【自动控制原理笔记】线性系统的频域分析-频率特性

开门见山

频域分析的主要对象是频率响应,频率响应主要有幅频特性和相频特性两种。

频率响应在形式上是输出和输入的傅里叶变化之比。

一、频域分析概览

1.1 频域分析原理

控制系统中的信号可以表示为不同频率正弦信号的合成(线性组合)。

1.2 频域分析方法的特点

频率分析法就是利用系统的频率特性进行分析的方法,此种分析方法具有如下四方面的特点:

(1)可由实验和分析得到
(2)各指标意义明确,与时域指标相对应
(3)可以兼顾动态性能和噪声抑制
(4)可以推广到非线性领域

1.3 频率响应
实际的系统对不同频率的信号并非一视同仁。以下图所示的RC串联电路为例,在交流电源V1的峰峰值/不变的情况下,电容C1两端的电压将随着V1的频率的变化而发生改变。

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当V1的频率为如图所示的60Hz时,C1两端的输出如下图右侧波形所示:
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使用Multisim对带内容两端电压进行频率扫描分析,得到下图所示的幅频特性和相频特性曲线:

【自动控制原理笔记】线性系统的频域分析-频率特性_第3张图片
上图表明系统输出的幅值和相位是与输入的频率有关。

二、幅频特性的数学推导

除了使用频率扫描的实验方法,输出量的幅值和相位与输入量的频率之间的关系,也可通过数学推导得到,此处只简要介绍幅频特性的推导思路

推导过程主要包含以下四个环节:

1、频率特性定义
2、系统输出复域(s)形式
3、输出的频域形式
4、频率响应的数学表达

传递函数的一般形式如下:

【自动控制原理笔记】线性系统的频域分析-频率特性_第4张图片
假设系统输入为Asin(t),其拉普拉斯变换形式如下:
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于是输出的拉普拉斯比那换可以写成如下形式:
在这里插入图片描述
由留数定理可以得到,输出量的时域表达式具有如下形式:
在这里插入图片描述
使用留数法确定两个a形系数,可以把c(t)展开成:
在这里插入图片描述

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用幅角形式改写这个复数
在这里插入图片描述
这个是个正弦形式,幅值A(w)和相位都是频率w的函数。于是我们可以知道,输出量的幅值和相位的确和输入量的频率有关。

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