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頻率響應法--極坐標圖

作者: 時間:2012-03-17 來源:網絡 收藏
法--

如果要比較精確地計算和繪制,一般來說是比較麻煩的,為此可用頻率特性的另一種圖示法:對數坐標圖。對數坐標圖法不但計算簡單,繪圖容易,而且能直觀地表現開環增益、時間常數等參數變化對系統性能的影響。

一般對數坐標圖由兩部分組成:一張是對數幅頻特性圖,它的縱坐標為 ,單位是分貝,用符號dB表示。通常為了書寫方便,把 用符號 表示。另一張是相頻圖。兩張圖的縱坐標都是按線性分度,單位分別為dB和 ,橫坐標是角頻率 。

為了更好地體現開環系統各頻段的特性,可對橫坐標采用 的對數坐標分度,從而形成了半對數坐標系。這對于擴展頻率特性的低頻段,壓縮高頻段十分有效。在以 分度的橫坐標上,1到10的距離等于10到100的距離,這個距離表示十倍頻程,用符號dec表示。對數幅頻特性的“斜率”一般用分貝/十倍頻(dB/dec)表示。對數坐標圖又稱伯德圖(Bode圖)。

用伯德圖表示的頻率特性有如下的優點:

1)把幅頻特性的乘除運算轉變為加減運算。

2)在對系統作近似分析時,一般只需要畫出對數幅頻特性曲線的漸近線,從而大大簡化了圖形的繪制。

3)用實驗方法,將測得系統(或環節)的數據畫在半對數坐標紙上。根據所作出的曲線,容易估計被測系統(或環節)的傳遞函數。

在Matlab控制工具箱中,亦有專門的函數用于繪制Bode圖:Bode函數。同時為繪制開環系統的幅頻特性的漸近線,我們編制了畫漸近線的作圖函數:Bode_asymp。有關它們的使用方法將結合例題進行說明。


5.3.1 典型環節的伯德圖

1.比例環節

比例環節K的對數幅頻特性是一高度為 dB的水平線,它的相角為零度,如圖5-18所示。改變開環頻率特性表達式中K的大小,會使對數幅頻特性升高或降低一個常量,但不影響相角的大小。

(5-37)

圖5-18 比例環節K的對數幅頻特性

顯然,當 時, 位于橫軸上方;當 時, 位于橫軸上;當 時, 位位于橫軸下方。

2.一階環節

一階環節 的對數幅頻和相頻表達式分別為

(5-38)
(5-39)
其中

時,略去式(5-38)中的1,則得 ,表示 高頻部分的漸近線是一條斜率為-20dB/dec的直線,當輸入信號的頻率每增加十倍頻程時,對應輸出信號的幅值便下降20dB。圖5-19所示的是精確對數幅頻特性及其漸近線和精確的相頻曲線,其中T=1,Matlab命令如下:

G=tf(1,[1,1]);

[x0,y0,w]=bode(g),[x,y]=bode_asymp(g,w);

subplot(211),semilogx(w,20*log10(x0(:)),x,y)

subplot(212),semilogx(w,y0(:))

不難看出,兩條漸近線相交點的頻率 ,這個頻率稱為轉折頻率,又名轉角頻率。如果 環節的對數幅頻特性能用其兩條漸近線似表示,則使作圖大為簡化。問題是,這種近似表示所產生的誤差有多大?

圖5-19 一階慣性環節頻率特性

由圖5-19可見,最大的幅值誤差產生在轉折頻率 處,它近似等于-3dB-22a和5 -22b。如果傳遞函數中含有 個積分環節,即 ,則它的對數幅頻和相頻表達式可分別寫成


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