【自动控制理论(三)】频率特性

文章目录

    • 频率特性的概念
    • 奈奎斯特图和波特图
      • 奈奎斯特图和波特图的概念
      • 波特图判断稳定性
    • 由开环波特图判断闭环时域性能
    • 由闭环频率特性分析动态性能
    • matlab画频率特性

频率特性的概念

控制系统的频率特性是输入为正弦波时,输出的正弦波与输入相比的幅值增益以及相角差。也就是说,这个系统对不同的输入信号的频率有不同的响应。
为了得到频率特性,将传递函数中的s替换成 j ω j\omega jω即可。

奈奎斯特图和波特图

奈奎斯特图和波特图的概念

奈奎斯特图考察 ω \omega ω在全范围内变化时,频率特性在复平面上的变化。
波特图将频率特性的幅值和相角分别画在两张图上。
对于闭环的系统,开环传递函数更容易分析,所以一般画开环传递函数的奈奎斯特和波特图。

波特图判断稳定性

波特图直接反应了系统对不同频率信号的增益以及移相。对于开环波特图,当增益为1时,对应的移相相角若比-180°要小,就说明闭环系统不稳定。这是由奈奎斯特稳定判据推出来的。

由开环波特图判断闭环时域性能

对于某控制系统:
【自动控制理论(三)】频率特性_第1张图片
显然闭环传递函数:
G c ( s ) = G ( s ) 1 + G ( s ) H ( s ) G_c(s)=\frac{G(s)}{1+G(s)H(s)} Gc(s)=1+G(s)H(s)G(s)
设G(s),H(s)的分子和分母多项式分别为:
G ( s ) = n u m 1 d e n 1 G(s)=\frac{num1}{den1} G(s)=den1num1
H ( s ) = n u m 2 d e n 2 H(s)=\frac{num2}{den2} H(s)=den2num2
所以闭环传函可表示为:
G c ( s ) = n u m 1 d e n 2 d e n 1 d e n 2 + n u m 1 n u m 2 G_c(s)=\frac{num1den2}{den1den2+num1num2} Gc(s)=den1den2+num1num2num1den2
闭环误差传递函数可表示为:
E ( s ) = d e n 1 d e n 2 d e n 1 d e n 2 + n u m 1 n u m 2 E(s)=\frac{den1den2}{den1den2+num1num2} E(s)=den1den2+num1num2den1den2

开环波特图在低,中,高频能够反映出的闭环时域特性如下:

  1. 对于开环波特图,在低频段,也就是比例积分,惯性等等的转折频率之前,此时只有比例,积分环节起作用。开环传递函数的积分环节在den1den2中,其中s的阶数越高,越不容易出现稳态误差。当开环传递函数的比例环节越大时,稳态误差越小。
  2. 中频段在截止频率附近。截止频率处开环增益为1,到了中频段,比例,积分,惯性,比例微分,振荡全部起作用。开环的截止频率越大,系统响应速度越快。
  3. 高频段,开环频率特性与闭环频率特性近似相等。因此开环频率特性的高频段反映了系统抗高频干扰的能力。

由闭环频率特性分析动态性能

知道开环传递函数,能画出开环频率特性,那画出闭环频率特性也不难。
开环波特图能判断稳定性,闭环波特图肯定不能用开环的-180°方法判断稳定性。开环已经判断完了,闭环就不用判断了。但可以讨论一下超调量,谐振,响应速度等等动态特性。
在闭环频率特性中:
ω = 0 \omega=0 ω=0时,输入信号为常数,闭环波特图表示了系统对该常数的增益。
如果波特图的幅值部分出现了尖峰,表示发生了谐振,系统对该频率点增益最高。对于一个衰减振荡的(阻尼系数大于0,小于1)单位负反馈二阶闭环传递函数:
G c ( s ) = c s 2 + b s + c G_c(s)=\frac{c}{s^2+bs+c} Gc(s)=s2+bs+cc
它对应的开环传递函数为:
G o ( s ) = c s 2 + b s G_o(s)=\frac{c}{s^2+bs} Go(s)=s2+bsc
它的开环波特图就是一头栽下去。但对于闭环频率特性,当阻尼系数大于0,小于0.707时,系统有谐振点。为什么闭环频率特性会有先上升后下降的现象呢?当阻尼系数较小时,也就是上式的b较小,在低频段,由于 s = j ω s=j\omega s=jω,s^2 是负值, ω \omega ω的增大会使s^2+bs+c的实部变小,而虚部由bs贡献,而b又很小,弥补不了实部变小的影响,这样整个闭环传递函数的幅值就会变大。而如果b较大,那么即使实部变小,虚部也能补回来。后来频率逐渐升高,实部变为负,闭环频率特性幅值就会逐渐变小,因而出现谐振的现象。
在谐振处的增益就是整个幅值特性的峰值。通过上面的分析,谐振峰值也与阻尼有关。阻尼越小,虚部就越难抵消实部变小的影响,因此谐振峰值也越大。
同时,阻尼越小,超调量也越大。

matlab画频率特性

画波特图:
[mag phase w]=bode(num,den,w)
w表示要计算的频率范围,可省略。
计算稳定裕度:
[gm pm wcg wcp]=margin(mag,phase,w)
gm幅值裕度,pm相角裕度,wcg相位截止频率,wcp增益截止频率。
不要返回值的话可以直接画出波特图,并标出稳定裕度。
奈奎斯特图:
[re im w]=nyquist(num,den,w)

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