四川大学自动控制原理课件 第五章 频率分析法.ppt
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第五章 频率响应分析法 经典控制理论最重要、最主要的分析方法; 根据开环系统的稳态频率特性图,分析闭环系统的稳定性、稳定裕度及动态性能; Nyquist 1932年提出频域稳定判据,Bode 1940年提出简化作图的对数坐标系; 系统的频率特性具有明确的物理意义,既可实验获取,也可由传递函数得到。 本章主要内容 频率特性(基本概念,图示方法、稳态误差分析); 典型环节的频率特性; 系统开环频率特性的绘制; Nyquist 稳定判据; 控制系统的稳定裕量。 应用频率法求正弦输入时的稳态误差 练习: B5.4 5.3 Nyquist 稳定判据 Cs顺时针方向围绕F(s)的一个零点 ? 映射曲线CF顺时针方向包围F(s)平面的坐标原点一周. Cs顺时针方向围绕F(s)的Z个零点 ? 映射曲线CF顺时针方向包围F(s)平面的坐标原点Z周. Cs顺时针方向围绕F(s)的一个极点 ? 映射曲线CF反时针方向包围F(s)平面的坐标原点一周. Cs顺时针方向围绕F(s)的P个极点 ? 映射曲线CF反时针方向包围F(s)平面的坐标原点P周. F(jω)围绕情况转换为G(jω)H(jω)的围绕情况 1型系统完整的Nyquist曲线 2型系统完整的Nyquist曲线 练习: B5.12 , 5.14 5.5 典型环节的伯德图 5.6 开环系统伯德图的绘制 最小相位系统与非最小相位系统 最小相位与非最小相位系统的频率特性 最小相位系统对数幅频特性和相频特性的关系: 练习: B5.8, 5.9 1型系统的频率特性及稳定性判别 1型系统的Bode图 2型系统的频率特性及稳定性判别 2型系统的Bode图 实验3:频率特性的测试及分析(2学时) 联系:李亚力老师 电气信息学院专业实验楼403 8216, 练习: B5.13 5.8 控制系统的稳定裕量 1. 增益裕量 gm Bode图情况下的稳定裕量 用计算的办法求稳定裕量 5) 仿真分析 练习 B5.20 ,B5.23 练习汇总 B5.4, B5.8, B5.9 (c), B5.12, B5.13 B5.14, B5.20 ,B5.23 传递函数的表现形式: 开环传函的零极点全部位于左半闭平面上(包括虚轴),且不含时滞环节。 非最小相位系统:开环传函至少有一个零点或极点位于右半开平面上(不包括虚轴) ,或含有时滞环节。 jω 0 s复平面 σ 最小相位系统:幅频特性相同,相角变化量 最小的系统。 例1:设a和b两个系统的开环传函分别为 两个系统的幅频特性相同,相频特性却不同: 最小相位系统的相角变化小于非最小相位系统,且相频与幅频斜率的变化趋势一致. 例2:有2个系统,开环传递函数分别为 则两个系统的幅频特性相同, 相频特性却不同: w ) ( w j ° 0 ° - 90 ) ( 1 w j dec dB / 20 - ) ( 2 w j w ° - 45 最小相位系统的相角变化小于非最小相位系统,且相频与幅频斜率的变化趋势一致. 低频段对数幅频特性的斜率为-20νdB/dec时,相频特性趋于-90°×ν(ν:积分环节数) ; 中频段相频特性随对数幅频特性的斜率而变化; 高频段对数幅频特性的斜率-20(n-m)dB/dec时,相频特性趋近于 -90°×(n-m) 如前面的例(见下页): 相频特性与幅频特性斜率的变化趋势一致 最小相位系统的特点: 对于具有相同幅频特性的系统,最小相位系统的相角变化量最小; 幅频特性和相频特性之间存在着唯一的对应关系,因此通常只须绘制幅频特性图; 直接由对数幅频特性就可以写出其传递函数(相当于频域的系统辨识)。 非最小相位系统不存在上述对应关系. ? ? dB L(?) ?(?) (-) (+) 0 (b)开环对数频率特性曲线 (+) (a)开环幅相频率特性曲线 -1 (-) Im Re 0 5.7 根据Bode图判断系统的稳定性 -22 K增大 应作ω从 0变到0+的辅助线! 增大增益或延迟时间的影响? 应作ω从 0变到0+ 的辅助线! 2. 相角裕量γ Re Im 0 -1 Gk(j?) ?c ?g ? ?(?c) 1 Nyquist图 ? ? dB L(?) ?(?) 0 gm ? ?c ?g 1. 增益裕量 gm 2. 相角裕量γ 返回 返回 返回 gm ? ?g ?c -28 -104 如何用计算的办法求 gm 和 γ ? 增益裕量的计算: 即先求ωg,再求gm 相角裕量的计算: 相角裕量的近
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