特性为G j H j 而该系统闭环频率特性为 控制工程基础 因此 已知开环频率特性 就可以求出系统的闭环频率特性 也就可以绘出闭环频率特性 4 65 4 66 由于上式也是 的复变函数 所以上式的幅值M 和相位 分别表示为 控制工程基础 4 3 3闭环频率特性 逐点取 值 计算出在不同频率时 j 的幅值和相位 则可分别作出M 图 闭环幅频特性图 和 图 闭环相频特性图 如图4 30所示 这样逐步计算工作量很大 但是随着计算机的应用日益普及 闭环频率特性的绘制就变的很容易了 4 67 显然 此式右边的后一项可看作是单位反馈系统的频率特性 其前向通道频率特性为G j H j 再乘以1 H j 即得到 j 令GK j G j H j 则 研究单位反馈系统的 j 与G j 之间的关系并不丧失问题的一般性 因为在一般情况下 4 3 3闭环频率特性 控制工程基础 2 频率特性的性能指标 在频域分析中 评价控制系统性能优劣的特征量称为频域性能指标 它体现了系统的快速性 稳定性等动态品质 系统的带宽指闭环系统的对数幅值不低于 3dB时所对应的频率范围 0 BW b 带宽表征了系统响应的快速性 对系统带宽的要求 取决于两方面因素的综合考虑 1 截止频率 b和带宽 BW截止频率指闭环对数幅值20lgM 下降到 3dB 即振幅M 衰减到0 707M 0 时的角频率 闭环系统将高于截止频率的信号分量滤掉 而允许低于截止频率的信号分量通过 响应速度的要求响应越快 要求带宽越宽 高频滤波的要求为滤掉高频噪声 带宽又不能太宽 4 3 3闭环频率特性 控制工程基础 4 3 3闭环频率特性 控制工程基础 2 谐振峰值Mr和谐振频率 r闭环频率特性幅度值的极大值Mr 称为谐振峰值 以二阶系统为例 从知 系统的阻尼越小 Mr值越大 越易振荡 阻尼比越大 Mr越小 越易稳定下来 故Mr标志着系统的相对稳定性 当1 Mr 1 4 相当于对数幅值0 Mr 3dB 时 对应的阻尼比为0 4 0 707 若 0 707 则系统不出现谐振峰值 故一般取Mr 1 4 系统谐振峰值处的频率 称为谐振频率 r r表征了系统的响应速度 从图4 31可见 b r 谐振频率 r越大 系统带宽越宽 故响应速度越快 4 3 3闭环频率特性 控制工程基础 3 剪切率指对数幅值曲线在截止频率附近的斜率 该处曲线斜率越大 高频噪音衰减的越快 因此 剪切率表征了系统从噪音中辨别信号的能力 开环频率特性性能指标中 描述系统相对稳定性的增益裕度 相位裕度等将在第五章介绍 4 3 3闭环频率特性 控制工程基础 主要介绍二阶系统的闭环频率特性的评价性能指标 的幅频特性 将M b 0 707代入二阶系统 1 截止频率 b 中 可求得如下关系 控制工程基础 4 4频域性能指标及其与时域性能指标的关系 2 谐振频率 r和谐振峰值Mr 由式 4 45 得 峰值时间tP与 n和 的关系为 得 调整时间ts与 n和 的关系为 式中 2 或 5 得 控制工程基础 由于最大超调量和谐振峰值分别为 所以 由以上公式可以看出 2 谐振频率 r和谐振峰值Mr 控制工程基础 4 5频率特性实验法估计系统传递函数 在分析和设计控制系统时 首先要建立系统的数学模型 我们已经介绍了通过解析法获取数学模型的方法 但是实际系统是复杂的 有些系统由于人们对其结构 参数及其支配运动的机理不很了解 常常难于从理论上导出系统的数学模型 因此 这里我们再介绍一种用频率特性实验分析法来确定系统数学模型的方法 控制工程基础 1 频率特性实验分析的步骤 1 在可能涉及到的频率范围内 测量出系统或元件在足够多的频率点上的幅值比和相位差 2 由实验测得的数据 画出系统或元件的波德图 3 在波德图上 画出实验曲线的渐近线 将各段渐近线组合起来 就可以构成整个的渐近对数幅频特性曲线 通过对转角频率的一些试算 通常是可以得到比较满意的渐近线 4 最后由渐近线来确定系统或元件的传递函数 在确定传递函数时应该注意 波德图上的频率应转化成弧度 秒 控制工程基础 为了确定传递函数 首先应该画出由实验得到的对数幅频特性 对数幅频特性的渐近线的斜率必须是20dB dec倍数 如果实验对数幅频特性在 1时 是由 20dB dec变化到 40dB dec 那么很明显 在传递函数中包含有一个 2 由波德图确定系统的传递函数 的二阶振荡环节 振荡环节的无阻尼自然频率就等于 2 1 T 的惯环节 若在 2处 斜率变化了 40dB dec 那么在传递函数中必含有 控制工程基础 图4 32系统的波德图 阻尼比 可通过测量实验对数幅频特性在转角频率 2附近的谐振频率峰值 并与图4 32所示曲线比较后确定 控制工程基础 4 68 4 69 在实际系统中 积分因子的数目N等于0 1或2 下面介绍系统类型和开环增益的确定 系统的类型和开环增益K主要由系统低频特性的形状和数值来确定 频率特性的一般形式为 式中N 串联积分环节的数目 当 0时 各一阶环节因子趋近于1 故有 控制工程基础 2 由波德图确定系统的传递函数 1 对于N 0时 即为零型系统 式 4 68 变为G j K 故其对数频率特性的低频渐近线是一条20lgKdB的水平线 K值由该水平线求得 如图 4 33a 所示 2 由波德图确定系统的传递函数 控制工程基础 2 对于N 1时 即为 型系统 即 上式表明 低频渐近线的斜率为 20dB dec 渐近线 或延长线 与0dB轴交点处的频率在数值上等于K 见图4 33b 控制工程基础 上式表明 低频渐近线的斜率为 40dB dec 渐近线 或延长线 与0dB轴交点处的频率在数值上等于见图4 33c 3 对于N 2时 即为 型系统 即 由于当 1时 系统的对数频率特性曲线一定过20lgK 所以K值可将 1由代入以上各式求得 控制工程基础 图4 33各种类型系统的对数幅值曲线 控制工程基础 例4 4试确定具有图4 32所示实验频率特性曲线的系统传递函数 控制工程基础 图4 32系统的波德图 解 首先以20dB dec及其倍数的线段来画出对数幅频特性的渐近线如图4 32中虚线所示 显然 系统包含有一个积分环节 一个惯性环节 一个微积分环节和一个振荡环节 然后找出转角频率 1 1 2 2 3 8并假定传递函数具有如下形式 例4 4试确定具有图4 32所示实验频率特性曲线的系统传递函数 控制工程基础 或 4 70 阻尼比 由图4 32测得谐振峰值Mr接近于 6rad s处 其对数幅值为1 25dB 根据1 25 20lgMr求得Mr 1 15 增益K在数值上等于低频渐近线的延长线与0分贝线交点处的频率值 于是可得K 10 因此G j 可初步确定为 由 求得 0 5 控制工程基础 一旦知道了对数幅频特性上的每一个转角频率 则对应于传递函数中的每一个环节的相频曲线也就很容易画出了 这些相频曲线之和就是假设的传递函数相频曲线 图4 32中虚线是表示G j 的相频曲线 由此可以看出由刚才初步确定的传递函数画出的理论对数相频特性和实验测得的相频特性是相一致的 且在高频范围内 当 时幅频特性的斜率为 20 n m 20 4 1 60dB dec 相角为 90 n m 270 说明该系统是最小相位系统 故式 4 70 即为我们所要求的传递函数 由于我们还没有检查相频曲线 所以这个传递函数是初步试探性的 控制工程基础 一基本要求 1 掌握频率特性的定义和代数表示法 掌握频率特性和频率响应的求法 小结 2 掌握频率特性的Nyquist图和Bode图的组成原理 熟悉典型环节的Nyquist图和Bode图的特点及其绘制 掌握开环系统Bode图的特点和绘制 3 了解闭环频率特性与开环频率特性之间的关系 4 了解频率特性的性能指标 5 了解最小相位系统的概念 控制工程基础 二本章重点 1 频率特性的定义和代数表示法 频率特性和频率响应的求法 2 典型环节的Bode图 开环系统Bode图的绘制 小结 控制工程基础 三本章难点 1 开环系统Bode图的画法及图形的分析 2 频域性能指标计算 小结 控制工程基础