chap8系统频率响应及其仿真.ppt

1、第八章 系统频率响应及其仿真,本章主要内容如下： 8.1 频率特性的一般概念 8.2 频率响应的MATLAB函数 8.3 系统分析图形用户界面,第八章 系统频率响应及其仿真,频率响应分析方法的基本思想是把控制系统中的各个变量看成是由许多不同频率的正弦信号叠加而成的信号；各个变量的运动就是系统对各个不同频率的信号的响应的总和。 这种源于通讯科学的分析方法，于20世纪30年代引进到控制工程后，立即得到广泛应用。这主要是由于频率响应法具有鲜明的物理意义，能够大大简化复杂机构的动力学分析和设计，更能够启发人们区分影响系统的主要因素和次要因素；其次还可以通过实验方法比较准确地求出系统的数学模型并可减少手

2、工计算量。古典控制理论实际上就是以频率响应法分析可用常系数线性微分方程描述的SISO系统。由于许多工业过程都可以近似抽象成线性定常系统，因此频率响应法在控制工程中仍然是一种重要的方法,第八章 系统频率响应及其仿真,8.1 频率特性的一般概念 8.1.1 频率响应与频率特性 频率响应：系统对谐波输入的稳态响应。 对于线性系统，当输入为： xi(t)=Xisint 其稳态输出为同频率的正弦信号：,xo(t)=Xo()sint+(),8.1 频率特性的一般概念 8.1.1 频率响应与频率特性 频率特性：是指系统在正弦信号作用下，稳态输出与输入之比对频率的关系特性。可表示为: 频率特性还可表示为 因此

3、频率特性还可再分为,第八章 系统频率响应及其仿真,8.1 频率特性的一般概念 8.1.2 Nyquist图与Bode图 Nyquist图 利用封闭的Nyquist轨迹可进行系统稳定性的分析，即Nyquist稳定判据。 Nyquist图不便于分析频率特性中某个环节对频率特性的影响,频率特性G(j)是频率的复变函数，可以在复平面上用一个矢量来表示。该矢量的幅值为 ，相角为 。当从0变化时，G(j)的矢端轨迹被称之为频率特性的极坐标图或Nyquist图。,第八章 系统频率响应及其仿真,8.1 频率特性的一般概念 8.1.2 Nyquist图与Bode图 Bode图 把频率特性函数G (j)的角频率和

4、幅频特性都取对数，则称之为对数幅频特性和对数相频特性，其中： 对数幅频特性： （单位为分贝db） 对数相频特性： （单位为度） 其频率轴采用对数分度lg。以lg为横坐标，L(G(j)和(G(j)为纵坐标绘制的曲线分别称之为对数幅频特性图和对数相频特性图，统称为系统的Bode图。,Nyquist稳定判据引申到对数频率特性中即成为对数判据，因而也可以用Bode图分析系统的稳定性。,第八章 系统频率响应及其仿真,8.1 频率特性的一般概念 8.1.2 Nyquist图与Bode图 稳定裕度 利用系统开环频率特性的稳定裕度，可以分析闭环系统的稳定性。稳定裕度又分为幅值裕度和相位裕度。在Bode图上表示

5、为： 幅值裕度(db)： 相位裕度：,【说明】 g为相位穿越频率,即开环相频特性曲线穿越 1800线时的频率. c为幅值穿越频率,即开环幅频特性曲线穿越 0分贝线时的频率. 在工程上通常要求 kg 6db, =30o 60o,第八章 系统频率响应及其仿真,8.2 频率特性的MATLAB函数 8.2.1 频率响应计算函数 MATLAB提供了用于计算线性时不变系统的频率响应的函数，其调用格式为 h = freqs(b,a,w) 指定正实角频率向量，返回响应值。 freqs(b,a,w) 绘制对指定角频率向量的幅频和相频特性曲线. 其中 b、a均为系统传递函数的分子、分母的系数向量。 在返回指令值的

6、指令中，需调用abs（）和angle（）求取幅频和相频特性。 第2种调用可直接绘制系统的幅频和相频特性曲线，其中幅频特性曲线为全对数坐标，而相频特性曲线为半对数坐标，并且可以不指定频率向量。,【例2】频率响应演示：绘制系统 频率响应曲线。,num=11 11;den=1 15 4 0; w=0.05:0.01:0.5*pi; %产生频率向量 freqs(num,den,w) %指定频率向量 freqs(num,den) %不指定频率向量,指定频率向量,不指定频率向量,8.2 频率特性的MATLAB函数 8.2.2 频率特性图示法 Nyquist图 nyquist(sys) 基本调用格式绘制sy

7、s的Nyquist图 nyquist(sys,w) 指定频率范围w，绘制sys的Nyquist图 nyquist(sys1,sys2,sysn) 在同一坐标系内绘制多个模型的Nyquist图 nyquist(sys1,sys2,sysn,w) 在同一坐标系内绘制多个模型对指定频率范围的Nyquist图,【说明】 MATLAB中频率范围w除可直接用冒号生成法生成外，还可由两个函数给定:logspace (w1,w2,N)产生频率在w1和w2之间N个对数分布频率点；linspace(w1,w2,N)产生频率在w1和w2之间N个线性分布频率点；N可以省略。 调用nyquist()指令若指定w，则w仍

8、然必须是正实数组,MATLAB将自动绘制与-w对应的Nyquist轨迹。 所绘Nyquist图的横坐标为系统频率响应的实部,纵坐标为虚部.,【例3】系统开环传递函数为 ，绘制当K=5、30时系统的开环频率特性Nyquist图，并判断系统的稳定性。,w=linspace(0.5,5,1000)*pi; sys1=zpk( ,0 -10 -2,100); %建立模型1,K=5 sys2=zpk( ,0 -10 -2,600); %建立模型2,K=30 figure(1), nyquist(sys1,w); %绘Nyquist图1 title(System Nyquist Charts with K

9、=5) figure(2), nyquist(sys2,w) %绘Nyquist图2 title(System Nyquist Charts with K=30),由于系统开环稳定,因此K=5时系统是稳定的(开环Nyquist曲线没有包围(-1,j0)点,即图中的“+”号);而K=30时系统是不稳定的。,第八章 系统频率响应及其仿真,8.2 频率特性的MATLAB函数 8.2.2 频率特性图示法 Bode图 bode(sys) 基本调用格式，绘制Bode图 bode(sys,w) 指定频率范围，绘制Bode图 bode(sys1,sys2,sysn) 在同一图内,绘制多个模型的Bode图 ma

10、g,phase,w=bode(sys) 返回响应的幅值和相位及对应的角频率,但不绘制Bode图 bodemag(sys) 仅绘制幅频bode图 说明 当不指定频率范围时，bode()将根据系统零极点自动确定频率范围。,【例4】系统开环传递函数为,sys1=zpk( ,0 -10 -2,100); %建立模型1，K=5 sys2=zpk( ,0 -10 -2,600); %建立模型2，K=30 figure(1),bode(sys1) %绘Bode图1 title(System Bode Charts with K=5),grid figure(2),bode(sys2) %绘Bode图2 ti

11、tle(System Bode Charts with K=30),grid,绘制当K=5、30时系统的开环频率特性Bode图，并判断系统的稳定性,K=5时,因为cg,所以系统闭环不稳定。,第八章 系统频率响应及其仿真,8.2 频率特性的MATLAB函数 8.2.2 频率特性图示法 计算幅值、相位裕度 margin(sys) 为基本调用，用于绘制Bode图，并在图中标出幅值裕度和相位裕度 Gm,Pm,Wcg,Wcp=margin(sys ) 返回幅值裕度Gm，相位裕度Pm，相位穿越频率Wcg 和幅值穿越频率Wcp，不绘制Bode图 Gm,Pm,Wcg,Wcp=margin(mag,phase,

12、w) 根据给定幅频向量mag，相频向量phase和对应的频率向量w，计算并返回Gm，Pm，Wcg和Wcp。 说明 Gm=1/|G(jWg)|是Nyquist图对应的幅值裕度，单位不是分 贝,sys1=zpk( ,0 -10 -2,100); %建立模型1 sys2=zpk( ,0 -10 -2,600); %建立模型2 kg1,r1,wg1,wc1=margin(sys1) kg2,r2,wg2,wc2=margin(sys2),【例5】计算例4中K=5和K=30时系统的幅值与相位裕度。,第八章 系统频率响应及其仿真,8.4 系统分析图形用户界面 MATLAB控制工具箱提供的线性时不变(LTI

13、)系统仿真的图形用户分析界面LTI Viewer，可更为直观地分析系统的时域、频域响应。其使用也很简单，只需 在指令窗中建立起要分析的系统模型; 在指令窗中键入：ltiview; 即可调出LTI Viewer窗口，对系统进行分析,【例6】LTI-Viewer使用演示。设单位负反馈系统的开环传递函数,在指令窗中输入： ltiview 即可进入LTI-Viewer可视化仿真环境，如图。,在进入LTI-Viewer后，点击菜单FILE，选择Import项后，弹出一个装入LTI系统的窗口如图所示。该窗口将显示工作空间或指定目录的文件夹内所有的系统模型对象,在LTI浏览器中选择系统“sys”后，就显出系

14、统的阶跃响应图形窗口，在窗口内点击鼠标右键弹出现场菜单，见下图。,菜单的主要功能如下： Plot Types：选择图形类型。可选择Step(阶跃响应,缺省设置) ，Impulse(脉冲响应），Bode图，BodeMag(幅频Bode图)，Nyquist图,Pole / Zero(极点/零点图)等。 Characteristics：可对不同类型响应曲线标出相关特征值。对阶跃响应，可选择表示的特征值。 Properties：对图形窗口进行编辑，对显示性能参数进行设置。此外，还可以选择菜单EditLinestyle对曲线的线形、颜色、标志等进行选择。,此外还可进行多个图形窗口显示，其操作如下：在LTI Viewe窗口下，选择菜单Edit Plot Configurations后，弹出一个Plot Configurations（图形配置）窗口。该窗口左边显示响应图6种