系統(tǒng)開環(huán)頻率特性分析.ppt

系統(tǒng)開環(huán)頻率特性分析,系統(tǒng)開環(huán)Bode圖的繪制系統(tǒng)開環(huán)Nyquist圖的繪制Nyquist穩(wěn)定判據(jù)對(duì)數(shù)穩(wěn)定判據(jù)穩(wěn)定裕量開環(huán)頻率特性分析,系統(tǒng)開環(huán)Bode圖的繪制,概述,大多數(shù)情況下，開環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)表示成若干典型環(huán)節(jié)的串聯(lián)形式；,概述,幅頻特性組成系統(tǒng)的各典型環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)幅頻特性之代數(shù)和,相頻特性組成系統(tǒng)的各典型環(huán)節(jié)的相頻特性之代數(shù)和。,系統(tǒng)開環(huán)Bode圖的繪制,繪制過程舉例,例1：已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：,解：系統(tǒng)可等效為,試?yán)L制系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性曲線（Bode圖）。,系統(tǒng)開環(huán)Bode圖的繪制,繪制過程舉例,系統(tǒng)開環(huán)Bode圖的繪制,繪制過程舉例,n3=10,dB,0dB,20dB,-40dB,-20dB,-40dB/dec,-20dB/dec,1,20lgK,10,100,0.1,-20dB/dec,-20dB/dec,C,40dB,系統(tǒng)開環(huán)Bode圖的繪制,例題分析2,系統(tǒng)開環(huán)Bode圖的繪制,繪制過程,dB,0dB,20dB,-40dB,-20dB,10,100,0.1,-20dB/dec,40dB,2,-60dB/dec,系統(tǒng)開環(huán)Bode圖的繪制,繪制過程舉例,0o,-90o,-180o,100,0.1,-270o,90o,1,系統(tǒng)開環(huán)Bode圖的繪制,繪制過程舉例,dB,0dB,20dB,-40dB,-20dB,10,100,0.1,1,-20dB/dec,40dB,2,0.5,-60dB/dec,20lgK,系統(tǒng)開環(huán)Bode圖的繪制,繪制曲線總結(jié),最低頻段的斜率取決于積分環(huán)節(jié)的數(shù)目v，斜率為-20vdB/dec；,最低頻段的對(duì)數(shù)幅頻特性可近似為L()=20lgK-20vlg,當(dāng)1rad/s時(shí)，L()=20lgK；,如果各環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)幅頻特性用漸近線表示則對(duì)數(shù)幅頻特性為一系列折線，折線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為各環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率；,對(duì)數(shù)幅頻特性的漸近線每經(jīng)過一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)其斜率相應(yīng)發(fā)生變化,斜率變化量由當(dāng)前轉(zhuǎn)折頻率對(duì)應(yīng)的環(huán)節(jié)決定.,慣性環(huán)節(jié):-20dB/dec；振蕩環(huán)節(jié):-40dB/dec；一階微分環(huán)節(jié):+20dB/dec；二階微分環(huán)節(jié):+40dB/dec。,系統(tǒng)開環(huán)Bode圖的繪制,單回路開環(huán)系統(tǒng)Bode圖的繪制步驟,確定各環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率并由小到大標(biāo)示在對(duì)數(shù)頻率軸上；,計(jì)算20lgK，在1rad/s處找到縱坐標(biāo)等于20lgK的點(diǎn)，過該點(diǎn)作斜率等于-20vdB/dec的直線，向左延長此線至所有環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率之左，得到最低頻段的漸近線。,向右延長最低頻段漸近線，每遇到一個(gè)轉(zhuǎn)折頻率改變一次漸近線斜率；,對(duì)慣性環(huán)節(jié)，-20dB/dec振蕩環(huán)節(jié)，-40dB/dec一階微分環(huán)節(jié)，+20dB/dec二階微分環(huán)節(jié)，+40dB/dec,對(duì)漸近線進(jìn)行修正以獲得準(zhǔn)確的幅頻特性；相頻特性曲線由各環(huán)節(jié)的相頻特性相加獲得。,系統(tǒng)開環(huán)Bode圖的繪制,最小相位環(huán)節(jié)的頻率特性,凡在右半S平面上有開環(huán)零點(diǎn)或極點(diǎn)的系統(tǒng)，稱為非最小相位系統(tǒng)?！白钚∠辔弧笔侵?，具有相同幅頻特性的一些環(huán)節(jié)，其中相角位移有最小可能值的，稱為最小相位環(huán)節(jié)；反之，其中相角位移大于最小可能值的環(huán)節(jié)稱為非最小相位環(huán)節(jié)；后者常在傳遞函數(shù)中包含右半S平面的零點(diǎn)或極點(diǎn)。,（1）定義,系統(tǒng)開環(huán)Bode圖的繪制,（2）分析舉例,系統(tǒng)開環(huán)Bode圖的繪制,（3）結(jié)論,從Bode圖上看，一個(gè)對(duì)數(shù)幅頻特性所代表的環(huán)節(jié)，能給出最小可能相位移的，稱為最小相位環(huán)節(jié)，不給出最小相位移的，稱為非最小相位環(huán)節(jié)。對(duì)于最小相位環(huán)節(jié)（或系統(tǒng)）當(dāng)給出了環(huán)節(jié)（或系統(tǒng)）的幅頻特性時(shí)，也就決定了相頻特性；或者，給定了環(huán)節(jié)（或系統(tǒng)）的相頻特性，也就決定了幅頻特性。,延遲環(huán)節(jié)是不是最小相位環(huán)節(jié)？,系統(tǒng)開環(huán)Bode圖的繪制,Bode圖的繪制舉例,系統(tǒng)開環(huán)Bode圖的繪制,單回路開環(huán)系統(tǒng)Bode圖的繪制,系統(tǒng)開環(huán)Bode圖的繪制,系統(tǒng)開環(huán)Nyquist圖的繪制,概述,概述,幅頻特性=組成系統(tǒng)的各典型環(huán)節(jié)的幅頻特性之乘積。,1.求A(0)、(0)；A()、()；,2.補(bǔ)充必要的特征點(diǎn)(如與坐標(biāo)軸的交點(diǎn))，根據(jù)A()、()的變化趨勢，畫出Nyquist圖的大致形狀。,繪制：,系統(tǒng)開環(huán)Nyquist圖的繪制,舉例說明,例1已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)如下，試?yán)L制系統(tǒng)的開環(huán)Nyquist圖。,系統(tǒng)開環(huán)Nyquist圖的繪制,舉例說明,例2已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)如下，試?yán)L制系統(tǒng)的開環(huán)Nyquist圖,并求與實(shí)軸的交點(diǎn)。,Nyquist圖與實(shí)軸相交時(shí),系統(tǒng)開環(huán)Nyquist圖的繪制,舉例說明,例3已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)如下，試?yán)L制系統(tǒng)的開環(huán)Nyquist圖。,系統(tǒng)開環(huán)Nyquist圖的繪制,總結(jié),0型系統(tǒng)（v=0）,只包含慣性環(huán)節(jié)的0型系統(tǒng)Nyquist圖,系統(tǒng)開環(huán)Nyquist圖的繪制,I型系統(tǒng)（v=1）,只包含慣性環(huán)節(jié)的I型系統(tǒng)Nyquist圖,系統(tǒng)開環(huán)Nyquist圖的繪制,總結(jié),II型系統(tǒng)（v=2）,只包含慣性環(huán)節(jié)的II型系統(tǒng)Nyquist圖,系統(tǒng)開環(huán)Nyquist圖的繪制,總結(jié),開環(huán)含有v個(gè)積分環(huán)節(jié)系統(tǒng)，Nyquist曲線起自幅角為-v90的無窮遠(yuǎn)處。,系統(tǒng)開環(huán)Nyquist圖的繪制,總結(jié),Nyquist穩(wěn)定判據(jù),輔助函數(shù),設(shè):圖所示系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:,則閉環(huán)傳遞函數(shù)為:,設(shè)一輔助函數(shù):,輔助函數(shù)的特點(diǎn),3.輔助函數(shù)的零極點(diǎn)個(gè)數(shù)相同,1.輔助函數(shù)的零點(diǎn)就是系統(tǒng)的閉環(huán)特征根（閉環(huán)極點(diǎn)）,2.輔助函數(shù)的極點(diǎn)就是系統(tǒng)的開環(huán)特征根（開環(huán)極點(diǎn)）,4.F(s)與Gk(s)只差一個(gè)常數(shù)1,Nyquist穩(wěn)定判據(jù),Nyquist穩(wěn)定判據(jù),當(dāng)從0時(shí)，F(xiàn)(j)的幅角變化為：,Nyquist穩(wěn)定判據(jù),Nyquist穩(wěn)定判據(jù),系統(tǒng)在開環(huán)狀態(tài)穩(wěn)定的條件下，閉環(huán)穩(wěn)定的充要條件是：當(dāng)由0變化到時(shí)，1+G(j)H(j)軌跡不包圍1+GH平面的原點(diǎn)。,閉環(huán)穩(wěn)定,開環(huán)穩(wěn)定,不穩(wěn)定,Nyquist穩(wěn)定判據(jù),Nyquist穩(wěn)定判據(jù),系統(tǒng)在開環(huán)不穩(wěn)定，且有p個(gè)右半平面的極點(diǎn)，則閉環(huán)穩(wěn)定的充要條件是：當(dāng)由0變化到時(shí)，1+G(j)H(j)軌跡包圍1+GH平面的原點(diǎn)轉(zhuǎn)過的角度為P(p/2圈)。（規(guī)定：逆時(shí)針轉(zhuǎn)角為正，順時(shí)針轉(zhuǎn)角為負(fù)。,系統(tǒng)穩(wěn)定，則閉環(huán)穩(wěn)定,開環(huán)不穩(wěn)定，在右半平面有p個(gè)根,Nyquist穩(wěn)定判據(jù),Nyquist穩(wěn)定判據(jù),系統(tǒng)在開環(huán)狀態(tài)穩(wěn)定的條件,閉環(huán)穩(wěn)定的充要條件是：當(dāng)由0變化到時(shí)，開環(huán)G(j)H(j)軌跡不包圍GH平面的(-1,j0)點(diǎn)。,在復(fù)平面上將1+G(j)H(j)的軌跡向左移動(dòng)一個(gè)單位，便得到G(j)H(j)的軌跡,0,Nyquist穩(wěn)定判據(jù),Nyquist穩(wěn)定判據(jù),同理：設(shè)系統(tǒng)開環(huán)不穩(wěn)定，特征根有p個(gè)位于右半s平面。,若系統(tǒng)開環(huán)不穩(wěn)定，且有p個(gè)開環(huán)特征根位于右半s平面，則閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件：當(dāng)由0變化到時(shí)，開環(huán)G(j)H(j)軌跡逆時(shí)針包圍GH平面(-1，j0)點(diǎn)p。,Nyquist穩(wěn)定判據(jù),Nyquist穩(wěn)定判據(jù)的應(yīng)用,當(dāng)系統(tǒng)開環(huán)含有積分環(huán)節(jié)（原點(diǎn)處存在極點(diǎn)）或者在虛軸上存在極點(diǎn)的時(shí)候，用半徑0的半圓在虛軸上極點(diǎn)的右側(cè)繞過這些極點(diǎn)，即將這些極點(diǎn)劃到左半s平面，再找出該極點(diǎn)對(duì)應(yīng)的向量j+pi在由0變化到時(shí)的相角變化量。,Nyquist穩(wěn)定判據(jù),Nyquist穩(wěn)定判據(jù)的應(yīng)用,常規(guī)方法：(1)作出由0+變化時(shí)的Nyquist曲線；(2)從G(j0+)開始，以的半徑逆時(shí)針補(bǔ)畫v90的圓弧(輔助線)。,由00+變化時(shí)的軌跡,Nyquist穩(wěn)定判據(jù),Nyquist穩(wěn)定判據(jù)的推廣,以半徑為無窮大的圓弧順時(shí)針方向連接正實(shí)軸端和G(j)H(j)軌跡的起始端。,對(duì)于最小相位系統(tǒng)，,其輔助線的起始點(diǎn)始終在無窮遠(yuǎn)的正實(shí)軸上。,Nyquist穩(wěn)定判據(jù),Nyquist穩(wěn)定判據(jù)的推廣,具有零根的開環(huán)G(j)H(j)軌跡,Nyquist穩(wěn)定判據(jù),Nyquist穩(wěn)定判據(jù)的推廣,系統(tǒng)的開環(huán)幅相頻率特性曲線如圖所示。試判斷各系統(tǒng)閉環(huán)的穩(wěn)定性。未注明時(shí)p=0,v=0。,Nyquist穩(wěn)定判據(jù),穩(wěn)定,穩(wěn)定,不穩(wěn)定,Nyquist穩(wěn)定判據(jù)的推廣,單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為,應(yīng)用Nyquist判據(jù)判別閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。,開環(huán)穩(wěn)定P=0，開環(huán)Nyquist曲線不包圍(-1,j0)點(diǎn),系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定。,Nyquist穩(wěn)定判據(jù),Nyquist穩(wěn)定判據(jù)的推廣,穿越：指開環(huán)Nyquist曲線穿過(-1,j0)點(diǎn)左邊實(shí)軸時(shí)的情況。,正穿越：增大時(shí)，Nyquist曲線由上而下穿過-1-段實(shí)軸。,正穿越時(shí)相當(dāng)于Nyquist曲線正向包圍(-1,j0)點(diǎn)一圈,負(fù)穿越：增大時(shí)，Nyquist曲線由下而上穿過-1-段實(shí)軸。,負(fù)穿越相當(dāng)于Nyquist曲線反向包圍(-1,j0)點(diǎn)一圈,Nyquist穩(wěn)定判據(jù),Nyquist穩(wěn)定判據(jù)的推廣,當(dāng)由0變化到時(shí)，Nyquist曲線在(-1,j0)點(diǎn)左邊實(shí)軸上的正負(fù)穿越次數(shù)之差等于p/2時(shí)(p為系統(tǒng)開環(huán)右極點(diǎn)數(shù))，閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，否則，閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。,開環(huán)不穩(wěn)定閉環(huán)穩(wěn)定,開環(huán)穩(wěn)定閉環(huán)穩(wěn)定,Nyquist穩(wěn)定判據(jù),Nyquist穩(wěn)定判據(jù)的推廣,半次穿越：G(j)H(j)軌跡起始或終止于(-1,j0)點(diǎn)以左的負(fù)實(shí)軸。,+1/2次穿越,-1/2次穿越,Nyquist穩(wěn)定判據(jù),Nyquist穩(wěn)定判據(jù)的推廣,開環(huán)不穩(wěn)定P=1次穿越閉環(huán)穩(wěn)定,Nyquist穩(wěn)定判據(jù),利用Nyquist穩(wěn)定判據(jù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的步驟,繪制極坐標(biāo)圖v0，補(bǔ)半徑為無窮大的圓弧圖形圍繞(-1,j0)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)p=?判斷閉環(huán)穩(wěn)定性,Nyquist穩(wěn)定判據(jù),所以系統(tǒng)穩(wěn)定,所以系統(tǒng)不穩(wěn)定,所以系統(tǒng)不穩(wěn)定,Nyquist穩(wěn)定判據(jù),所以系統(tǒng)穩(wěn)定,所以系統(tǒng)不穩(wěn)定,所以系統(tǒng)穩(wěn)定,Nyquist穩(wěn)定判據(jù),對(duì)數(shù)穩(wěn)定判據(jù),Nyquist圖與Bode圖的對(duì)應(yīng)關(guān)系,原點(diǎn)為圓心的單位圓0分貝線。單位圓以外L()>0的部分；單位圓內(nèi)部L()0范圍內(nèi)的與180線的穿越點(diǎn)。,對(duì)數(shù)穩(wěn)定判據(jù),對(duì)數(shù)頻率特性穩(wěn)定判據(jù),若系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)p個(gè)位于右半s平面的特征根，則當(dāng)在L()>0的所有頻率范圍內(nèi)，對(duì)數(shù)相頻特性曲線()(含輔助線)與-180線的正負(fù)穿越次數(shù)之差等于p/2時(shí)，系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定，否則，閉環(huán)不穩(wěn)定。,正穿越對(duì)應(yīng)于對(duì)數(shù)相頻特曲線當(dāng)增大時(shí)從下向上穿越180線(相角滯后減小)；,負(fù)穿越對(duì)應(yīng)于對(duì)數(shù)相頻特性曲線當(dāng)增大時(shí)，從上向下穿越180線(相角滯后增大)。,對(duì)數(shù)穩(wěn)定判據(jù),對(duì)數(shù)頻率特性穩(wěn)定判應(yīng)用,開環(huán)特征方程有兩個(gè)右根，m=2正負(fù)穿越數(shù)之和-1,閉環(huán)不穩(wěn)定。,對(duì)數(shù)穩(wěn)定判據(jù),對(duì)數(shù)頻率特性穩(wěn)定判據(jù)應(yīng)用,開環(huán)特征方程有兩個(gè)右根，m=2正負(fù)穿越數(shù)之和為+1,閉環(huán)穩(wěn)定。,對(duì)數(shù)穩(wěn)定判據(jù),對(duì)數(shù)頻率特性穩(wěn)定判據(jù)應(yīng)用,閉環(huán)穩(wěn)定。,開環(huán)特征方程有無右根，m=0正負(fù)穿越數(shù)之和為0,對(duì)數(shù)穩(wěn)定判據(jù),對(duì)數(shù)頻率特性穩(wěn)定判據(jù)應(yīng)用,閉環(huán)穩(wěn)定。,開環(huán)特征方程無右根，p=0，L()>0范圍內(nèi)()和-線不相交即正負(fù)穿越數(shù)之和為0,對(duì)數(shù)穩(wěn)定判據(jù),