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1、2020/8/3,1,第七节 频率特性和时域性能指标的关系,2020/8/3,2,通过频率特性曲线获得稳态性能指标 频率域性能指标 频率域特性指标与时域瞬态指标的关系,主要内容,2020/8/3,3,一、稳态性能指标分析:,在波德图上,低频渐进线的斜率 和 的关系如下:,由 ,可求得 值;也可由 ,求 。,开环放大系数k的求法有两种:,2020/8/3,4,当 时,k也可由 与横轴的交点 来求。,当 时, ,有:,2020/8/3,5,二、频域性能指标,开环频域指标 幅值稳定裕度:-180穿越频率处的负增益 定义在极坐标上: 定义在对数坐标上: 相角稳定裕度:截止频率(幅值穿越频率)处的相位+
2、180,其中:,其中:,2020/8/3,6,闭环频域指标,右图为典型闭环系统的幅频特性。常用的闭环频域指标包括: 零频振幅比M(0):直接反映系统的稳态精度。,M(0)1:当阶跃函数输入系统时,其阶跃响应的稳态值c()等于输入,即系统的稳态误差为0。 M(0)1:表示系统存在稳态误差。M(0)越接近1,系统的稳态精度越高;反之,系统的稳态精度越低。 谐振峰值Mp:Mp值越大,表明系统对频率为 的正弦信号响应越强烈,有谐振的趋势,表明系统的相对稳定性较差,系统的阶跃响应将有较大的超调量。,2020/8/3,7,谐振频率 :Mp对应的频率。从前面闭环系统的分析可知,未必所有的系统都有谐振峰值和谐
3、振频率,所以使用谐振频率不能完善的描述系统的低通特性。 带宽频率 :带宽较宽,表明系统能通过频率较高的输入信号;带宽较窄,说明系统只能通过领率较低的输入情号。因此,通频带较宽的系统,重演输人信号的能力较强;但抑制输入端高频干扰的能力较弱。我们还将进一步讨论带宽与系统的调节时间之间的密切关系。,开环频率特性中频段斜率与系统稳定性的关系,中频段是指系统截止频率附近的频段。 右图为开环为积分环节的单位反馈系统。系统的相角文档裕度分别为90和0,第二个系统是不稳定的。,2020/8/3,8,一般情况下,系统开环对数幅频特性的斜率在整个频率范围内并非是一成不变的,系统相角余量r应由整个对数幅频特性中各段
4、的斜率共同确定。但是,L()在c处曲线的斜率对相角裕度r的影响最大,远离c曲线的斜率对r的影响很小。 当c较低时,相角裕度主要由L()低频段的斜率决定;当c较高时,相角裕度主要由L()高频段的斜率决定;当c低频往高频变化时,相角裕度受L()低频段斜率的影响逐步减小,受L()高频段斜率的影响则逐步增大。,例 分析相角稳定裕度与系统参数的关系。 解绘制系统开环对数频率特性, 使用分段直线近似,如右图。 分段直线的斜率分别为:-40,-20, -40,要使得系统有较大的相角裕度,c 应取在什么位置?,2020/8/3,9,令: 相角裕度为: 由上式可知: 如果c,2不变,r仅随1变化。1增高,r减小
5、;1降低,r增大。 若T1较大,1较低,即离c较远,斜率为-40的低频段对r的影响较小。若T1足够大,低频段影响可忽略,此时:,如果c,1不变,r仅随2变化。2增高,r减小;2降低,r增大。 若T2较大,2较低,即离c较远,斜率为-40的高频段对r的影响较小。若T2足够大,高频段影响可忽略,此时:,如果1,2不变,令2h1,其中h2/1,h可描述L()中频段宽度。 ,2020/8/3,10,通过改变K值,相角裕度随c的变化如右图。 K增大,L()特性上移,c增大,更加靠近2,L()高频段斜率对r的影响大,相角裕度较小;K减小,L()特性下移,c减小,更加靠近1,L()低频段斜率对r的影响大,相
6、角裕度较小;K减小取某个值时,可使r达到极大值。 或:,由上式可知,调节K使处于1与2的几何中心点时,系统具有最大相角裕度: 由上式又知,系统的中频段宽度越宽,通过调节K可能达到的最大相角裕度越大,系统的相对稳定性也就越高。,2020/8/3,11,四、开环频率特性与瞬态性能指标的关系,频域性能指标: 由频宽的定义知: 我们知道一阶惯性环节的调整时间是: 则频宽越大,调整时间越小。,一阶系统:,传递函数为:,二阶系统:,闭环频率特性为:,开环频率特性为:,2020/8/3,12,幅频特性为:,相频特性为:,r与 的关系,2020/8/3,13,绘制r,Mp,%与之间的关系,如右图所示。由图中可
7、见r与是单调增的,于是,r越小,%越大;r越大,%越小。 为了使系统的瞬态过程震荡不太激烈,调节时间比较小,通常取30r60。,r,c与Ts的关系,又,所以,可见,Ts与r和c都有关。如果r给定,那么Ts与c成反比。如果两个二阶系统的r相同,那么它们的%相同,c较大的系统,Ts必然较短。,2020/8/3,14,高阶系统,对于一般的高阶系统,要准确推导出开环频域特征量(r和c)与时域指标(%和Ts)之间的关系是困难的,并且使用起来也不方便。在工程中,常遇到的一种高阶系统是所谓1-2-1-2-3型系统,其传递函数为:,其中a2,b2,c2,d2。此时,系统的中频段宽度较大,这时可以用如下经验公式
8、计算系统的%和Ts:,2020/8/3,15,一般的高阶系统,如果斜率为20db/dec的中频段足够宽时,也可以使用如下公式估计系统的性能指标:,满足: 右图是根据上式绘制的r与和Ts的曲线,可见随着r的增加,和Ts均变小,说明系统的震荡减弱并且速度加快。,2020/8/3,16,五、开环频率特性高频段对系统性能的影响,L()高频段特性由小时间常数的环节构成,则其转折频率均远离截止频率c,所以对系统的动态响应影响不大。但是,从系统抗干扰的角度出发,研究高频段的特性是有实际意义的。对于单位反馈系统,开环频率特性G(j)和闭环频率特性(j)的关系为:,在高频段: 即 由上式:,上式说明,闭环系统的
9、高频段特性近似等于开环频率特性。因此,L()高频段幅值直接反映系统对噪声的抑制能力,高频段分贝值越低,系统对高频信号的衰减越厉害,系统抗噪声能力越强。,2020/8/3,17,六、闭环频域指标与时域指标的关系,用闭环频率特性分析、设计系统,通常以谐振峰值Mp和频带宽度b(或谐振频率p)作为依据。Mp、b与时域指标%、Ts之间存在确定关系,这种关系在二阶系统中是严格的在高阶系统中则是近似的。,二阶系统,闭环频率特性为:,开环频率特性为:,Mp与%的关系,闭环幅频特性为:,2020/8/3,18,绘制上述结果与%、r之间关系,如右图。图中表明:Mp越小,系统的阻尼性能越好。若Mp值较高,则系统的动
10、态过程超调量大,收敛慢,平稳性和快速性都较差。Mp1.21.5时,对应的%:2630,这时的动态过程有适度的振荡,平稳性及快速性均较好。工程中常以 Mp1.3作为系统设计的依据。Mp过大(如Mp2),则闭环系统阶跃响应的超调量可达 40以上。,Mp、b与Ts的关系,2020/8/3,19,同样可以绘制bTs和Mp之间的关系。 由图可见,对于给定的谐振峰值Mp,调节时间Ts与带宽b成反比,频带宽度越宽,则调节时间Ts越短。实际上,如果系统有较宽的通频带,则表明系统自身的“惯性”很小,故动作过程迅速,系统的快速性好。,高阶系统,对于高阶系统,难于找出闭环频率特性的频域指标和时域指标之间的关系。但是
11、,若高阶系统存在着一对共扼复数主导极点时,则可用二阶系统所建立的关系来近似表示。至于一般的高阶系统,常用下列两个经验公式进行分析、估算:,其中:,2020/8/3,20,七、结论,通过以上分析可以看出,系统的开环频率特性反映了闭环系统的性能。对于最小相位系统,开环幅频特性和相频特性之间有确定的关系,系统性能完全可以由开环对数幅频特性L()反映。根据开环特性与系统性能之间的关系,我们所希望得到的开环对数幅频特性应具有如下的性质: 如果要求具有一阶或二阶无差度,则L()特性低频段应具有-20dB/dec或-40dB/dec的斜率。为保证系统的稳态精度,低频段应有较高的分贝值。 L()特性应以-20dB/dec的斜率穿过零分贝线,且具有一定的中频段宽度。这样,系统就有足够的稳定裕度,以保证闭环系统具有较好的平稳性。 L()特性应具有尽可能高的截止频率c,以提高闭环系统的快速性。 L()特性的高频段应有较大的斜率,以增强系统肋抗干扰能力。,2020/8/3,21,小结,频率特性的定义和表示方法 Nyquist稳定性判据及其应用 相对稳定性 开环频率特性与系统性能的关系 闭环频率特性与系统性能的关系 高阶系统的经验分析方法,