自动控制原理：频率特性的基本概念
自动控制原理：频率特性的基本概念
频率特性是自动控制原理中的一个重要概念，它描述了系统对不同频率正弦输入信号的响应特性。本文将详细介绍频率特性的基本概念、复数表示方法、实验求取方法、由传递函数求取频率特性、频率特性的物理意义以及常用频率特性曲线等内容。
第五章 频率特性的基本概念
控制系统的时域分析法是研究系统在典型输入信号作用的性能，对于一阶、二阶系统可以快速、直接地求出输出的时域表达式、绘制出响应曲线，从而利用时域指标直接评价系统的性能。因此，时域法具有直观、准确的优点。然而，工程实际中有大量的高阶系统，要通过时域法求解高阶系统在外输入信号作用下的输出表达式是相当困难的，需要大量计算，只有在计算机的帮助下才能完成分析。此外，在需要改善系统性能时，采用时域法难于确定该如何调整系统的结构或参数。
在工程实践中, 往往并不需要准确地计算系统响应的全部过程，而是希望避开繁复的计算，简单、直观地分析出系统结构、参数对系统性能的影响。因此，主要采用两种简便的工程分析方法来分析系统性能，这就是根轨迹法与频率特性法，本章将详细介绍控制系统的频率特性法。
控制系统的频率特性分析法是利用系统的频率特性（元件或系统对不同频率正弦输入信号的响应特性）来分析系统性能的方法，研究的问题仍然是控制系统的稳定性、快速性及准确性等，是工程实践中广泛采用的分析方法，也是经典控制理论的核心内容。
频率特性分析法的特点
频率特性分析法，又称为频域分析法，是一种图解的分析方法，它不必直接求解系统输出的时域表达式，不需要求解系统的闭环特征根，具有较多的优点。如：
- 根据系统的开环频率特性能揭示闭环系统的动态性能和稳态性能, 得到定性和定量的结论，可以简单迅速地判断某些环节或者参数对系统闭环性能的影响,并提出改进系统的方法。
- 时域指标和频域指标之间有对应关系，而且频率特性分析中大量使用简洁的曲线、图表及经验公式，简化控制系统的分析与设计。
- 具有明确的物理意义，它可以通过实验的方法，借助频率特性分析仪等测试手段直接求得元件或系统的频率特性，建立数学模型作为分析与设计系统的依据，这对难于用理论分析的方法去建立数学模型的系统尤其有利。
- 频率分析法使得控制系统的分析十分方便、直观，并且可以拓展应用到某些非线性系统中。
本章重点介绍频率特性的基本概念、幅相频率特性与对数频率特性的绘制方法、奈奎斯特稳定判据、控制系统的相对稳定性、利用开环频率特性分析系统闭环性能的方法。
1.频率响应
频率响应是时间响应的特例，是控制系统对正弦输入信号的稳态正弦响应。即一个稳定的线性定常系统，在正弦信号的作用下，稳态时输出仍是一个与输入同频率的正弦信号，且稳态输出的幅值与相位是输入正弦信号频率的函数。
下面用用一个简单的实例来说明频率响应的概念：
示例：
如图所示一阶RC网络，ui(t)与uo(t)分别为输入与输出信号，其传递函数为
其中T=RC，为电路的时间常数，单位为s。
在零初始条件下，当输入信号为一正弦信号，即
ui(t)=Uisinw t
Ui与w分别为输入信号的振幅与角频率，可以运用时域法求电路的输出。
输出的拉氏变换为：
Uo(s)=
对上式进行拉氏反变换可得输出的时域表达式：
稳态输出与输入幅值比为：
输入信号为
ui(t)=Uisinw t
输出与输入相位差为：
j = -arctanTω
二者均仅与输入频率w，以及系统本身的结构与参数有关。
实际上，频率响应的概念具有普遍意义。对于稳定的线性定常系统（或元件），当输入信号为正弦信号
r（t）=sinwt 时，过渡过程结束后，系统的稳态输出必为Css（t）=Asin（ωt+j），如图所示。
2.频率特性
1、基本概念
对系统的频率响应作进一步的分析，稳态输出与输入的幅值比A与相位差j只与系统的结构、参数及输入正弦信号的频率ω有关。在系统结构、参数给定的前提下，幅值比A与相位差j仅是ω的函数，可以分别表示为A（ω）与j（ω）。因此，频率特性可定义为：
线性定常系统（或元件）在零初始条件下，当输入信号的频率ω在0→∞的范围内连续变化时，系统稳态输出与输入信号的幅值比与相位差随输入频率变化而呈现的变化规律为系统的频率特性。
频率特性可以反映出系统对不同频率的输入信号的跟踪能力，在频域内全面描述系统的性能。只与系统的结构、参数有关，是线性定常系统的固有特性。
A（ω）反映幅值比随频率而变化的规律，称为幅频特性，它描述在稳态响应不同频率的正弦输入时在幅值上是放大（A＞1）还是衰减（A＜1）。
而j（ω）反映相位差随频率而变化的规律，称为相频特性，它描述在稳态响应不同频率的正弦输入时在相位上是超前（j＞0º）还是滞后（j＜0º）。
系统的频率特性包含幅频特性与相频特性两方面，并且强调频率ω是一个变量。
对于上例所举的一阶电路，其幅频特性和相频特性的表达式分别为：
2.频率特性的复数表示方法
对于线性定常系统，当输入一个正弦信号r（t）=Rsinωt时，则系统的稳态输出必为Css（t）= A(ω)Rsin（ωt+j（ω））
由于输入、输出信号均为正弦信号，因此可以利用电路理论将其表示为复数形式，则输入输出之比为
可见，输出输入的复数比恰好表示了系统的频率特性，其幅值与相角分别为幅频特性、相频特性的表达式。若用一个复数G（jω）来表示，则有
G（jω）就是频率特性通用的表示形式，是ω的函数。当ω是一个特定的值时，可以在复平面上用一个向量去表示G（jω）。向量的长度为A(ω)，向量与正实轴之间的夹角为j(ω)，并规定逆时针方向为正，即相角超前；规定顺时针方向为负，即相角滞后。
另外还可以将向量分解为实数部分和虚数部分，即G（jω）=R（ω）+jI（ω）
R（ω）称为实频特性，I（ω）称为虚频特性。由复变函数理论可知：
以上函数都是ω的函数，可以用曲线表示它们随频率变化的规律，使用曲线表示系统的频率特性，具有直观、简便的优点，应用广泛。
并且A(ω)与R（ω）为ω的偶函数，j(ω)与I（ω）是ω的奇函数。
3.频率特性的实验求取方法
向待求元件或系统输入一个频率可变的正弦信号r（t）=Rsinωt
在0→∞的范围内不断改变ω的取值，并测量与每一个ω值对应的系统的稳态输出
Css（t）= A(ω)Rsin（ωt+j（ω））
测量并记录相应的稳态输出输入幅值比与相角差。根据所得数据绘制出幅值比与相角差随ω的变化曲线，并据此求出元件或系统的幅频特性A(ω)与相频特性j（ω）的表达式，便可求出完整的频率特性表达式。
4.由传递函数求取频率特性 （重要）
实际上，由于微分方程、传递函数、频率特性为描述系统各变量之间相互关系的数学表达式，都是控制系统的数学模型。和微分方程与传递函数之间可以相互转换类似，系统的频率特性也可以由已知的传递函数通过简单的转换得到，这种求取方法称为解析法。
系统的输出分为两部分，第一部分为瞬态分量，对应特征根；第二部分为稳态分量，它取决于输入信号的形式。对于一个稳定系统，系统所有的特征根的实部均为负，瞬态分量必将随时间趋于无穷大而衰减到零。因此，系统响应正弦信号的稳态分量必为同频率的正弦信号。
设n阶系统的传递函数为
为简化分析，假定系统的特征根全为不相等的负实根。输入信号为
r(t)=Rsinωt输出信号的拉氏变换为：
对输出求拉氏反变换可得
系数Kc和K-c由留数定理确定，可以求出
A(ω)是系统的输出与输入幅值比，为系统的幅频特性表达式。j(ω)是系统的输出与输入幅值比，为系统的相频特性表达式。系统的频率特性为
可推得一个十分重要的结论：系统的频率特性可由系统的传递函数G（s）将jω代替其中的s而得到。由拉氏变换可知，传递函数的复变量s =σ+jω。当σ=0时，s = jω。所以G（jω）就是σ=0时的G（s）。即当传递函数的复变量s用jω代替时，传递函数转变为频率特性，这就是求取频率特性的解析法。
因此，在求已知传递函数系统的正弦稳态响应时，可以避开时域法需要求拉氏变换及反变换的繁琐计算，直接利用频率特性的物理意义简化求解过程。
5.频率特性的物理意义
1.在某一特定频率下，系统输入输出的幅值比与相位差是确定的数值，不是频率特性。当输入信号的频率ω在0→∞的范围内连续变化时，则系统输出与输入信号的幅值比与相位差随输入频率的变化规律将反映系统的性能，才是频率特性 。
2.频率特性反映系统本身性能，取决于系统结构、参数，与外界因素无关。
- 频率特性随输入频率变化的原因是系统往往含有电容、电感、弹簧等储能元件，导致输出不能立即跟踪输入，而与输入信号的频率有关。
4.频率特性表征系统对不同频率正弦信号的跟踪能力，一般有“低通滤波”与“相位滞后”作用。
频率特性的数学意义
频率特性是描述系统固有特性的数学模型,与微分方程、传递函数之间可以相互转换。
以上三种数学模型以不同的数学形式表达系统的运动本质，并从不同的角度揭示出系统的内在规律，是经典控制理论中最常用的数学模型。
6.常用频率特性曲线
频率特性是稳态输出量与输入量的幅值比和相位差随频率变化的规律。在实际应用中，为直观地看出幅值比与相位差随频率变化的情况，是将幅频特性与相频特性在相应的坐标系中绘成曲线，并从这些曲线的某些特点来判断系统的稳定性、快速性和其它品质以便对系统进行分析与综合。
系统(或环节)的频率响应曲线的表示方法很多,其本质都是一样的,只是表示的形式不同而已。频率特性曲线通常采用以下三种表示形式：
1.幅相频率特性曲线（奈氏曲线），图形常用名为奈奎斯特图或奈氏图，坐标系为极坐标。奈氏图反映A(ω)与j(ω)随ω变化的规律。
2.对数频率特性曲线，包括： 对数幅频特性曲线和对数相频特性曲线。图形常用名为对数坐标图或波德图，坐标系为半对数坐标。波德图反映L(ω)=20lg A(ω)与j(ω)随lgω变化的规律。
3.对数幅相频率特性曲线，图形常用名尼柯尔斯图或对数幅相图，坐标系为对数幅相坐标。尼柯尔斯图反映L(ω)=20lg A(ω)随j(ω)的变化规律，主要用于求取闭环频率特性。
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