自動(dòng)控制原理第一章.ppt

1、Wednesday, July 8, 2020,1,第五章 控制系統(tǒng)的頻率法分析,Wednesday, July 8, 2020,2,時(shí)域分析法和頻率特性分析法,時(shí)域分析法： 優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)：具有直觀、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，如果控制系統(tǒng)是一階和二階的，求解后可以利用時(shí)域指標(biāo)直接衡量和評(píng)估系統(tǒng)的性能，但高階系統(tǒng)的求解困難。 頻率特性分析法：是基于頻率特性或頻率響應(yīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的一種圖解方法。 優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)：（1）只要求出系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率特性，就可以判斷閉環(huán)系統(tǒng)是否穩(wěn)定；（2）由于系統(tǒng)的頻率特性所確定的頻域指標(biāo)與系統(tǒng)的時(shí)域指標(biāo)之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而系統(tǒng)的頻率特性又很容易和它的結(jié)構(gòu)、參數(shù)聯(lián)系起來(lái)。因而可以

2、根據(jù)頻率特性的形狀去選擇系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使得能夠滿足時(shí)域指標(biāo)的要求。（3）此外頻率特性不但可以由微分方程或傳遞函數(shù)求得，還可以用實(shí)驗(yàn)方法求得，這是一個(gè)很突出的優(yōu)點(diǎn)。,Wednesday, July 8, 2020,3,頻率特性的基本概念 頻率特性的對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖 頻率特性的極坐標(biāo)圖 奈魁斯特穩(wěn)定判據(jù) 穩(wěn)定裕度 閉環(huán)系統(tǒng)的性能分析,本章主要內(nèi)容,Wednesday, July 8, 2020,4,第一節(jié) 頻率特性的基本概念,Wednesday, July 8, 2020,5,考察一個(gè)系統(tǒng)的好壞，通常用階躍輸入下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)來(lái)分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。這是時(shí)域分析方法中的一般做法。 有時(shí)也用正

3、弦波輸入時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)來(lái)分析，但這種響應(yīng)并不是單看某一個(gè)頻率正弦波輸入時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)，而是考察頻率由低到高無(wú)數(shù)個(gè)正弦波輸入下所對(duì)應(yīng)的每個(gè)輸出的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。因此，這種響應(yīng)也叫頻率響應(yīng)。 頻率響應(yīng)盡管不如階躍響應(yīng)那樣直觀，但同樣間接地表示了系統(tǒng)的特性。頻率響應(yīng)法是分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的一個(gè)既方便又有效的工具。,Wednesday, July 8, 2020,6,一、頻率特性的定義：,系統(tǒng)的頻率響應(yīng)定義為系統(tǒng)在正弦信號(hào)作用下穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的振幅、相位與所加正弦信號(hào)作用的頻率之間的依賴關(guān)系。,對(duì)于一般的線性定常系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸入和輸出分別為r(t)和c(t)，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為G(s)。,式中， 為極點(diǎn)。,若：,則：,We

4、dnesday, July 8, 2020,7,拉氏反變換為：,若系統(tǒng)穩(wěn)定，則極點(diǎn)都在s左半平面。當(dāng) ，即穩(wěn)態(tài)時(shí)：,式中， 分別為：,Wednesday, July 8, 2020,8,而,式中：Rm 、Cm分別為輸入輸出信號(hào)的幅值。,上述分析表明，對(duì)于穩(wěn)定的線性定常系統(tǒng)，加入一個(gè)正弦信號(hào)，它的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)是一個(gè)與輸入同頻率的正弦信號(hào)，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)與輸入不同之處僅在于幅值和相位。其幅值放大了 倍，相位移動(dòng)了 。 和 都是頻率的函數(shù)。,Wednesday, July 8, 2020,9,定義穩(wěn)態(tài)響應(yīng)與正弦輸入信號(hào)的相位差 為系統(tǒng)的相頻特性，它描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)對(duì)不同頻率輸入信號(hào)的相位移特性；,定義穩(wěn)態(tài)響

5、應(yīng)的幅值與輸入信號(hào)的幅值之比 為系統(tǒng)的幅頻特性，它描述系統(tǒng)對(duì)不同頻率輸入信號(hào)在穩(wěn)態(tài)時(shí)的放大特性；,幅頻特性和相頻特性可在復(fù)平面上構(gòu)成一個(gè)完整的向量 ，它也是 的函數(shù)。 稱為頻率特性。,Wednesday, July 8, 2020,10,由于這種簡(jiǎn)單關(guān)系的存在，頻率響應(yīng)法和利用傳遞函數(shù)的時(shí)域法在數(shù)學(xué)上是等價(jià)的。,頻率特性與傳遞函數(shù)的關(guān)系為：,幅頻特性、相頻特性和實(shí)頻特性、虛頻特性之間具有下列關(guān)系：,Wednesday, July 8, 2020,11,結(jié)論：當(dāng)傳遞函數(shù)中的復(fù)變量s用 代替時(shí)，傳遞函數(shù)就轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率特性。反之亦然。,到目前為止，我們已學(xué)習(xí)過(guò)的線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型有以下幾種：微分方程、

6、傳遞函數(shù)、脈沖響應(yīng)函數(shù)和頻率特性。它們之間的關(guān)系如下：,Wednesday, July 8, 2020,12,從另一方面，若線性系統(tǒng)在正弦信號(hào)輸入作用下，在穩(wěn)態(tài)情況下，輸入輸出都是正弦函數(shù)，可用矢量表示：,可見(jiàn)，頻率特性就是輸出、輸入正弦函數(shù)用矢量表示時(shí)之比。 表示線性系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)情況下，頻率特性是輸出、輸入正弦信號(hào)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。是頻率域中的數(shù)學(xué)模型。,Wednesday, July 8, 2020,13,例子：設(shè)傳遞函數(shù)為：,微分方程為：,頻率特性為：,求微分方程和頻率特性？,問(wèn)題：實(shí)頻特性和虛頻特性，幅頻特性和相頻特性怎樣求？,Wednesday, July 8, 2020,14,頻率響應(yīng)

7、法的優(yōu)點(diǎn)之一在于它可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)量測(cè)來(lái)獲得，而不必推導(dǎo)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。 事實(shí)上，當(dāng)傳遞函數(shù)的解析式難以用推導(dǎo)方法求得時(shí)，常用的方法是利用對(duì)該系統(tǒng)頻率特性測(cè)試曲線的擬合來(lái)得出傳遞函數(shù)模型。 此外，在驗(yàn)證推導(dǎo)出的傳遞函數(shù)的正確性時(shí)，也往往用它所對(duì)應(yīng)的頻率特性同測(cè)試結(jié)果相比較來(lái)判斷。 頻率響應(yīng)法的優(yōu)點(diǎn)之二在于它可以用圖來(lái)表示，這在控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)中有非常重要的作用。,Wednesday, July 8, 2020,15,說(shuō)明：頻率特性的推導(dǎo)是在所研究的線性定常系統(tǒng)是穩(wěn)定的假設(shè)條件下得出的。如果不穩(wěn)定，則動(dòng)態(tài)過(guò)程c(t)最終不可能趨于穩(wěn)態(tài)響應(yīng)cs(t)，當(dāng)然也就無(wú)法由實(shí)際系統(tǒng)直接觀察到這種穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。

8、但從理論上動(dòng)態(tài)過(guò)程的穩(wěn)態(tài)分量總是可以分離出來(lái)的，而且其規(guī)律性并不依賴于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此可以擴(kuò)展頻率特性的概念，將頻率特性定義為：在正弦信號(hào)輸入下，線性定常系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)分量與輸入的復(fù)數(shù)比。所以對(duì)于不穩(wěn)定的系統(tǒng)，盡管無(wú)法用實(shí)驗(yàn)方法量測(cè)到其頻率特性，但根據(jù)式 由傳遞函數(shù)還是可以得到其頻率特性。,Wednesday, July 8, 2020,16,工程上常用圖形來(lái)表示頻率特性，常用的有： 1極坐標(biāo)圖，也稱奈奎斯特(Nyquist)圖。是以開(kāi)環(huán)頻率特性的實(shí)部 為直角坐標(biāo)橫坐標(biāo)，以其虛部 為縱坐標(biāo)，以 為參變量的幅值與相位的圖解表示法。 2對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖，也稱伯德(Bode)圖。它是由兩張圖組成，以 為橫坐標(biāo)，對(duì)數(shù)分度，分別以 和 作縱坐標(biāo)的一種圖示法。 3對(duì)數(shù)幅相頻率特性圖