第5章
【本章概要】
频率响应法是在频域中研究自动控制系统的一种经典方法,其研究的依据是又一种数学模型——频率特性。
频率响应法不直接求解系统的微分方程,而根据系统的开环频率特性分析闭环系统的稳定性和动稳态性能。一方面,应用奈奎斯特稳定判据,可以根据系统的开环频率特性研究闭环系统的稳定性,另一方面,由于频率特性包含了系统或元部件的全部动态结构和参数,故尽管频率特性是一种稳态特性,动态过程的规律性必将寓于其中。
本章以频率特性的物理意义为基本点,重点介绍频率特性曲线的绘制方法,奈魁斯特稳定性判据,稳定裕度的概念和计算,闭环频率特性曲线的绘制,并简单介绍根据开环频率特性曲线分析系统性能的方法。
【学习目标】
明确频率特性的物理意义及数学本质
熟悉典型环节的频率特性;熟练掌握绘制开环对数频率特性的方法
熟练掌握由最小相位系统的开环对数频率特性求传递函数的方法
理解奈奎斯特判据的原理,牢固掌握运用奈奎斯特判据判断系统稳定性的方法
正确理解稳定裕度的概念及意义,会计算稳定裕度
掌握开环对数频率特性与系统稳态、动态性能的关系,理解三频段的概念
明确闭环频率特性与时域性能指标之间的关系
【重点和难点】
重点:频率特性曲线的绘制,奈魁斯特判据的使用,频率特性与时域性能指标的关系
难点:奈魁斯特判据的证明,时频域指标的对应关系
【基本内容】
频率特性的概念,频率特性的两种主要几何表示方式—幅相曲线和对数频率特性曲线(Bode图)。
典型环节的频率特性。
系统开环频率特性曲线的绘制,最小相位系统的概念,利用开环幅频特性确定最小相位系统的开环传递函数。
线性系统稳定性的Nyquist稳定判据(几何判据):包括利用幅相频率特性曲线和对数频率特性曲线进行判断。
控制系统的相对稳定性:相角裕度、幅值裕度的概念及计算。
闭环频率特性及频域性能指标:闭环频率特性,频域性能指标。
频域指标与时域指标的关系。
【关键术语】
频域(frequency domain):一种数学域,与时域相区别,用频率和频率响应来描述系统。
频率特性(frequency response characteristics):对于线性系统来说,当输入信号为正弦信号时,稳态时的输出信号是一个与输入信号同频率的正弦信号,不同的只是其幅值与相位,且幅值与相位随输入信号的频率不同而不同。输出与输入的幅值比随频率变化的函数称为幅频magnitude-frequency特性,输出与输入的相位差随频率变化的函数称为相频phase-frequency特性。两者合称频率特性。
幅相曲线(magnitude and phase diagram):对于一个确定的频率,必有一个幅频特性的幅值和一个幅频特性的相角与之对应,幅值与相角在复平面上代表一个向量。当频率ω从零变化到无穷时,相应向量的矢端就描绘出一条曲线。这条曲线就是幅相频率特性曲线,简称幅相曲线。
对数频率特性曲线(Bode diagram):又称为伯德图(曲线),其横坐标采用对数分度,对数幅频曲线的纵坐标的单位是分贝,记作dB,对数相频曲线的纵坐标单位是度。
最小相位(相角)系统(minimum phase system):零点、极点均在s平面的左半平面的系统。
奈奎斯特稳定判据(Nyquist stability criterion):简称奈氏判据,是根据开环频率特性曲线判断闭环系统稳定性的一种简便方法。
稳定裕度(stability margin):表征系统稳定程度的指标,包括幅值裕度magnitude margin和相角裕度phase margin ?。 |