自動(dòng)控制原理 課件 5.3 系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性

5.3系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性

常用的系統(tǒng)開環(huán)頻率特性曲線有開環(huán)幅相特性曲線和開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性曲線。5.3.1開環(huán)幅相特性曲線設(shè)典型環(huán)節(jié)的頻率特性為則系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性為系統(tǒng)的開環(huán)幅頻特性和開環(huán)相頻特性為即:系統(tǒng)的開環(huán)幅頻特性為組成系統(tǒng)的各典型環(huán)節(jié)的幅頻特性之積，開環(huán)相頻特性為各典型環(huán)節(jié)的相頻特性之和。當(dāng)頻率

從

變化時(shí)，便可繪制出系統(tǒng)的開環(huán)幅相特性曲線。在控制工程中，只需要繪制概略的開環(huán)幅相特性曲線即可滿足需要。方法如下：（1）將開環(huán)傳遞函數(shù)按典型環(huán)節(jié)進(jìn)行分解，并寫出開環(huán)頻率特性表達(dá)式。系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可分解為開環(huán)頻率特性為（2）確定開環(huán)幅相特性曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)。最小相位系統(tǒng)的起點(diǎn)為起點(diǎn):取決于比例環(huán)節(jié)和系統(tǒng)積分環(huán)節(jié)的個(gè)數(shù)（系統(tǒng)型別）（3）確定開環(huán)幅相特性曲線與實(shí)軸和虛軸的交點(diǎn)。最小相位系統(tǒng)的終點(diǎn)為終點(diǎn):取決于開環(huán)傳遞函數(shù)分子、分母多項(xiàng)式中最小相位環(huán)節(jié)和非最小相位環(huán)節(jié)的階次和與實(shí)軸的交點(diǎn):令或則與實(shí)軸的交點(diǎn)坐標(biāo)值為求出頻率——實(shí)軸穿越頻率與虛軸的交點(diǎn):令或則與虛軸的交點(diǎn)坐標(biāo)值為求出頻率——實(shí)軸穿越頻率（4）分析開環(huán)幅相特性曲線的變化范圍（象限、單調(diào)性等）。解：例5-7設(shè)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)如下列各式，試分別繪制系統(tǒng)的概略開環(huán)幅相特性曲線。（1）（2）（1）①系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性為②由系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可知

，起點(diǎn)為③與實(shí)軸的交點(diǎn)終點(diǎn)為解得

，即系統(tǒng)的開環(huán)幅相特性曲線除起點(diǎn)外與實(shí)軸無(wú)交點(diǎn)。與虛軸的交點(diǎn)解得

，即與虛軸的交點(diǎn)坐標(biāo)值為④在

從

變化時(shí)，

的實(shí)部可正可負(fù)而虛部小于0，故開環(huán)幅相特性曲線的變化范圍為第Ⅳ和第Ⅲ象限。綜上，可繪出系統(tǒng)概略開環(huán)幅相特性曲線如圖所示。（2）①系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性為②由系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可知

，起點(diǎn)為終點(diǎn)為③在

從

變化時(shí)，開環(huán)幅相特性曲線與實(shí)軸和虛軸均無(wú)交點(diǎn)。綜上，可繪出系統(tǒng)概略開環(huán)幅相特性曲線如圖所示。④在

從

變化時(shí)，若

，的實(shí)部和虛部都小于0，開環(huán)幅相特性曲線的變化范圍在第Ⅲ象限；若

，

的實(shí)部大于0而虛部小于0，開環(huán)幅相特性曲線的變化范圍在第Ⅳ象限。5.3.2開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性曲線系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性和開環(huán)對(duì)數(shù)相頻特性為即:開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性為組成系統(tǒng)的各典型環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)幅頻特性之和，開環(huán)對(duì)數(shù)相頻特性為各典型環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)相頻特性之和。據(jù)此，可先繪制各典型環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)頻率特性曲線，然后將它們疊加即可方便地繪制出系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性曲線。1.開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性曲線的繪制實(shí)際上，系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻漸進(jìn)特性曲線在控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)中具有十分重要的作用方法如下：（1）將開環(huán)傳遞函數(shù)寫成時(shí)間常數(shù)形式表達(dá)式，確定其由哪些典型環(huán)節(jié)串聯(lián)組成。（2）確定系統(tǒng)的開環(huán)增益

、積分環(huán)節(jié)的個(gè)數(shù)（系統(tǒng)型別）

、一階環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率

和二階環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率

，并將各轉(zhuǎn)折頻率從小到大標(biāo)注在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系的橫軸上。（3）繪制低頻段（小于最小轉(zhuǎn)折頻率

的頻率范圍）漸近特性曲線。當(dāng)

時(shí)，一階環(huán)節(jié)和二階環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)幅頻漸進(jìn)特性曲線與

線重合，所以低頻段內(nèi)的系統(tǒng)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻漸進(jìn)特性曲線僅由

決定，即滿足方程這是一條斜率為

且過(guò)

或

點(diǎn)的直線。（4）繪制頻段的漸進(jìn)特性曲線。當(dāng)時(shí)，每遇到一個(gè)轉(zhuǎn)折頻率，根據(jù)該轉(zhuǎn)折頻率對(duì)應(yīng)的典型環(huán)節(jié)的種類，系統(tǒng)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻漸進(jìn)特性曲線的斜率做相應(yīng)的改變。改變規(guī)律為：慣性環(huán)節(jié)斜率減小，一階微分環(huán)節(jié)斜率增大，振蕩環(huán)節(jié)斜率減小，二階微分環(huán)節(jié)斜率增大。（5）若需要得到較為準(zhǔn)確的對(duì)數(shù)幅頻特性曲線，可以根據(jù)5.2節(jié)給出的典型環(huán)節(jié)的誤差曲線，在相應(yīng)轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)處對(duì)分段折線進(jìn)行修正。解：例5-8已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為（1）系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的時(shí)間常數(shù)形式表達(dá)式為試?yán)L制系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻漸進(jìn)特性曲線。（2）系統(tǒng)的開環(huán)增益

，

，在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系的橫軸上順序標(biāo)出轉(zhuǎn)折頻率：

一階微分環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)折頻率：

慣性環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)折頻率：

振蕩環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)折頻率：

即一條斜率為

且過(guò)

點(diǎn)的直線。（3）繪制

的漸進(jìn)特性曲線。低頻段滿足方程綜上，可繪出系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻漸進(jìn)特性曲線如圖所示。（4）繪制

頻段的漸進(jìn)特性曲線。①當(dāng)

時(shí)，由于一階微分環(huán)節(jié)的作用，漸進(jìn)線斜率增大

，即由

變化到

；②當(dāng)

時(shí)，由于慣性環(huán)節(jié)的作用，漸進(jìn)線斜率減小

，即由

變化到

；③當(dāng)

時(shí)，由于振蕩環(huán)節(jié)的作用，漸進(jìn)線斜率減小

，即由

變化到

；（5）若有必要，對(duì)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻漸進(jìn)特性曲線進(jìn)行修正。系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)相頻特性曲線的繪制，一般有兩種方法。一種是分別繪出各典型環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)相頻特性曲線，然后逐點(diǎn)疊加并連接成光滑曲線，便得到系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)相頻特性曲線；另一種是寫出開環(huán)對(duì)數(shù)相頻特性

的表達(dá)式，通過(guò)描點(diǎn)法繪出開環(huán)對(duì)數(shù)相頻特性曲線。解：例5-9試?yán)L出例5-8系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)相頻特性曲線。系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)相頻特性為

當(dāng)

從

變化時(shí)，通過(guò)描點(diǎn)法可繪出開環(huán)對(duì)數(shù)相頻特性曲線如圖所示。2.由開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性曲線確定系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)方法如下：（2）確定開環(huán)傳遞函數(shù)的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)轉(zhuǎn)折頻率前后直線的斜率，確定該轉(zhuǎn)折頻率所對(duì)應(yīng)的典型環(huán)節(jié)的類型，從而寫出包含待定參數(shù)的開環(huán)傳遞函數(shù)表達(dá)式。（3）由給定條件確定傳遞函數(shù)中的待定參數(shù)。（1）確定系統(tǒng)積分環(huán)節(jié)的個(gè)數(shù)（系統(tǒng)型別）

和開環(huán)增益

。由低頻漸近線的斜率為

且過(guò)

或

點(diǎn)，可以確定

和

。例5-10已知某最小相位系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻漸進(jìn)特性曲線如圖所示，試確定系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)。解：（1）確定系統(tǒng)積分環(huán)節(jié)的個(gè)數(shù)（系統(tǒng)型別）

和開環(huán)增益

。因?yàn)殚_環(huán)對(duì)數(shù)幅頻漸進(jìn)特性曲線的低頻漸近線的斜率為

，故

；又因?yàn)榈皖l漸近線的延長(zhǎng)線過(guò)

點(diǎn)，所以

，故

。（2）確定開環(huán)傳遞函數(shù)的結(jié)構(gòu)形式。①

處，漸進(jìn)線斜率由

變化到

，增大

，所以對(duì)應(yīng)一階微分環(huán)節(jié)

②

處，漸進(jìn)線斜率由

變化到

，減小

，所以對(duì)應(yīng)慣性環(huán)節(jié)

因此，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)形式為（3）由給定條件確定傳遞函數(shù)中的待定參數(shù)。由解得由解得則系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為5.3.3MATLAB實(shí)現(xiàn)求取并繪制系統(tǒng)的幅相頻率特性曲線可以用MATLAB提供的nyquist()函數(shù)實(shí)現(xiàn)，其調(diào)用格式如下。nyquist(sys)%繪制系統(tǒng)在默認(rèn)頻率范圍內(nèi)的奈奎斯特圖，sys是由函數(shù)tf()、zpk()或ss()建立的系統(tǒng)模型。nyquist(sys,w)%繪制系統(tǒng)在向量w所定義的頻率范圍內(nèi)的奈奎斯特圖。nyquist(sys1,sys2,...)%在同一個(gè)繪圖窗口中繪制多個(gè)系統(tǒng)的奈奎斯特圖。[re,im,w]=nyquist(sys)%該調(diào)用格式不繪制系統(tǒng)的奈奎斯特圖，而是返回系統(tǒng)奈奎斯特圖相應(yīng)的實(shí)部、虛部和頻率向量。[re,im]=nyquist(sys,w)%該調(diào)用格式不繪制系統(tǒng)的奈奎斯特圖，而是返回系統(tǒng)奈奎斯特圖在向量所定義頻率范圍內(nèi)的實(shí)部、虛部。1.系統(tǒng)開環(huán)幅相特性曲線的MATLAB實(shí)現(xiàn)解：MATLAB程序如下。例5-11已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為clc;clear;k=10;T=[2,8];tao=5;forj=1:length(T)num=[k*tao,k];利用MATLAB繪制

、

、

時(shí)系統(tǒng)的開環(huán)幅相特性曲線。den=[T(j),1,0];sys=tf(num,den);nyquist(sys);holdon;endgtext('T<tao');gtext('T>tao');運(yùn)行結(jié)果如圖所示。解：MATLAB程序如下。例5-12利用MATLAB繪制例5-8系統(tǒng)的開環(huán)幅相特性曲線。clc;clear;num=[20000,20000];den=conv([1,0],conv([1,5],[1,10,400]));sys=tf(num,den);nyquist(sys);axis([-6,8,-30,30]);運(yùn)行結(jié)果如圖所示。求取并繪制系統(tǒng)的對(duì)數(shù)頻率特性曲線可以用MATLAB提供的bode()函數(shù)實(shí)現(xiàn)，其調(diào)用格式如下。bode(sys)%繪制系統(tǒng)在默認(rèn)頻率范圍內(nèi)的伯德圖，sys是由函數(shù)tf()、zpk()或ss()建立的系統(tǒng)模型。bode(sys,w)%繪制系統(tǒng)在向量w所定義的頻率范圍內(nèi)的伯德圖。bode(sys1,sys2,...)%在同一個(gè)繪圖窗口中繪制多個(gè)系統(tǒng)的伯德圖。[mag,phase,w]=bode(sys)%該調(diào)用格式不繪制系統(tǒng)的伯德圖，而是返回系統(tǒng)伯德圖相應(yīng)的幅值、相位和頻率向量，可用magdB=20*log10(mag)將幅值轉(zhuǎn)換為分貝值。[mag,phase]=bode(sys,w)%該調(diào)用格式不繪制系統(tǒng)的伯德圖，而是返回系統(tǒng)伯德圖在向量w所定義頻率范圍內(nèi)的幅值、相位和頻率向量，可用magdB=20*log10(mag)將幅值轉(zhuǎn)換為分貝值。bodeasym(sys)%繪制單個(gè)系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻漸進(jìn)特性曲線。2.系統(tǒng)開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性曲線的MATLAB實(shí)現(xiàn)解：MATLAB程序如下。clc;clear;%K分別取10,100,1000k=[10,100,1000];fori=1:length(k)num=[10*k(i),k(i)];den=conv([1,0],conv([1,1],[0.01,