第6章 控制系统的频域分析与设计65 奈氏图分析PPT课件
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控制工程基础课件第六章 频率特性分析

G
j
arctan
1
n 2
n2
当=0时,G j 1,G j 0;
当=n时,G j 2,G j 90; 当=时,G j ,G j 180。
二阶微分环节的极坐标图也于阻尼比有关,对应不同的 ξ值,形成一簇坐标曲线,不论ξ值如何,当ω=0时,极 坐标曲线从(1,0)点开始,在ω=∞时指向无穷远处。
第6章 频率特性分析
本章介绍线性系统的频域分析方法。该方法是通 过控制系统对正弦函数的稳态响应来分析系统性能的。
频率特性不仅能反映系统的稳态性能,也可用来 研究系统的稳定性和动态性能。
6.2 频率响应与频率特性
一、频率特性的概念
1、频率响应:是系统对正弦输入的稳态响应。
2、频率特性:给线性系统输入某一频率的正弦波,
1 1 jT
G j 1 U jV
1 jT
1
1 T 22
j T 1 T 22
A e j
实频特性为U 虚频特性为V
1; 1+T 2 2
T。 1+T 2 2
幅频特性为A 1 ;
1 T 22
相频特性为 G j arctanT
特殊点:
当=0时,G j 1,G j 0; 当=1/T时,G j 1 ,G j 45;
取拉氏变换为: Xi s
A
s2
2
电路的输出为: X0 s G s Xi s 上式取拉氏反变换并整理得
1A Ts 1 s2 2
x0 t
AT 1 T2
e t/T
2
A sin t arctan T
1 T2 2
x0 t
AT 1 T2
e t/T
2
A sin t arctan T
自动控制原理课件:线性系统的频域分析

曲线顺时针方向移动一周时,在 平面上的映射曲线按逆时针方向
包围坐标原点 − 周。
m
F (s)
K1 ( s z j )
j 1
n
i 1
( s pi )
24
• 02
基本概念
m
1 G ( s) H ( s) F ( s)
K1 ( s z j )
j 1
在 平面上的映射曲线 F 1 G ( j ) H ( j )将按逆时针方向
围绕坐标原点旋转 = − 周。
如果在s平面上,s沿着奈奎斯特回线顺时针方向移动一周时,
在 平面上的映射曲线围绕坐标原点按逆时针方向旋转 =
周,则系统为稳定的。
26
根据
( 1, j 0)
L( ) 20 lg K 20 lg 1 12 2 20 lg 1 22 2
( ) arctg 1 arctg 2
τ2
20dB / dec 1
2
L3 ( )
L2 ( )
40dB / dec
( )
0
L( )
90
A( ) 1, ( )
L ( ) 20 lg A( ) 0
L( )
jQ( )
L( ) 0
0
( )
1
0
1
P( )
1
0
30
60
16
5.3
系统开环频率特性图
设开环系统由n个典型环节串联组成
G(s ) G 1(s )G 2(s ) G n(s )
这意味着 的映射曲线 F 围绕原点运动的情况,相当于
包围坐标原点 − 周。
m
F (s)
K1 ( s z j )
j 1
n
i 1
( s pi )
24
• 02
基本概念
m
1 G ( s) H ( s) F ( s)
K1 ( s z j )
j 1
在 平面上的映射曲线 F 1 G ( j ) H ( j )将按逆时针方向
围绕坐标原点旋转 = − 周。
如果在s平面上,s沿着奈奎斯特回线顺时针方向移动一周时,
在 平面上的映射曲线围绕坐标原点按逆时针方向旋转 =
周,则系统为稳定的。
26
根据
( 1, j 0)
L( ) 20 lg K 20 lg 1 12 2 20 lg 1 22 2
( ) arctg 1 arctg 2
τ2
20dB / dec 1
2
L3 ( )
L2 ( )
40dB / dec
( )
0
L( )
90
A( ) 1, ( )
L ( ) 20 lg A( ) 0
L( )
jQ( )
L( ) 0
0
( )
1
0
1
P( )
1
0
30
60
16
5.3
系统开环频率特性图
设开环系统由n个典型环节串联组成
G(s ) G 1(s )G 2(s ) G n(s )
这意味着 的映射曲线 F 围绕原点运动的情况,相当于
自动控制理论 线性系统的频域分析法

A() P2 () Q2 ()
() tg 1 Q() P( )
线性系统的频域分析法>>线性系统的频域特性
频率特性与传递函数的关系为:
G( j ) G(s) |s j
由于这种简单关系的存在,频率响应法和利用传递函数的时域 法在数学上是等价的。
[结论]:当传递函数中的复变量s用 j代替时,传递函数就转变
第六章 线性系统的频域分析法
1 线性系统的频率特性及图示 2 开环系统的典型环节 3 频率域稳定判据 4 稳定裕度 5 闭环系统的频域特性
线性系统的频域分析法>>线性系统的频域特性
6.1 频率特性的基本概念
考察一个系统的好坏,通常用阶跃输入下系统的阶跃响应 来分析系统的动态性能和稳态性能。
有时也用正弦波输入时系统的响应来分析,但这种响应并 不是单看某一个频率正弦波输入时的瞬态响应,而是考察频率 由低到高无数个正弦波输入下所对应的每个输出的稳态响应。 因此,这种响应也叫频率响应。
N (s)
Rm
(s p1)(s p2 )...(s pn ) (s p1)(s p2 )...(s pn ) (s j )(s j )
k1 k2 ... kn kc1 kc2
s p1 s p2
s pn s j s j
拉氏反变换为:
c(t) k1e p1t k2e p2t ... kne pnt kc1e jt kc2e jt
频率响应法的优点之二在于它可以用图来表示,这在控制 系统的分析和设计中有非常重要的作用。
由实验方法求频率特性
正弦信号 发生器
实验装置 (系统或元件)
双踪 示波器
图 求频率特性的实验方法
系统的幅频特性: | G( j) | Y
() tg 1 Q() P( )
线性系统的频域分析法>>线性系统的频域特性
频率特性与传递函数的关系为:
G( j ) G(s) |s j
由于这种简单关系的存在,频率响应法和利用传递函数的时域 法在数学上是等价的。
[结论]:当传递函数中的复变量s用 j代替时,传递函数就转变
第六章 线性系统的频域分析法
1 线性系统的频率特性及图示 2 开环系统的典型环节 3 频率域稳定判据 4 稳定裕度 5 闭环系统的频域特性
线性系统的频域分析法>>线性系统的频域特性
6.1 频率特性的基本概念
考察一个系统的好坏,通常用阶跃输入下系统的阶跃响应 来分析系统的动态性能和稳态性能。
有时也用正弦波输入时系统的响应来分析,但这种响应并 不是单看某一个频率正弦波输入时的瞬态响应,而是考察频率 由低到高无数个正弦波输入下所对应的每个输出的稳态响应。 因此,这种响应也叫频率响应。
N (s)
Rm
(s p1)(s p2 )...(s pn ) (s p1)(s p2 )...(s pn ) (s j )(s j )
k1 k2 ... kn kc1 kc2
s p1 s p2
s pn s j s j
拉氏反变换为:
c(t) k1e p1t k2e p2t ... kne pnt kc1e jt kc2e jt
频率响应法的优点之二在于它可以用图来表示,这在控制 系统的分析和设计中有非常重要的作用。
由实验方法求频率特性
正弦信号 发生器
实验装置 (系统或元件)
双踪 示波器
图 求频率特性的实验方法
系统的幅频特性: | G( j) | Y
系统的频域分析方法ppt课件

此法与§1.8的算子电路法相似,利用频域电路简化运算。
动态元件时域与频域电压电流关系表示为
vL t
L
d dt
iL
t
VL
jL IL
vC
t
1 C
t
iC பைடு நூலகம் d
VC
1 jC
IC
上两式中 jL 为频域的感抗值,是电感的频域表示; 1 为频域的容抗值,是电容的频域表示;两个等式
jC
将(1)式代入(2)式
15
Y j
1/ jC
F j
R jL 1/ jC
得系统频响函数
H j
Y j F j
R
1/ jC jL 1/
jC
j2
LC
1
jRC
1
16
2、系统的频域分析 由卷积定理我们可以得到频域分析法的基本方框图表示,
如图2-29所示。
f t
F j
h t
H j
yzs t f t ht
Y j F jH j
例 2-16
已知系统函数
H j
j 3
j 1 j 2
,激励
f t e3tut 。求响应。
17
例 2-16
已知系统函数
H j
j 3
j 1 j 2
,激励
f t e3tut 。求响应。
解
yt Y j F jH j
Y
j
j
1
1
控制系统频域分析

c •
K g 0 系统不稳定
在Bode图上可测取相角裕度和幅值裕度
L() dB
1
kg
20 lg h
20 lg
| Gk ( jg ) |
0dB
c
kg rad / s
20 lg | Gk ( jg ) |
F( )
00
-1800
g
rad / s
MATLAB中用来求系统幅值裕度和相位裕度的函数为 margin( ),它的调用格式有以下几种:
1
| Gk ( jg ) |
例:已知系统开环传递函数为:
Gk
s
ss
5
10.1s
1
试绘制系统Bode图并求系统相角裕量和幅值裕量。
num=[5]; den=conv (conv ([1 0],[1 1]), [0.1 1]); sys=tf (num, den); margin (sys) [Gm,Pm,Wg,Wc]=margin (sys)
系统的频域性能指标为:
Gm =2.2000;Pm =13.5709;Wg =3.1623;Wc = 2.1020
即:系统的剪切频率ωc=2.1020rad/s;相位裕度 =13.5709°,
相位穿越频率ωg=3.1623rad/s; 幅值裕量kg=20*log10(2.2)=6.8485dB。
一、极坐标图(Nyquist图) 当ω:0→∞变化时,G(jω)的端点在复平面上的运动轨迹。
注意:极坐标图中ω是隐含变量。在作图时要注明ω= 0, 和ω→∞的位置及运动轨迹的方向。
MATLAB中用来绘制连续系统极坐标图的指令为 nyquist( ),其调用格式为:
nyquist (sys)——sys为由tf、zpk建立起来的控制系统数 学模型。此时绘制出来的极坐标图的默认角频率w是从 -∞~ +∞。这点与自动控制原理略有不同。
控制系统的频域分析29页PPT

42、只有在人群中间,才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话,只需要教育; 而要挑战别人所说的话,则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是:在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
控制系统的频域分析
51、山气日夕佳,飞鸟相与还。 52、木欣欣以向荣,泉涓涓而始流。
53、富贵非吾愿,帝乡不可期。 54、雄发指危冠,猛气冲长缨。 55、土地平旷,屋舍俨然,有良田美 池桑竹 之属, 阡陌交 通,鸡 犬相闻 。
41、学问是异常珍贵的东西,从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
43、重复别人所说的话,只需要教育; 而要挑战别人所说的话,则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是:在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
控制系统的频域分析
51、山气日夕佳,飞鸟相与还。 52、木欣欣以向荣,泉涓涓而始流。
53、富贵非吾愿,帝乡不可期。 54、雄发指危冠,猛气冲长缨。 55、土地平旷,屋舍俨然,有良田美 池桑竹 之属, 阡陌交 通,鸡 犬相闻 。
41、学问是异常珍贵的东西,从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
控制系统频域课件-奈氏判据

第4章
控制系统频域分析法
1
第4章 频域分析法
基本要求
4-1 频率特性 4-2 典型环节的频率特性 4-3 系统的开环频率特性 4-4 频率稳定判据 4-5 系统闭环频率特性与阶跃响应的关系 4-6 开环频率特性与系统阶跃响应的关系
2
系统的开环频率特性-Nyquist图
一、开环幅相特性曲线 设系统开环传递函数由若干典型环节串联
对数图上 ( ) 180 时的 L ( g )
K g ( dB ) 0 系统稳定(对最小相位系统)
180 G ( j c ) H ( j c )
25
相稳定裕度和模稳定裕度
26
一般要求
pm 4 0
h 2
2 0 lo g h 6 d B
6
(3)当
G s K s Ts 1
时,
开环传递函数有 积分环节时,频 率趋于零时,幅 值趋于无穷大。
含有积分环节时的开环 幅相特性曲线
7
2.系统开环幅相的特点
①
当频率 ω → 0 时,其开环幅相特性完 全由比例环节和积分环节决定。 当频率ω→∞ 时,若n>m,G(j ω)|=0 相角为(m-n)π/2。 若G(s) 中分子含有s因子环节,其G(jω) 曲线随 ω变化时发生弯曲。 G(jω) 曲线与负实轴的交点,是一个关 键点。 8
幅相曲线(a)及对应的对数频率特性曲线(b)
17
系统闭环稳定的条件是:
在开环对数幅频 2 0 lg G ( j ) 0 的频段内,对应的开 环对数相频特性曲线对 线的正、负穿越次数之 差为 P / 2 。即
N N P / 2
控制系统频域分析法
1
第4章 频域分析法
基本要求
4-1 频率特性 4-2 典型环节的频率特性 4-3 系统的开环频率特性 4-4 频率稳定判据 4-5 系统闭环频率特性与阶跃响应的关系 4-6 开环频率特性与系统阶跃响应的关系
2
系统的开环频率特性-Nyquist图
一、开环幅相特性曲线 设系统开环传递函数由若干典型环节串联
对数图上 ( ) 180 时的 L ( g )
K g ( dB ) 0 系统稳定(对最小相位系统)
180 G ( j c ) H ( j c )
25
相稳定裕度和模稳定裕度
26
一般要求
pm 4 0
h 2
2 0 lo g h 6 d B
6
(3)当
G s K s Ts 1
时,
开环传递函数有 积分环节时,频 率趋于零时,幅 值趋于无穷大。
含有积分环节时的开环 幅相特性曲线
7
2.系统开环幅相的特点
①
当频率 ω → 0 时,其开环幅相特性完 全由比例环节和积分环节决定。 当频率ω→∞ 时,若n>m,G(j ω)|=0 相角为(m-n)π/2。 若G(s) 中分子含有s因子环节,其G(jω) 曲线随 ω变化时发生弯曲。 G(jω) 曲线与负实轴的交点,是一个关 键点。 8
幅相曲线(a)及对应的对数频率特性曲线(b)
17
系统闭环稳定的条件是:
在开环对数幅频 2 0 lg G ( j ) 0 的频段内,对应的开 环对数相频特性曲线对 线的正、负穿越次数之 差为 P / 2 。即
N N P / 2
控制系统的频域分析与设计65奈氏图分析

的次数N等于位于右半平面上开环极点数P。则闭 环系统稳定,否则闭环系统不稳定。 约束条件:在原点和虚轴上无零极点。奈氏轨迹不 能穿过零极点。 讨论:当奈氏曲线通过,j0点,则表示闭环系统 临界稳定,也归为不稳定。
第9页/共79页
应用奈氏稳定性判据一的步骤:
绘G( j)H ( j) 的奈氏图,可先绘 :一段,
=0
-1
=-
=+
第11页/共79页
三. 奈氏稳定性判据二
若增补奈氏曲线 G( j)H ( j)当:逆时针
包围, j0点的次数N等于位于右半平面上开环极点 数P。则闭环系统稳定,否则闭环系统不稳定。
所谓增补就是使奈氏轨迹绕开位于原点和虚轴上 的开环零极点。
增补奈氏轨迹:
第12页/共79页
增补奈氏轨迹映射出的奈氏轨迹分析:
解:作奈氏曲线考虑增补
当:顺时针 包围,j0点2次, N=2 P=0 Z=2 不稳定
=- =
• (-1,j0)
=
第16页/共79页
GH平面
例:G(s)H (s) (s 0.2)(s 0.3) s2 (s 0.1)(s 1)(s 2)
试判定闭环系统稳定性
解:作增补奈氏曲线
N=0,不包围, j0点
PiII,i P 1, ,n ZiII,i Z 1, ,m
对于任一点s有F平面映射
Z
m
K
(s
Z
I i
)
(sΒιβλιοθήκη ZII i)
F(s)
i 1 P
iZ 1 n
(s PiI ) (s PiII )
i 1
i P 1
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Z
m
F(s)
(s
第9页/共79页
应用奈氏稳定性判据一的步骤:
绘G( j)H ( j) 的奈氏图,可先绘 :一段,
=0
-1
=-
=+
第11页/共79页
三. 奈氏稳定性判据二
若增补奈氏曲线 G( j)H ( j)当:逆时针
包围, j0点的次数N等于位于右半平面上开环极点 数P。则闭环系统稳定,否则闭环系统不稳定。
所谓增补就是使奈氏轨迹绕开位于原点和虚轴上 的开环零极点。
增补奈氏轨迹:
第12页/共79页
增补奈氏轨迹映射出的奈氏轨迹分析:
解:作奈氏曲线考虑增补
当:顺时针 包围,j0点2次, N=2 P=0 Z=2 不稳定
=- =
• (-1,j0)
=
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GH平面
例:G(s)H (s) (s 0.2)(s 0.3) s2 (s 0.1)(s 1)(s 2)
试判定闭环系统稳定性
解:作增补奈氏曲线
N=0,不包围, j0点
PiII,i P 1, ,n ZiII,i Z 1, ,m
对于任一点s有F平面映射
Z
m
K
(s
Z
I i
)
(sΒιβλιοθήκη ZII i)
F(s)
i 1 P
iZ 1 n
(s PiI ) (s PiII )
i 1
i P 1
第4页/共79页
Z
m
F(s)
(s
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P i I , I i P 1 , , n Z i I , I i Z 1 , , m
对于任一点s有F平面映射
Z
m
K (sZiI ) (sZiII)
F(s)
i1 P
iZ1 n
(sPiI ) (sPiII)
i1
iP1
Z
m
F(s) (sZiI) (sZiII)
i1
iZ1
:上半虚轴映射为 :下半虚轴映射为
右半圈映射为,,因为当 nm
F (s) 1 G (s)H (s) 1 s
回忆幅角原理 N=PZ,F的零点即闭环极点。
若要稳定,闭环极点应不在s右半平面。若以奈氏轨 迹为封闭曲线C,则它所包围的s右半平面零点数Z=0, 才有系统稳定,据幅角原理有Z=PN=0 (N为奈氏曲线 包围坐标原点的次数, P为奈氏轨迹包围的开环极点数)
P
n
(sPiI) (sPiII)
当变点s沿Ci1顺时针移动一i圈P1,则有
Z
m
F (s)
(
s
Z
I i
)
(s
Z
II i
)
i 1
iZ 1
P
n
(s PiI ) (s PiII )
i 1
i P1
Z (360 ) 0 P(360 ) 0
(360 )(Z P) 这表明F(s)端点沿C‘逆时针
若考虑G(j)H(j)平面,则相当于F( j)曲线左
移一个单位的奈氏图,即开环幅相频率特性,原F平面 原点对应于GH平面, j0点
G (j )H (j ) F (j ) 1
若要系统稳定,则Z=PN=0,N为GH 映射曲线绕 ,j0点次数
二. 奈氏稳定性判据一
若奈氏曲线 G(j)H(j)逆时针包围, j0点
-1
统计: N Ni Ni
例:G (s)H (s)s2((ss 0 0 .1 .2 ))s(s ( 1)0.s3 ( )2)
可见增补奈氏轨迹映射为半径的圆曲线变 点相角变化从M90 M90 如 M=1,
-M:90090
M=2时, -M:180 0 180
一型系统的奈氏曲线
二型系统的奈氏曲线
(-M:900 -90) (-M:1800 -180)
=-
=
= =
= GH平面
=- GH平面
例:设开环传函 G(s)H(s) 10 s(s1)s(2)
试用奈氏判据判定系统稳定性
解:作奈氏曲线考虑增补
当:顺时针 包围,j0点2次, N=2 P=0 Z=2 不稳定
=- =
• (-1,j0)
= GH平面
例:G (s)H (s)s2((ss 0 0 .1 .2 ))s(s ( 1)0.s3 ( )2)
试判定闭环系统稳定性
解:作增补奈氏曲线
N=0,不包围, j0点
环传函极点,若要闭环稳定,则Fs的全部零
点必须位于s左半平面。
2. 幅角原理 奈氏判据的理论基础是复变函数的幅角原理。应
用幅角原理可导出奈氏判据的重要公式:
NPZ
式中 Z——s平面上被封闭曲线C包围的Fs的零点数 P——s平面上被封闭曲线C包围的Fs的极点数 N ——F平面中封闭曲线C’包围原点的次数
例:G (s)H (s) K (T as1) (T 1s1)T (2s1)T (3s1)
解:作奈氏轨迹如下图示:
N=1, P=1 有Z=NP=0 故系统稳定
-1
=-
=0
=+
三. 奈氏稳定性判据二
若增补奈氏曲线 G(j)H(j)当:逆时针
包围, j0点的次数N等于位于右半平面上开环极点数 P。则闭环系统稳定,否则闭环系统不稳定。
的次数N等于位于右半平面上开环极点数P。则闭 环系统稳定,否则闭环系统不稳定。
约束条件:在原点和虚轴上无零极点。奈氏轨迹不 能穿过零极点。
讨论:当奈氏曲线通过,j0点,则表示闭环系统 临界稳定,也归为不稳定。
应用奈氏稳定性判据一的步骤:
绘G(j)H(j) 的奈氏图,可先绘 :一段,
再以实轴对称的方法添上:的一段; 计算奈氏曲线包围,j0点的次数N 由给定的Gss确定右半平面上开环极点数 P 计算 PN ,若 PN =0 则闭环稳定
2
1. 特征函数的零点和极点
特征函数—— F (s) 1 G (s)H (s)
对应的闭环系统
C(s) G(s) R(s) 1G(s)H(s)
F(s)0 即为闭环系统的特征方程。 n
若 GH B(s) A(s)
则 F(s)1B A((ss))Kni1(s(spzi)i)
推论: Fs的极点是开环传函极点;iF1s的零点是闭
360 (P Z ) 包围原点的次数为P-Z=N。
3. 奈氏轨迹及其映射
若选取适当的封闭曲将s平面右半平面包围起来,
则变点s顺时针方向沿虚轴和半径为的右半圈绕一周
形成的封闭曲线称为Nyquist轨迹 ,简称奈氏轨迹。
j
jI()
=±
•
=0 R()
S平面的奈氏轨迹
F(j)平面的奈氏曲线
奈氏轨迹在平面的映射也为一个封闭曲线, 称为 奈氏曲线, 例如
第五节 控制系统的奈氏图分析
一.奈氏判据的基本原理
奈氏判据——频域分析中最重要的稳定性判据。叙述 见后两节。 先讨论三个重要概念:
1. 特征函数的零点和极点 2. 幅角原理 3. 奈氏轨迹及其映射
第一部分
整体概述
THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW, PLEASE SUMMARIZE THE CONTENT
j
C
s
(s+ZiII)
-ZiII -PiII
(s+ZiI)
-PiI -ZiI
s平面
jIm C’
F(s)
Re
F平面
证:设封闭曲线C不通过s平面上任一零极点,且包围
Z个零点P个极点,记为
P i I , i 1 , 2 , , P Z i I , i 1 , 2 , , Z
未被包围的零极点记为
=
P=0,Z=N-P=0
闭环稳定
=-
= • (-1,j0)
GH平面
补充:实用奈氏判据
若开环系统有q个 极点位于s右半平面,则当 :0时,穿越[段的次数N q ,则闭环稳
2 定,否则不稳定。(化数包围圈数为穿越次数)
穿越次数的计算按下定义:
半穿越
正穿越 负穿越
记法:
Ni
1 2
Ni
1 2
Ni 1 Ni 1
所谓增补就是使奈氏轨迹绕开位于原点和虚轴上 的开环零极点。
增补奈氏轨迹:
增补奈氏轨迹映射出的奈氏轨迹分析:
m
K(is 1)
G(s)H(s)
i1 nM
sM (Tis 1)
i1
当 se j (: 9 0 0 9)0
m
K (01)
G(s)H(s)MejM i 1nM(01)MK ejM ejM i1