控制系统伯德图、带宽及动态响应的关联性

控制系统伯德图

伯德图可分为幅值图和相位图,它们都是以频率为横坐标的,说明系统的幅值和相位由输入信号的幅值和相位决定。在任一w1频率下,系统幅值a大于0。换句话说就是当输入信号频率为w1时,系统对输入信号的增益为a(输出信号幅值)。
相位P可正可负:
若P>0,表示输出信号超前输入信号P相位;
若P<0,表示输出信号滞后输入信号P相位;
G = 1/(s+2)的伯德图控制系统伯德图、带宽及动态响应的关联性_第1张图片
控制系统伯德图、带宽及动态响应的关联性_第2张图片

输入的测试信号是幅值为1,频率为0.395HZ的正弦波,从伯德图的幅值图可知,系统对输入信号的增益为0.395,与示波器黄色曲线的第二第三个峰值一致(第一个峰值不一致是因为涉及到了系统的瞬态响应),而且其波峰相对于蓝色曲线波峰明显滞后了一个相位,应该是37.8°(没测)。

由上引出伯德图与动态响应的关系,观察输出信号的第一个波峰峰值为0.4091,与系统增益0.395不一致,原因是系统还没有进入稳态过程。那么,先分析系统的动态响应过程:
将正弦信号R(s)与传递函数G(s)进行拉式变换,则该信号在S域上的系统响应为C(s)=R(s)*G(s),再将C(s)进行拉式反变换得到函数c(t),是一个关于时间t的响应函数,同时用这个时域上的响应函数可以完美复原黄色的输出信号曲线。如要计算系统的稳态误差,则有e(t)=r(t)-c(t),t—>inf。

注:
系统的截止频率wc是系统的幅频特性曲线过0dB处所对应的频率,它直接关系到系统的动态性能,其相角裕度y=180°+角(开环传函(jwc))表示对于闭环稳定系统系统而言,系统开环相频特性再滞后y°,则系统会处于临界稳定状态

相频曲线穿越-180°时的频率为穿越频率wx,幅值裕度h = 1/|开环传函(jwx)|,表示对于闭环稳定系统而言,系统开环幅频特性再增大h倍,系统将处于临界稳定状态

当然,由上面两张图,我们还可以引出一个叫做带宽的概念,带宽表示的是一段频率范围,表示在[0,w]的频率范围内,闭环系统对输入的增益>0.707(-3dB)(控制系统设计中都是这么规定的)。

如果输入信号是直流信号,那么系统带宽的大小对于输出信号响应速度有什么影响?
首先明确的是,直流信号的频率为0,那么增益可由伯德图去判断,其增益为0.5。

控制系统伯德图、带宽及动态响应的关联性_第3张图片
控制系统伯德图、带宽及动态响应的关联性_第4张图片

如示波器所示,黄色曲线10/(s+20),该系统的响应大于1/(s+2),从伯德图中可以看出,10/(s+20)的增益频带更大,系统响应更快,当然也可以用拉式反变换的方法计算系统的时间响应函数去比较。因此可以得出以下结论,**系统带宽越大,对输入信号的响应越快。**但是带宽增大的同时,也抬升了系统的剪切频率(增大了剪切频率),系统相位稳定裕度减小,在中间的频率段位,同一频率下,相位滞后小于低带宽的。

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