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频率响应法-- 频域性能指标和时域性能指标的关

来源:未知 浏览数量: 日期:2024-02-09 00:16

  频率响应法是通过系统的开环频率特性和闭环频率特性的一些特征量间接地表征系统瞬态响应的性能,因而这些特征量又被称为频域性能指标。常用的频域性能指标包括:开环频率特中的相位裕量、增益裕量;闭环频率特中的谐振峰值、频带宽度和谐振频率等国家粮食和物资储备局。在时域分析中,控制系统包括静态性能指标和动态性能指标。虽然这些频域性能指标没有时域性能指标那样直观,但对于二阶系统而言,它们与时域性能指标间有着确定的对应关系;在高阶系统中,只要存在一对闭环主导极点,则它们也有着近似的对应关系。

  关于开环频率特性低频段与闭环系统静态性能的关系我们在5.3.4中已作了分析,此处我们着重研究二阶系统的相位裕量、剪切频率与阻尼比间的关系。

  相位裕量与调整时间之间的定量关系。仍以二阶系统为例,在第三章已求得调整时间的近似表达式

  如果有两个系统,其相位裕量相同,那么他们的最大超调量(时域)是大致相同的,但他们的调整时间并不一定相同。由式(5-66)可知,与剪切频率成反比,即越大,时域的调整时间越短。所以剪切频率在频率特性中是一个很特殊的重要参数,它不仅影响系统的相位裕量,还影响动态过程的调整时间

  由于开环和闭环频率特性间有着确定的关系,因而可以通过开环频率特性求取系统的闭环频率特性。对于单位反馈系统,其闭环传递函数为

  对于非单位反馈系统,如图5-62a,则可先将其等效为如图5-62b的系统,然后按上法先求图5-62b中单位反馈系统的频率特性,再与频率特性相乘,即可得到总的闭环频率特性。

  用这种方法逐点绘制闭环频率特性曲线,在工程上,常用等M圆、等N圆和Nicoles图线来表示闭环系统的频率特性,并用用图解法去绘制。显然这是既繁琐又费时间的工作。现在这些工作可由计算机软件实现,例如在Matlab中就有专门的绘制等M圆、等N圆和Nicoles图线的函数,从而大大提高了绘图的效率和精度。本节我们不对闭环频率特性的绘制方法进行研究,仅对闭环频率特性与时间性能指标间的关系作些分析。

  在本章第三节,针对二阶系统我们给出了二阶振荡环节的谐振峰值和谐振频率的概念,闭环系统的幅值在谐振频率处所取得的最大值,称为谐振峰值。如图5-63所示。

  图5-63为时闭环对数幅频特性的一般形状。当幅频值下降到低于零频率值以下3dB时,对应的频率称为截止频率,即有

  图5-64b两系统的单位阶跃响应曲线a为上述两系统的闭环对数幅频特性曲线(图中虚线为其渐近线)。由图可见,系统I的带宽为,系统Ⅱ的带宽为,即系统I的带宽是系统Ⅱ带宽的三倍。图5-64b表示了两系统的阶跃响应曲线。显然,系统I较系统Ⅱ具有较快的阶跃响应,并且前者跟踪阶跃输入的性能也明显优于后者。

  需要指出,宽的带宽虽然能提高系统响应的速度,但也不能过大,否则会降低系统过滤高频噪声的能力。因此在设计系统时,对于频带宽度的确定必须兼顾系统的响应速度和抗高频干扰的要求,采取一种折衷的方案频率特性。

  对于二阶系统,其时域响应与频域响应之间有着确定的对应关系易测商城。标准二阶系统对应的闭环频率特性为