机械控制基础4-频率特性分析.ppt

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1、第四章频率特性分析本章主要教学内容4.2频率特性的图示方法*4.3系统开环频率特性*4.5最小相位系统4.1频率特性概述4.4系统闭环频率特性1本节教学内容本节教学要求4.1频率特性的基本概念4.1.1频率特性的定义4.1.2频率特性的求取4.1.3频率特性的特点和作用1.明确频率特性的各种定义3.了解频率特性的工程意义2.了解频率特性与传递函数之间的相互联系24.1频率特性的基本概念系统传递函数谐波输入信号频率响应——线性定常系统对正弦输入信号的稳态响应。系统输出稳态响应稳态输出幅值和相位均为输入信号频率的函数.4.1.1频率特性的定义34.

2、1频率特性的基本概念4.1.1频率特性的定义频率特性：在不同频率正弦信号作用下，线性系统稳态输出与输入的幅值比和相位差，称为系统的频率特性，它是信号频率的函数:()：输出相位-输入相位幅值比相位差频率特性幅频特性相频特性实频特性虚频特性44.1频率特性的基本概念系统传递函数由传递函数求频率特性：将传递函数中的s换成j4.1.2频率特性的求取系统稳态输出幅频特性相频特性系统频率特性54.1频率特性的基本概念4.1.2频率特性的求取求取系统对谐波输入的稳态响应根据频率特性的定义，求系统的幅频特性和相频特性()：输出相位-输入相位根据频率

3、特性的定义，列写系统的频率特性由频率响应求频率特性：根据频率特性的定义求取，其基本步骤如下：64.1频率特性的基本概念4.1.3频率特性的特点和作用系统的频率特性就是其单位脉冲响应函数w(t)的傅立叶变换，即由频率特性可对w(t)进行频谱分析，通过分析系统脉冲响应函数中所包含的频率成分，进而了解系统的动态性能。频率特性由线性系统正弦输入的稳态响应得到，因此频率特性分析是一种利用系统时间响应的稳态部分进行分析的方法，这与时间响应分析法既有本质的区别，又有内在的联系。频率特性是传递函数的特例，是定义在复平面虚轴上的传递函数，但同样包含了系统或元部件

4、的全部动态结构参数，因此频率特性与系统的微分方程、传递函数一样反映了系统的固有特性。相对于时域分析，频率特性更适用于高阶系统的动态特性分析，在频域中进行控制器的设计与校正更为直观、简便。频率特性在实际工程应用中也有局限性。由于工程系统多少有些非线性，因而对于谐波输入，系统的输出并非严格的谐波信号，由此频率分析所得到的结论与实际系统会有一定出入。频率特性的特点——74.1频率特性的基本概念举例——求图示系统频率特性传递函数频率特性对于低频信号对于高频信号频率特性分析随着的增加，幅值A()不断减小，相位()滞后不断增加。频率特性反映了系统(

5、电路)的内在性质，与外界因素无关。84.1频率特性的基本概念课后作业第五版教材151~152页：4.3，4.5，4.10第六版教材159~159页：4.3，4.5，4.11注：同一题目在第五、六版教材中的题号可能不同。94.2频率特性的图示方法本节教学内容4.2.1频率特性图的定义极坐标图对数坐标图4.2.2典型环节的频率特性图-Nyquist图Bode图本节教学要求1.掌握频率特性极坐标图和对数坐标图的坐标系的定义2.掌握典型环节频率特性的图形表示以及相应的物理意义104.2频率特性的图示方法4.2.1频率特性图的定义当给定时，复数G(j

6、)在复平面上有两种表示方法：向量表示：向量的模A()为G(j)，向量与正实轴的夹角为，并规定逆时针方向旋转为正；坐标表示：用复数G(j)的实部和虚部分别表示G(j)端点的横坐标和纵坐标。极坐标图：极坐标图又称Nyquist图，也称幅相频率特性图，指在复平面上，当值由0变化到时的G(j)矢端移动所形成的轨迹。114.2频率特性的图示方法4.2.1频率特性图的定义对数坐标图——将G(j)的幅值G(j)和幅角分别用图表示，并取的对数值来绘制自变量的坐标就构成了对数坐标图。此方法最早由贝尔实验室的工程师Bode提出，现通称B

7、ode图。两对数坐标图(幅频、相频)的横轴用以10为底的对数值分度,但习惯上不标lg,而是标真值.对数幅频特性的纵坐标是20lg

8、G(j)

9、,其单位是分贝(dB).对数相频特性的纵坐标是相位,用度表示.1124.2频率特性的图示方法4.2.1频率特性图的定义Bode图坐标系的选取，拓宽了图形所能表示的频率、幅值范围；幅值相乘变为相加，简化作图：=0不可能在横坐标上表示出来；横坐标上表示的最低频率由所感兴趣的频率范围确定；通常只标注的真值.Bode图的要点——134.2频率特性的图示方法Bode图幅频：相频：比例(放大)环节——4.2

10、.2典型环节的频率特性图K>1，分贝数为正；K<1，分贝数为负。改变K值，幅频曲线升高或降低，但相频曲线不变。Nyquist图幅频：相频：144.2频