§ 2 频率特性的常用图示法
第五章频率特性分析
图示方法,
3、对数幅相图(尼柯尔斯图) Nichols
2、对数坐标图(伯徳图) Bode
1、极坐标图(奈魁斯特图) Nyquist
典型环节,
一阶环节,二阶环节,放大环节,纯滞后环节等
√
√
一、极坐标图
第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
是 ω的复变函数 。 )( ?jG
??????? jGejGjG (()(
1,定义
当 ω从 0→∞ 变化时, 矢量 的端点在复平面上形成的轨
迹叫作 G(jω)的极坐标图或 Nyquist图 。
)( ?jG
)()()( ????? jVUjG
矢量 的端点在实轴与虚轴上的投影分别为 的实
部 和虚部坐标, 它们分别叫作 实频特性 和 虚频
特性,
)( ?jG
)(?U )(?V
)( ?jG
即,
Im
Re
)( ?? jG
)( ?jG
ω
U(ω)
V(ω)
2、极坐标图的作图方法
一、极坐标图 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
根据频率特性的两种表示方式做图 。
2,已知, 将不同的 ω代入, 计算实部和虚部, )( ?jG
)()()( ????? jVUjG, 做图。
1,已知, 将不同的 ω代入, 计算 和 ∠,)( ?jG)( ?jG )( ?jG
做图;
极坐标图在概念分析上比较清楚, 直观, 特别在分析
系统稳定性上经常用到 。
极坐标图画起来复杂,运算也较繁琐,要遵循矢量运
算规则。
优点,
缺点,
?????? ??? jGejGjG ((
3、一些典型环节的极坐标图
一、极坐标图 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
( 1) 一阶惯性环节
1)( ?? Ts
KsG
???
??
?? a r c tg T
T
KjG
221)(
当 时,0??
?0)()( ????? jGKjG
当 时,
T
1??
?45)(
2)( ?????? jG
KjG
当 时,???
?90)(0)( ?????? jGjG
Im
Re ???
0??
K
?
证明,
当, 时, 矢量 端点的轨迹是一个半圆 。 ? ??0 )( ?jG
3、一些典型环节的极坐标图
一、极坐标图 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
( 1) 一阶惯性环节
Im
Re
?
???? jT
KjG
1)(
2222 11 ??
??
??? T
KTj
T
K )()( ???? jVU
)1)(1(
)1(
????
???
jTjT
jTK
其中,
2222 1)(1)( ??
????
???? T
KTV
T
KU ??? T
U
V
则,
221 ??? T
KU
整理,KUVU ?? 22,经配方,
即,222
22 ??
??
?
????
?
??
?
? ? KVKU, 圆的方程。圆心 (K/2,j0),半径 K/2。
22
2
???
?
??
?
? T
U
V
2
1 ?
?
?
?
?
??
?
U
V
K
22
2
VU
KU
??
??? 0??K/2
Im
Re
??? 0??
K
?
????
3、一些典型环节的极坐标图
一、极坐标图 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
( 1) 一阶惯性环节
??? ?? jGjG (( 与 为共轭复数。
当 ω,-∞→+∞,得到完整的频率特性。
顺时针方向是频率特性变化的方向,即 ω增加的方向。
( 2)放大环节
3、一些典型环节的极坐标图
一、极坐标图 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
KjG ?? )(KsG ?)(
其幅频特性和相频特性均为常数。 分别为,
?0)()( ????? jGKjG
不随 ω变化。
( 3)纯滞后环节
sesG ???)(
?????????? ??? )(1)()( jGjGejG j
幅频特性不变,恒为 1,相频特性为 ω的线性函数,周期变化。
频率特性是一周期变化的单位圆。
Im
Re 0 1
ω
Im
Re
K
( 4)一阶加纯滞后环节
3、一些典型环节的极坐标图
一、极坐标图 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
se
TssG
??
?? 1
1)(
???
????
je
jTjG 1
1)(
分析,当 时,0?? ?0)(1)( ????? jGjG
? ↗
?jG( ↘
)( ?? jG 在负的方向上逐渐增加(随 ω周期线性变化)。
当 时,??? ??????? )(0)( jGjG
图形为一螺旋线。
Im
Re 1
?
Ta r c tg
T
??????
??
?
221
1
( 5)积分环节与微分环节
3、一些典型环节的极坐标图
一、极坐标图 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
,1)( ssG ?
???
1)( jG
,)( ssG ?
??? )( jG
??? jjG
1)(
???
1j
090)( ???? jG
??? jjG )(
090)( ??? jG
w
w
( 6)二阶惯性环节
3、一些典型环节的极坐标图
一、极坐标图 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
2
00
2
2
0
2)( ???
?
??? sssG
22
0
0
22
0
222
0
2
0 2
4)(
)( ??? ?????
???????
??? a r c t gjG
分析,
当 时, 0??
?0)(1)( ????? jGjG (低频特性)
当 时,
0???
?90)()( 21 ?????? ? jGjG
当 时, ???
?1 8 0)(0)( ?????? jGjG
(高频特性)
?
?2
??? 0??1
Im
Re
?1
2
00
2
2
0
)(2)()( ???????
???
jjjG
一、极坐标图 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
( 6)二阶惯性环节
? 随着 ω的增加,相位滞后越大,0 →- 180° 。
? 与虚轴交点频率 ω= ω0
? 幅频特性不仅是 ω的函数,也是 ζ的函数。
?当 ζ小于 0.707 后,幅频特性超过 1。
? 在最大峰值处 ω= ωr(谐振频率),系统产生谐振。
谐振峰值 Mr,
?
?
?
??
??
??
?
?
??
?
???
?
?
??
2
1
)(
21
0
(
0
rr
r
jGM
d
jGd
r
临界参数, ? ?? ? ??? ??,0r
( 7)三阶环节
3、一些典型环节的极坐标图
一、极坐标图 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
)1)(1)(1(
1)(
321 ???
? sTsTsTsG
???????
????????
?? 321
22
3
22
2
22
1 111
1)( a r c tg Ta r c tg Ta r c tg T
TTT
jG
分析,
当 时,0?? ?0)(1)( ????? jGjG
? ↗
)( ?? jG 在负的方向上逐渐增加
?jG( ↙
当 时,??? ?2 7 0)(0)( ?????? jGjG
Im
Re
?
1
)1)(1)(1(
1)(
321 ??????
?? jTjTjTjG
( 8) PI环节
3、一些典型环节的极坐标图
一、极坐标图 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
)11()( sTKsG
i
c ??
)11()( ????
i
c jTKjG
2211)( iTcKjG ?? ??
0??
实部不变 =Kc,虚部随 改变,按实虚部作图。 ?
Im
Re
0??
???Kc
Kc T
i
1??
??? i
c
c T
KjK
iTtgjG ?? 1
1)( ????
iT/1??
???
??????????? VKUjGjG c?90)()(
ccc KVKUjGKjG ????????? ?45)(2)(
00)()( ??????? VKUjGKjG cc ?
( 9) PID环节
3、一些典型环节的极坐标图
一、极坐标图 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
)11()( sTsTKsG d
i
c ???
?????? dc
i
c
c TjKT
KjKjG )(
分析,
)1()( 1
i
d TTtgjG ???????
?
实部不变 =Kc,虚部随 改变。 ?
0
0
0
90
00
1
,0
1
900
???
????
???
?
c
c
di
d
i
c
K
K
TT
T
T
K
VU
??
?
?
Im
Re
0
Kc
?
﹣ ∞
﹢ ∞
低频时积分起主要作用, 相位滞后, 高频时, 微
分起主要作用, 相位超前 。 ?90
?90物理意义,
)( ?????
i
c
dcc T
KTKjK
总结,频率特性的一般形式为,
mnTjTjTjj TjTjTjKjG
n
m ?
???
????
)1),,, (1)(1()(
)1'),,, (1')(1'()(
21
21
????
????
?
一、极坐标图 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
常见极坐标图有三种,
1,0型系统( λ=0,没有积分环节)
一阶 二阶 三阶
特点,起始点在正实轴,终止在原点。
1)( ?? Ts
KsG
2
00
2
2
0
2)( ???
?
??? sssG )1)(1)(1(
1)(
321 ???
? sTsTsTsG
2,1型系统 ( λ=1,有一个积分环节 )
)1(
1)(
????? TjjjG
3,2型系统 ( λ=2,2个积分环节串联 )
)]12)[()(
1)(
22 ??? TjTjjjG ?????
例,
例,
Im
Re
总结,
一、极坐标图 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
﹣ T
W↑
Im
Re
? →
例,
总结,
一、极坐标图 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法 常见极坐标图有三种,
11 j?
Ⅰ Ⅱ
Ⅲ Ⅳ
0??tg
???? )2/(tg
000 ?tg
??? )2/(tg
作业,
角度的选择:不能只根据 tg-1,还要根据复数实部、虚
部的符号,判断在哪个象限。
注意,
11 j?
11 j??
11 j??
011 451
1
1 ?? ?? tgtg
011 451
1
1 ????? ?? tgtg
00011 1 3 52 2 5451
1
1 ???????
?
? ?? tgtg
0011 135451
1
1 ??????
?
?? tgtg
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
)()()( ??? jGjGjG ??
?? ~)( jG 幅频特性图
??? ~)( jG 相频特性图
1,坐标的选择
( 1) 横坐标都取 ω的对数刻度, 以 10为底 。 但仍标以角频率 ω。
0.1 1 10 100
–1 0 1 2
?
?lg
每一大格,频率变化了 10倍,叫一个 十倍频程,记做 /dec 。
选择频率范围时,一般在感兴趣的频率范围附近取 2~ 3个 dec即
可。
( 2) 相频特性 的纵坐标,为相角,以度为单位,取等分刻度。
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
1,坐标的选择
相频特性采用半对数坐标纸。
﹣ 135°
0
45°
90°
﹣ 45°
﹣ 90°
?
?0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 1 2 3 4 5 6 7 10
(3) 幅频特性 的纵坐标 一般取 的对数 —20 的 )( ?jG )(lg ?jG
值。单位是分贝( db)。采用等分刻度,采用半对数坐标纸。
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法 1,坐标的选择
换算关系,100 10 1 0.1 0.01
2 1 0 ﹣ 1 ﹣ 2
40 20 0 ﹣ 20 ﹣ 40
)( ?jG
)(lg ?jG
)(lg20 ?jG
0
)(lg20 ?jG
10
20
﹣ 10
﹣ 20
?0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 1 2 3 4 5 6 7 10
2、特点
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
( 1) 画法很简单, 利用渐近线迅速画出各典型环节的对频图 。
如,
)()()()( 321 ????? jGjGjGjG
)()()()( 321 ????? jGjGjGjG
)(lg)(lg)(lg)(lg 321 ??????? jGjGjGjG 幅频特性相加
)()()()( 321 ??????????? jGjGjGjG 相频特性相加
( 3) 对横坐标 ω取对数刻度, 可以扩大横坐标的频率范围, 既
可以看到高, 中频段的特性, 又不降低低频段 ( 感兴趣 )
的准确度 。
( 2)运算方便,串联环节总的对数频率特性,很容易通过各典
型环节的对数频率特性叠加得到。
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
( 1) 比例环节
KsG ?)(
分析:,1?K
,1?K
,1?K
Klg20
0.1 1 10 ?
0
20
﹣ 20
Glg20
0.1 1 10 ?
∠ G
0°
90°
﹣ 90°
0)()( ??? ?? jGKjGKjG ?? )(
0)(lg20 ??jG
0)(lg20 ??jG
0)(lg20 ??jG
Im
Re
K
? 改变增益,对相频特性没有影响,幅频特性只需上下平移。
当 K增加 10倍,分贝增加 20。
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
( 1) 比例环节
20lg20)10l g (20 ??? KK
? 当以分贝表示时,数值与其倒数之间相差一个符号
对于数值 K,KK 1lg20lg20 ??
..21 KKK ?,,, )lg( l g20lg20 21 ??? KKK 相加。,
nKn 20lg20)102 0 l g ( K ???
? 若放大环节串联
( 2)一阶惯性环节
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
RC滤波器,
1
1)(
?? TssG
221
1)(
??
??
T
jG
将 ωT作为变量,以使不同 T的环节能用相同的图形表示。
R
C U1 U2
)(1
)(2)(
sU
sUsG ?11)( ???? jTjG
?????????? )()()( Ta r ct gTa r ct gjG
1
1
?? RCs 1
1
?? Ts
画法,
( 2)一阶惯性环节
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
a)逐点计算法,
当 时,1???T 000)(lg201)( ?????? jGjG
当 时,5.0??T 0
2 6.261)(lg205.01
1)( ????
?? ??? dbjGjG
当 时,1??T 0453)(lg20
2
1)( ????? ??? dbjGjG
当 时,2??T 04.637)(lg20
5
1)( ????? ??? dbjGjG
当 时,1???T
090lg20)(lg201)( ????? ???
?? TjGTjG
,
1
1)(
22?? TjG ??
)( Ta rc tg ?? ??
0.1 0.5 1 2 10 T?
0
20
﹣ 20
Glg20 ∠ G
90°
0°
﹣ 90°
T?
( 2)一阶惯性环节
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
画法,a)逐点计算法,
0.1 0.5 1 2 10
l 相角对于转折频率点 是斜对称的 ?45???
b)渐近线法
( 2)一阶惯性(滞后)环节
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
画法,
低频段,1???T 一条 0db的直线 。
高频段,1???T
当 1??T
10??T
● 直线斜率为 –20db/dec
● 与低频段渐近线交于 Tω=1,叫作转折频率。
T1??
0)(lg20 ??jG
???? TjG lg20)(lg20
0)(lg20 ??jG
20)(lg20 ???jG
,
1
1)(
22?? TjG ??
0.1 1 10 T?
0
20
﹣ 20
Glg20
l 在转折频率处,幅频特性的误差最大。其误差值,
b)渐近线法
( 2)一阶惯性(滞后)环节
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
画法,
1?T?
5.0??T
l 若需精确, 可用校正曲线加以校正, 一般校正以上三点 。
dbjG 03.30(lg20 ?????
2??T dbjG 97.0)2lg20((lg20 ??????
,97.00(lg20 dbjG ?????
,
1
1)(
22?? TjG ??
T?0.1 0.5 1 2 10
20
?Tlg20?
0db
0
- 20
讨论,
( 2)一阶惯性(滞后)环节
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
1)一阶惯性环节,相位角始终为负,输出相位落后于输入,所
以称为滞后环节,反之称为超前环节。
TjjGssG ?????? 1)(,1)(如,互为倒数。
2) 一阶滞后环节具有低通滤波特性,
即:在低频段,1)( ??jG
高频段, 1)( ??jG
????? )( jG
输出复现输入。
输入信号被衰减。
3)时间常数 T的影响,讨论,( 2)一阶惯性(滞后)环节
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
0.1 1 10 T?
20
0
﹣ 20
Glg20
0.1 1 10
?
T=1
T=2 ?
0.05 0.5 5
?
T=0.5
0.2 2 20
?0.1 0.5 1 2 10
Glg20
20
0
﹣ 20
T=0.5
T=1 T=2
?0.1 0.5 1 2 10
∠ G
0°
-45°
-90°
T↓→曲线右移, 引起幅值衰减, 相角滞后的频段减少 。
T↑→曲线左移, 引起幅值衰减, 相角滞后的频段加宽 。
T→0 时, 接近于一个 比例环节特性 。
( 3)纯积分环节
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
sTsG i
1)( ?
?90)l g (20)(lg201)( ???????
??? ii TjGTjG
横坐标取 。
iT?
幅频特性 是一条 斜率为 -20db/dec直线, 且该直线通过
的点 。 为一 平行线 。 0lg20,1 1 ????? GT
iTi
?90???
0.1 1 10 iT?
20
0
﹣ 20
Glg20
?????? ii TjjTjG
11)(
0.1 1 10
∠ G
0°
﹣ 90°
iT?
若传递函数中有 2个积分器串联,iT 相同,
( 3)纯积分环节
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
幅频特性,
222 1)(1 lg20lg20 ii TTj ?? ?
斜率为 -40db/dec的直线 。
相频特性,)90(2 ?????
若有几个积分环节可以以此类推 。
iT???? lg202 iT??? lg40
?180?? 0.1 1 10
iT?
40
0
﹣ 40
Glg20
0.1 1 10
∠ G
0°
﹣ 180°
iT?
( 4)纯滞后环节
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
sesG ???)(
横坐标,τω
? 纯滞后环节不影响幅频特性, 只影响相
频特性 ( 与比例环节恰相反 ) 。
? 相角滞后随 ω增加而迅速线性增加 。 纯
滞后引起的高频滞后是极为严重的 。 ??﹣ 180°
﹣ 90°
0.1 1 10
∠ G
0°
1)( ??jG
)( ???? jG
????? jejG )(
0)(lg20 ??jG
弧度)(???? 度)(- 5 7, 3???
0.1 1 10 ??
20
0
﹣ 20
Glg20
( 5)比例积分环节( Kc=1)
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
sTsG i
11)( ??
???? ijTjG
11)(
2)1(1)(
???? iTjG
低频段,时,1???iT
??? iTjG
1)( ???? iTjG lg20)(lg20 相当于积分环节。,
高频段,1???iT 时,
1)( ???jG 0)(lg20 ??jG,相当于比例环节。
相频特性,
0900 ????? 0451 ?????iT 00??? ??;;
??? iTj
11
)1( ????
iT
a rc tg
讨论,
( 5)比例积分环节( Kc=1)
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
0.1 1 10 Ti?
20
0
﹣ 20
Glg20
0°
0.1 1 10
∠ G
-45°
﹣ 90°
Ti?
a) 在低频段, 积分起作用, 使幅值增高, 相位滞后 。
b) 高频段, 相当于比例作用 。
c) Kc变化, 曲线上下移动 。
d) Ti变化, 起作用的频段不同 。,∵,∴ 转折
频率 ↓,左移, 起积分作用的频段减小 。 Ti↓,积分作用
增强, 起作用的频段增加 。
?iT
iT
1??
sTsG i
11)( ??
( 6)理想比例微分环节( Kc=1)
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
,1)( sTsG d??
2)(1)( ?? dTjG ??
低频段,1???dT 1)( ??jG
高频段,1???dT ???
dTjG )(
是斜率为 20db/dec的直线 。
相频特性,
,?00 ????dT
???? djTjG 1)(
??? da rct gT
0)(lg20 ??jG
??? dTjG lg20)(lg20
090?????dT,?451 ????
dT
讨论,
( 6)理想比例微分环节( Kc=1)
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
90°
0.1 1 10
∠ G
0°
45°
Td?0.1 1 10 Td?
20
0
﹣ 20
Glg20
a) 在低频段, 微分不起作用 。
b) 在高频段,微分起作用,使幅值增加,相角超前。
c) Td变化, 则起作用的频段变化 。 转折频率
左移, 曲线左移, 起作用的频段增加, 微分作用增强 。
Td↓,曲线右移, 起作用的频段减小, 微分作用减弱 。
dTdT 1,?? ?
( 7)理想 PID环节
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
sTsTsG d
i
??? 11)(
?????? d
i
jTTjjG 11)(
2)1(1)(
?????? id TTjG )
1(
????? id TTa r c tg
( Td<Ti,Kc=1)
)1(1 ?????
i
d TTj
1???
相当于 比例积分环节,转折频率在
iT1??
2)1(1)(
???? iTjG
( 7)理想 PID环节( Td<Ti,Kc=1)
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图)
渐近线:,lg20)(lg20
iTjG ????
1??? 2)(1)( ???? dTjG
相当于 比例微分环节,转折频率在
dT1??
渐近线:,lg20)(lg20
dTjG ???
横坐标,ω
)1( ????
iT
a rc tg
090???
)( ??? dTa rct g
090??
2)1(1)(
?????? id TTjG
)1( ?????
i
d TTa rc tg
( 7)理想 PID环节( Td<Ti,Kc=1)
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
低频段,近似于比例积分特性,相角滞后,
高频段,近似于比例微分特性,相角超前。
Bode图如下,
0.1 1 10 ?
20
0
﹣ 20
Glg20
iT1 dT1
低频段积分起作用,高频段微分起作用。
相角:低频段滞后,高频段超前。
﹣ 90°
90°
0.1 1 10
∠ G
0°
?
iT1 dT1
作业,A-5-4 (1) (2)
思考:互为倒数的传递函数, 对称虚轴的传递函数
频率特性的差别 。 如,
1,11,1 ??? TsTsTs
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
2
00
2
2
0
2)( ?????
??
sssG
1)2()(
1)(
0
2
0
??? ????
??
jj
jG
,
)2(])(1[
1)(
2
0
22
0 ?
??
?
?
?
??
?jG
横坐标,
o?
?
1)2()(
1
0
2
0
?
?
??
?
?
ss
0
2
0
2)(1
1
?
????
?
??? j
)( ???? jG ]
)(1
2
[
2
0
0
?
?
?
?
?
?
?? a r c tg
( 8)二阶惯性(滞后)环节,
( 8)二阶惯性(滞后)环节,
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
以 为横坐标, ζ为参变量 。 取
不同 ζ值, 算出,
0??
0
~)( ???jG
0
~)( ???? jG
1)逐点计算作图 7075??????
????
?
?
?
0
20
40
﹣ 20
﹣ 40
﹣ 60
0.1 1 10 ???
0
﹣ 45
﹣ 90
﹣ 135
﹣ 180
110? 010 110
???
? 当 ζ>0.707,ω接近 ω0时,
出现谐振。
2)渐近线法作图
( 8)二阶惯性(滞后)环节,
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图)
低频段,
,1
0
????
高频段,
,1
0
????
)l g (40)(lg20
)(
1
)(
02
0
?
?
?
?
?
? ??? jGjG
dbjGjG 0)(lg201)( ?? ??
,0?? ??
,0????
2
0
22
0
)2(])(1[
1)(
?
??
?
?
?
??
?jG
]
)(1
2
[
2
0
0
?
?
?
?
?
?
?
?? a r c tg
00??
0180???
当
1
0
??? 时,即 时,o??? 01lg40)(lg20 ????jG
10
0
??? 时,即 时,o?? 10? dbjG 4010lg40)(lg20 ?????
2)渐近线法作图
( 8)二阶惯性(滞后)环节,
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
两条渐近线交于 点,ω0 称为转折频率 。 1
0
???
每变化 10倍频程, 幅频特性下降 -40db,是一条斜率
为 -40db/dec的直线 。
0?
?
0.1 1 10
40
0
﹣ 40
Glg20
??
?
2)渐近线法作图
( 8)二阶惯性(滞后)环节,
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
? 渐进线与实际曲线的误差与 ξ值有关,ξ 越小,误差越大;
? 谐振频率, ξ→0,ωr → ω0;
? 谐振峰值,ξ→0,Mr →∞;
? ξ=0.707,没有谐振现象;
? 需要时,可用校正曲线校正。
0
20
40
﹣ 20
﹣ 40
﹣ 60
0.1 1 10 ???
707
5
???
???
????
?
?
?
?
?
?
??
??
??
?
?
??
?
???
?
?
??
2
1
)(
21
0
(
0
rr
r
jGM
d
jGd
r
3)二阶特性讨论
( 8)二阶惯性(滞后)环节,
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
a) 低频部分 与一阶滞后环节相似, 能复现低频信号的能力很
强 ( 低通滤波 ) 。
b) 高频段 曲线以 -40db/dec的斜率下降, 对高频信号滤波能
力比一阶环节的更强 。 在高频段引起较大的相位滞后, 最
大相位差为 -180° 。
c)在 ξ比较小 的情况下,在 附近 (转折频率左面 ) 幅频
特性曲线会出现峰值(谐振),ξ越小,峰值越高。当 ξ=0
时,峰值趋向无穷大,谐振频率趋向 ω0。
1
0
???
总结,
利用渐近线法绘出典型环节的对数坐标图方法,
① 求出转折频率
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
② 绘制低频段渐近线
③ 绘制高频段渐近线
④ 如果需要精确曲线,用 误差曲线 校正。
( 9)讨论
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
1) 互为倒数的传递函数的频率特性
? 其对数幅频特性数值相等, 符号相反;
? 相角也差一个负号 。
)(lg201lg20)( 1lg20 ???? jGjG
)(1)( 1 ?? jGjG ?????
)(lg20 ??? jG
)( ?jG???
互为倒数的传递函数,对数幅值和相角都差一个负号。
如:一阶 滞后环节 与一阶 超前环节, 积分环
节 与 微分环节 的对数频率特性曲线是互为对称的。
)1(1 ?Ts 1?Ts
Ts1
Ts
( 9)讨论
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
0.1 1 10 t?
20
0
﹣ 20
Glg20
)1(1 ?Ts
1?Ts
0.1 1 10 t?
90°
∠ G
0°
﹣ 90° )1(1 ?Ts
1?Ts
0.1 1 10 t?
20
0
﹣ 20
Glg20
Ts1 Ts
0.1 1 10 t?
90°
∠ G
0°
﹣ 90° Ts1
Ts
2) 比较 的频率特性 11,11 ?? TsTs
,11)( ?? TssG
( 9)讨论
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
幅频特性 与典型一阶惯性环节相同 。
相频特性,根据实、虚部的数值,相角在第 3象限。
,1???,/1 T??,1???
1
1)(
???? TjjG
Ttg ??? ? 1,
1
1
22
?
??
? je
T
,1 8 00???,135 0??? 090???
2222 11
1
1
1
1( ??
??
??????
???
??
???
?
?
??
?
?? jj
j
jjG
2) 比较 的频率特性 11,11 ?? TsTs
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
幅频特性相同。
﹣ 20
0.1 1 10 T?
20
0
Glg20
)1(1 ?Ts
∠ G
0.1 1 10 T?
90°
0°
﹣ 90°
T?
∠ G
0.1 1 10
0°
-90°
﹣ 180°
0.1 1 10 T?
20
0
﹣ 20
Glg20
)1(1 ?Ts
2) 比较 的频率特性。 11,11 ?? TsTs
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
前者是 最小相位系统, 后者 是非最小相位系统 。
最小相位系统,零极点均在复平面的左半平面, 1,2,3阶
系统的最大相移为 -90,-180,-270度 。
非最小相位系统,其中某一零点或极点在复平面的右半平面 ( 不
稳定的零极点 ), 相角则要超过以上数值 。
4、绘制一般系统的对数坐标图的步骤
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
3) 找出各典型环节频率特性的转折频率。 注意,
,1,11 TTs ???
5) 确定纵坐标的分度范围, 根据典型环节的幅频,
相频特性 ( 低频, 高频 ) 确定 。 注意单位,db,度 。
4) 确定横坐标的分度范围,根据转折频率确定。
如有 3个转折频率,ω小, ω中, ω大 。
,1 ??? as
ω取值为,0.1ω小 ~10ω大 。一般取整倍的 10倍频程。
系统频率特性改写成典型环节频率特性的乘积
先不考虑 K值
6) 绘制各典型环节频率特性的渐近线,
4、绘制一般系统的对数坐标图的步骤
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
7) 将所有典型环节的幅频特性曲线相加, 得到总系统的
对数幅频坐标图
.,,lg20lg20lg20 21 ??? KKK
9) 分别绘制各典型环节的对数相频特性图
10) 叠加, 得到总系统的相频特性图,..21 ??????
若需要,在转折
频率左右倍频程内修正误差
8) 考虑 K值,在幅频特性曲线上平移
例 1,一个压力调节系统, 方块图如图, 求广义对象对数坐标图 。
4、绘制一般系统的对数坐标图的步骤
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
Gc Gv G01 G02 Gm
﹢
﹣
x y
调节器 调节阀 对象 1 对象 2 变送器
其中,
,12 5.11 ???? ssT KG
V
V
V
广义G 1
15
8.0
110
3
12
5.1 ?
?????? sss
15
1
110
1
12
16.3
??????? sss
mv GGGG 0201?
110
3
101
01
01 ???? ssT
KG
,15 8.01
02
02
02 ???? ssT
KG 1?? mm KG
注意:画频率特性所用的传递函数形式(标准形式)与画
根轨迹(零极点形式)时不同。
4、绘制一般系统的对数坐标图的步骤
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
222 251
1lg20
1 0 01
1lg20
41
1lg206.3lg20||lg20
??????????G
1.116.3lg20 ?
mv GGGGG ????????? 0201广义
???????? 5102 a r c t ga r c t ga r c t g
广义G 15 1110 112 16.3 ??????? sss例 1,
按步骤,4、绘制一般系统的对数坐标图的步骤
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
例 1,
15
1
110
1
12
16.3
??????? sssG 广义
1),
2) 先设 K=1。不考虑比例环节。
3) 求转折频率。 5.0,2.0,1.0 321 ??????
4) 确定横坐标范围。
5) 确定纵坐标范围。根据典型环节的对数坐标图。
上限 ≤3.6,, 取 20db。 G 1.11lg20 ?K
幅频,
下限 3倍的十倍频程, 下降 -60db。 确定 (20db~-60db )。
上限 0°, 下限 -270° 。 3个 -90° 。 确定 ( 0~-270° )
相频,
三个一阶惯性环节与一个比例环节串联。
ω取( 0.01~10)。
Bode图如右,
4、绘制一般系统的对数坐标图的步骤
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
步骤,例 1,
7) 幅频特性相加 。
8) 考虑 K值 。 注意 K相加情况 。
9) 绘制相频特性 。
10) 相加。完成。
6)绘制各典型环节的对数幅频图,
不需要修正。
15
1
110
1
12
16.3
??????? sssG 广义
例 2,
4、绘制一般系统的对数坐标图的步骤
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
绘制传递函数为 的 Bode图。
11.0
)18.0(5)(
?
??
s
ssG
1,分解为 3个典型环节串联, 比例环节 K=5,一阶超前环
节,一阶滞后环节 。 18.0 ?s 11.0/1 ?s
7,画典型环节的相频特性图 。
2、设 K=1。
1025.1 21 ?????3、转折频率,
4、取 ω,0.1~100。
5、画以上环节的 Bode图。
6、考虑 K,平移。
8、叠加,完成。
0.1 1 10 ?
20
0
﹣ 20
Glg20
100 1.25
90°
∠ G
0°
﹣ 90°
0.1 1 10 ?100 1.25
45°
﹣ 45°
问题,
给定上述图, 如何反推系统的传递函数, K如何确定 。
4、绘制一般系统的对数坐标图的步骤
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
例 2,
11.0
)18.0(5)(
?
??
s
ssG 1025.1 21 ?????
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
例 3,已知某系统的对数幅频特性如图所示,求传递函数。
分析,
? 低频段斜率 20db/dec,说明有一微分环节
? 过 ω2,为 0db的直线,说明以 ω2为转折频率,有一个一阶
惯性环节
? 过 ω3,斜率为- 20db/dec,说明以 ω3为转折频率,有一个
一阶惯性环节
0
传递函数可写成,
)1)(1(
)(
??
?
?? ??
ss
KssG
确定 K值,
0
在 ω< ω1时,微分环节的模为 K ω。根据图示,有,
??? ???? ??? ?? /1,1,0lg20 KΚK 求出即
因此,传递函数为,
)1)(1(
)(
??
?
??
? ???
ss
ssG
作业,A-5-4 (4)(5),A-5-8
第五章频率特性分析
图示方法,
3、对数幅相图(尼柯尔斯图) Nichols
2、对数坐标图(伯徳图) Bode
1、极坐标图(奈魁斯特图) Nyquist
典型环节,
一阶环节,二阶环节,放大环节,纯滞后环节等
√
√
一、极坐标图
第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
是 ω的复变函数 。 )( ?jG
??????? jGejGjG (()(
1,定义
当 ω从 0→∞ 变化时, 矢量 的端点在复平面上形成的轨
迹叫作 G(jω)的极坐标图或 Nyquist图 。
)( ?jG
)()()( ????? jVUjG
矢量 的端点在实轴与虚轴上的投影分别为 的实
部 和虚部坐标, 它们分别叫作 实频特性 和 虚频
特性,
)( ?jG
)(?U )(?V
)( ?jG
即,
Im
Re
)( ?? jG
)( ?jG
ω
U(ω)
V(ω)
2、极坐标图的作图方法
一、极坐标图 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
根据频率特性的两种表示方式做图 。
2,已知, 将不同的 ω代入, 计算实部和虚部, )( ?jG
)()()( ????? jVUjG, 做图。
1,已知, 将不同的 ω代入, 计算 和 ∠,)( ?jG)( ?jG )( ?jG
做图;
极坐标图在概念分析上比较清楚, 直观, 特别在分析
系统稳定性上经常用到 。
极坐标图画起来复杂,运算也较繁琐,要遵循矢量运
算规则。
优点,
缺点,
?????? ??? jGejGjG ((
3、一些典型环节的极坐标图
一、极坐标图 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
( 1) 一阶惯性环节
1)( ?? Ts
KsG
???
??
?? a r c tg T
T
KjG
221)(
当 时,0??
?0)()( ????? jGKjG
当 时,
T
1??
?45)(
2)( ?????? jG
KjG
当 时,???
?90)(0)( ?????? jGjG
Im
Re ???
0??
K
?
证明,
当, 时, 矢量 端点的轨迹是一个半圆 。 ? ??0 )( ?jG
3、一些典型环节的极坐标图
一、极坐标图 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
( 1) 一阶惯性环节
Im
Re
?
???? jT
KjG
1)(
2222 11 ??
??
??? T
KTj
T
K )()( ???? jVU
)1)(1(
)1(
????
???
jTjT
jTK
其中,
2222 1)(1)( ??
????
???? T
KTV
T
KU ??? T
U
V
则,
221 ??? T
KU
整理,KUVU ?? 22,经配方,
即,222
22 ??
??
?
????
?
??
?
? ? KVKU, 圆的方程。圆心 (K/2,j0),半径 K/2。
22
2
???
?
??
?
? T
U
V
2
1 ?
?
?
?
?
??
?
U
V
K
22
2
VU
KU
??
??? 0??K/2
Im
Re
??? 0??
K
?
????
3、一些典型环节的极坐标图
一、极坐标图 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
( 1) 一阶惯性环节
??? ?? jGjG (( 与 为共轭复数。
当 ω,-∞→+∞,得到完整的频率特性。
顺时针方向是频率特性变化的方向,即 ω增加的方向。
( 2)放大环节
3、一些典型环节的极坐标图
一、极坐标图 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
KjG ?? )(KsG ?)(
其幅频特性和相频特性均为常数。 分别为,
?0)()( ????? jGKjG
不随 ω变化。
( 3)纯滞后环节
sesG ???)(
?????????? ??? )(1)()( jGjGejG j
幅频特性不变,恒为 1,相频特性为 ω的线性函数,周期变化。
频率特性是一周期变化的单位圆。
Im
Re 0 1
ω
Im
Re
K
( 4)一阶加纯滞后环节
3、一些典型环节的极坐标图
一、极坐标图 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
se
TssG
??
?? 1
1)(
???
????
je
jTjG 1
1)(
分析,当 时,0?? ?0)(1)( ????? jGjG
? ↗
?jG( ↘
)( ?? jG 在负的方向上逐渐增加(随 ω周期线性变化)。
当 时,??? ??????? )(0)( jGjG
图形为一螺旋线。
Im
Re 1
?
Ta r c tg
T
??????
??
?
221
1
( 5)积分环节与微分环节
3、一些典型环节的极坐标图
一、极坐标图 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
,1)( ssG ?
???
1)( jG
,)( ssG ?
??? )( jG
??? jjG
1)(
???
1j
090)( ???? jG
??? jjG )(
090)( ??? jG
w
w
( 6)二阶惯性环节
3、一些典型环节的极坐标图
一、极坐标图 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
2
00
2
2
0
2)( ???
?
??? sssG
22
0
0
22
0
222
0
2
0 2
4)(
)( ??? ?????
???????
??? a r c t gjG
分析,
当 时, 0??
?0)(1)( ????? jGjG (低频特性)
当 时,
0???
?90)()( 21 ?????? ? jGjG
当 时, ???
?1 8 0)(0)( ?????? jGjG
(高频特性)
?
?2
??? 0??1
Im
Re
?1
2
00
2
2
0
)(2)()( ???????
???
jjjG
一、极坐标图 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
( 6)二阶惯性环节
? 随着 ω的增加,相位滞后越大,0 →- 180° 。
? 与虚轴交点频率 ω= ω0
? 幅频特性不仅是 ω的函数,也是 ζ的函数。
?当 ζ小于 0.707 后,幅频特性超过 1。
? 在最大峰值处 ω= ωr(谐振频率),系统产生谐振。
谐振峰值 Mr,
?
?
?
??
??
??
?
?
??
?
???
?
?
??
2
1
)(
21
0
(
0
rr
r
jGM
d
jGd
r
临界参数, ? ?? ? ??? ??,0r
( 7)三阶环节
3、一些典型环节的极坐标图
一、极坐标图 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
)1)(1)(1(
1)(
321 ???
? sTsTsTsG
???????
????????
?? 321
22
3
22
2
22
1 111
1)( a r c tg Ta r c tg Ta r c tg T
TTT
jG
分析,
当 时,0?? ?0)(1)( ????? jGjG
? ↗
)( ?? jG 在负的方向上逐渐增加
?jG( ↙
当 时,??? ?2 7 0)(0)( ?????? jGjG
Im
Re
?
1
)1)(1)(1(
1)(
321 ??????
?? jTjTjTjG
( 8) PI环节
3、一些典型环节的极坐标图
一、极坐标图 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
)11()( sTKsG
i
c ??
)11()( ????
i
c jTKjG
2211)( iTcKjG ?? ??
0??
实部不变 =Kc,虚部随 改变,按实虚部作图。 ?
Im
Re
0??
???Kc
Kc T
i
1??
??? i
c
c T
KjK
iTtgjG ?? 1
1)( ????
iT/1??
???
??????????? VKUjGjG c?90)()(
ccc KVKUjGKjG ????????? ?45)(2)(
00)()( ??????? VKUjGKjG cc ?
( 9) PID环节
3、一些典型环节的极坐标图
一、极坐标图 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
)11()( sTsTKsG d
i
c ???
?????? dc
i
c
c TjKT
KjKjG )(
分析,
)1()( 1
i
d TTtgjG ???????
?
实部不变 =Kc,虚部随 改变。 ?
0
0
0
90
00
1
,0
1
900
???
????
???
?
c
c
di
d
i
c
K
K
TT
T
T
K
VU
??
?
?
Im
Re
0
Kc
?
﹣ ∞
﹢ ∞
低频时积分起主要作用, 相位滞后, 高频时, 微
分起主要作用, 相位超前 。 ?90
?90物理意义,
)( ?????
i
c
dcc T
KTKjK
总结,频率特性的一般形式为,
mnTjTjTjj TjTjTjKjG
n
m ?
???
????
)1),,, (1)(1()(
)1'),,, (1')(1'()(
21
21
????
????
?
一、极坐标图 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
常见极坐标图有三种,
1,0型系统( λ=0,没有积分环节)
一阶 二阶 三阶
特点,起始点在正实轴,终止在原点。
1)( ?? Ts
KsG
2
00
2
2
0
2)( ???
?
??? sssG )1)(1)(1(
1)(
321 ???
? sTsTsTsG
2,1型系统 ( λ=1,有一个积分环节 )
)1(
1)(
????? TjjjG
3,2型系统 ( λ=2,2个积分环节串联 )
)]12)[()(
1)(
22 ??? TjTjjjG ?????
例,
例,
Im
Re
总结,
一、极坐标图 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
﹣ T
W↑
Im
Re
? →
例,
总结,
一、极坐标图 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法 常见极坐标图有三种,
11 j?
Ⅰ Ⅱ
Ⅲ Ⅳ
0??tg
???? )2/(tg
000 ?tg
??? )2/(tg
作业,
角度的选择:不能只根据 tg-1,还要根据复数实部、虚
部的符号,判断在哪个象限。
注意,
11 j?
11 j??
11 j??
011 451
1
1 ?? ?? tgtg
011 451
1
1 ????? ?? tgtg
00011 1 3 52 2 5451
1
1 ???????
?
? ?? tgtg
0011 135451
1
1 ??????
?
?? tgtg
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
)()()( ??? jGjGjG ??
?? ~)( jG 幅频特性图
??? ~)( jG 相频特性图
1,坐标的选择
( 1) 横坐标都取 ω的对数刻度, 以 10为底 。 但仍标以角频率 ω。
0.1 1 10 100
–1 0 1 2
?
?lg
每一大格,频率变化了 10倍,叫一个 十倍频程,记做 /dec 。
选择频率范围时,一般在感兴趣的频率范围附近取 2~ 3个 dec即
可。
( 2) 相频特性 的纵坐标,为相角,以度为单位,取等分刻度。
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
1,坐标的选择
相频特性采用半对数坐标纸。
﹣ 135°
0
45°
90°
﹣ 45°
﹣ 90°
?
?0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 1 2 3 4 5 6 7 10
(3) 幅频特性 的纵坐标 一般取 的对数 —20 的 )( ?jG )(lg ?jG
值。单位是分贝( db)。采用等分刻度,采用半对数坐标纸。
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法 1,坐标的选择
换算关系,100 10 1 0.1 0.01
2 1 0 ﹣ 1 ﹣ 2
40 20 0 ﹣ 20 ﹣ 40
)( ?jG
)(lg ?jG
)(lg20 ?jG
0
)(lg20 ?jG
10
20
﹣ 10
﹣ 20
?0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 1 2 3 4 5 6 7 10
2、特点
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
( 1) 画法很简单, 利用渐近线迅速画出各典型环节的对频图 。
如,
)()()()( 321 ????? jGjGjGjG
)()()()( 321 ????? jGjGjGjG
)(lg)(lg)(lg)(lg 321 ??????? jGjGjGjG 幅频特性相加
)()()()( 321 ??????????? jGjGjGjG 相频特性相加
( 3) 对横坐标 ω取对数刻度, 可以扩大横坐标的频率范围, 既
可以看到高, 中频段的特性, 又不降低低频段 ( 感兴趣 )
的准确度 。
( 2)运算方便,串联环节总的对数频率特性,很容易通过各典
型环节的对数频率特性叠加得到。
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
( 1) 比例环节
KsG ?)(
分析:,1?K
,1?K
,1?K
Klg20
0.1 1 10 ?
0
20
﹣ 20
Glg20
0.1 1 10 ?
∠ G
0°
90°
﹣ 90°
0)()( ??? ?? jGKjGKjG ?? )(
0)(lg20 ??jG
0)(lg20 ??jG
0)(lg20 ??jG
Im
Re
K
? 改变增益,对相频特性没有影响,幅频特性只需上下平移。
当 K增加 10倍,分贝增加 20。
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
( 1) 比例环节
20lg20)10l g (20 ??? KK
? 当以分贝表示时,数值与其倒数之间相差一个符号
对于数值 K,KK 1lg20lg20 ??
..21 KKK ?,,, )lg( l g20lg20 21 ??? KKK 相加。,
nKn 20lg20)102 0 l g ( K ???
? 若放大环节串联
( 2)一阶惯性环节
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
RC滤波器,
1
1)(
?? TssG
221
1)(
??
??
T
jG
将 ωT作为变量,以使不同 T的环节能用相同的图形表示。
R
C U1 U2
)(1
)(2)(
sU
sUsG ?11)( ???? jTjG
?????????? )()()( Ta r ct gTa r ct gjG
1
1
?? RCs 1
1
?? Ts
画法,
( 2)一阶惯性环节
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
a)逐点计算法,
当 时,1???T 000)(lg201)( ?????? jGjG
当 时,5.0??T 0
2 6.261)(lg205.01
1)( ????
?? ??? dbjGjG
当 时,1??T 0453)(lg20
2
1)( ????? ??? dbjGjG
当 时,2??T 04.637)(lg20
5
1)( ????? ??? dbjGjG
当 时,1???T
090lg20)(lg201)( ????? ???
?? TjGTjG
,
1
1)(
22?? TjG ??
)( Ta rc tg ?? ??
0.1 0.5 1 2 10 T?
0
20
﹣ 20
Glg20 ∠ G
90°
0°
﹣ 90°
T?
( 2)一阶惯性环节
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
画法,a)逐点计算法,
0.1 0.5 1 2 10
l 相角对于转折频率点 是斜对称的 ?45???
b)渐近线法
( 2)一阶惯性(滞后)环节
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
画法,
低频段,1???T 一条 0db的直线 。
高频段,1???T
当 1??T
10??T
● 直线斜率为 –20db/dec
● 与低频段渐近线交于 Tω=1,叫作转折频率。
T1??
0)(lg20 ??jG
???? TjG lg20)(lg20
0)(lg20 ??jG
20)(lg20 ???jG
,
1
1)(
22?? TjG ??
0.1 1 10 T?
0
20
﹣ 20
Glg20
l 在转折频率处,幅频特性的误差最大。其误差值,
b)渐近线法
( 2)一阶惯性(滞后)环节
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
画法,
1?T?
5.0??T
l 若需精确, 可用校正曲线加以校正, 一般校正以上三点 。
dbjG 03.30(lg20 ?????
2??T dbjG 97.0)2lg20((lg20 ??????
,97.00(lg20 dbjG ?????
,
1
1)(
22?? TjG ??
T?0.1 0.5 1 2 10
20
?Tlg20?
0db
0
- 20
讨论,
( 2)一阶惯性(滞后)环节
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析 § 2 频率特性的常用图示法
1)一阶惯性环节,相位角始终为负,输出相位落后于输入,所
以称为滞后环节,反之称为超前环节。
TjjGssG ?????? 1)(,1)(如,互为倒数。
2) 一阶滞后环节具有低通滤波特性,
即:在低频段,1)( ??jG
高频段, 1)( ??jG
????? )( jG
输出复现输入。
输入信号被衰减。
3)时间常数 T的影响,讨论,( 2)一阶惯性(滞后)环节
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
0.1 1 10 T?
20
0
﹣ 20
Glg20
0.1 1 10
?
T=1
T=2 ?
0.05 0.5 5
?
T=0.5
0.2 2 20
?0.1 0.5 1 2 10
Glg20
20
0
﹣ 20
T=0.5
T=1 T=2
?0.1 0.5 1 2 10
∠ G
0°
-45°
-90°
T↓→曲线右移, 引起幅值衰减, 相角滞后的频段减少 。
T↑→曲线左移, 引起幅值衰减, 相角滞后的频段加宽 。
T→0 时, 接近于一个 比例环节特性 。
( 3)纯积分环节
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
sTsG i
1)( ?
?90)l g (20)(lg201)( ???????
??? ii TjGTjG
横坐标取 。
iT?
幅频特性 是一条 斜率为 -20db/dec直线, 且该直线通过
的点 。 为一 平行线 。 0lg20,1 1 ????? GT
iTi
?90???
0.1 1 10 iT?
20
0
﹣ 20
Glg20
?????? ii TjjTjG
11)(
0.1 1 10
∠ G
0°
﹣ 90°
iT?
若传递函数中有 2个积分器串联,iT 相同,
( 3)纯积分环节
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
幅频特性,
222 1)(1 lg20lg20 ii TTj ?? ?
斜率为 -40db/dec的直线 。
相频特性,)90(2 ?????
若有几个积分环节可以以此类推 。
iT???? lg202 iT??? lg40
?180?? 0.1 1 10
iT?
40
0
﹣ 40
Glg20
0.1 1 10
∠ G
0°
﹣ 180°
iT?
( 4)纯滞后环节
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
sesG ???)(
横坐标,τω
? 纯滞后环节不影响幅频特性, 只影响相
频特性 ( 与比例环节恰相反 ) 。
? 相角滞后随 ω增加而迅速线性增加 。 纯
滞后引起的高频滞后是极为严重的 。 ??﹣ 180°
﹣ 90°
0.1 1 10
∠ G
0°
1)( ??jG
)( ???? jG
????? jejG )(
0)(lg20 ??jG
弧度)(???? 度)(- 5 7, 3???
0.1 1 10 ??
20
0
﹣ 20
Glg20
( 5)比例积分环节( Kc=1)
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
sTsG i
11)( ??
???? ijTjG
11)(
2)1(1)(
???? iTjG
低频段,时,1???iT
??? iTjG
1)( ???? iTjG lg20)(lg20 相当于积分环节。,
高频段,1???iT 时,
1)( ???jG 0)(lg20 ??jG,相当于比例环节。
相频特性,
0900 ????? 0451 ?????iT 00??? ??;;
??? iTj
11
)1( ????
iT
a rc tg
讨论,
( 5)比例积分环节( Kc=1)
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
0.1 1 10 Ti?
20
0
﹣ 20
Glg20
0°
0.1 1 10
∠ G
-45°
﹣ 90°
Ti?
a) 在低频段, 积分起作用, 使幅值增高, 相位滞后 。
b) 高频段, 相当于比例作用 。
c) Kc变化, 曲线上下移动 。
d) Ti变化, 起作用的频段不同 。,∵,∴ 转折
频率 ↓,左移, 起积分作用的频段减小 。 Ti↓,积分作用
增强, 起作用的频段增加 。
?iT
iT
1??
sTsG i
11)( ??
( 6)理想比例微分环节( Kc=1)
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
,1)( sTsG d??
2)(1)( ?? dTjG ??
低频段,1???dT 1)( ??jG
高频段,1???dT ???
dTjG )(
是斜率为 20db/dec的直线 。
相频特性,
,?00 ????dT
???? djTjG 1)(
??? da rct gT
0)(lg20 ??jG
??? dTjG lg20)(lg20
090?????dT,?451 ????
dT
讨论,
( 6)理想比例微分环节( Kc=1)
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
90°
0.1 1 10
∠ G
0°
45°
Td?0.1 1 10 Td?
20
0
﹣ 20
Glg20
a) 在低频段, 微分不起作用 。
b) 在高频段,微分起作用,使幅值增加,相角超前。
c) Td变化, 则起作用的频段变化 。 转折频率
左移, 曲线左移, 起作用的频段增加, 微分作用增强 。
Td↓,曲线右移, 起作用的频段减小, 微分作用减弱 。
dTdT 1,?? ?
( 7)理想 PID环节
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
sTsTsG d
i
??? 11)(
?????? d
i
jTTjjG 11)(
2)1(1)(
?????? id TTjG )
1(
????? id TTa r c tg
( Td<Ti,Kc=1)
)1(1 ?????
i
d TTj
1???
相当于 比例积分环节,转折频率在
iT1??
2)1(1)(
???? iTjG
( 7)理想 PID环节( Td<Ti,Kc=1)
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图)
渐近线:,lg20)(lg20
iTjG ????
1??? 2)(1)( ???? dTjG
相当于 比例微分环节,转折频率在
dT1??
渐近线:,lg20)(lg20
dTjG ???
横坐标,ω
)1( ????
iT
a rc tg
090???
)( ??? dTa rct g
090??
2)1(1)(
?????? id TTjG
)1( ?????
i
d TTa rc tg
( 7)理想 PID环节( Td<Ti,Kc=1)
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
低频段,近似于比例积分特性,相角滞后,
高频段,近似于比例微分特性,相角超前。
Bode图如下,
0.1 1 10 ?
20
0
﹣ 20
Glg20
iT1 dT1
低频段积分起作用,高频段微分起作用。
相角:低频段滞后,高频段超前。
﹣ 90°
90°
0.1 1 10
∠ G
0°
?
iT1 dT1
作业,A-5-4 (1) (2)
思考:互为倒数的传递函数, 对称虚轴的传递函数
频率特性的差别 。 如,
1,11,1 ??? TsTsTs
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
2
00
2
2
0
2)( ?????
??
sssG
1)2()(
1)(
0
2
0
??? ????
??
jj
jG
,
)2(])(1[
1)(
2
0
22
0 ?
??
?
?
?
??
?jG
横坐标,
o?
?
1)2()(
1
0
2
0
?
?
??
?
?
ss
0
2
0
2)(1
1
?
????
?
??? j
)( ???? jG ]
)(1
2
[
2
0
0
?
?
?
?
?
?
?? a r c tg
( 8)二阶惯性(滞后)环节,
( 8)二阶惯性(滞后)环节,
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
以 为横坐标, ζ为参变量 。 取
不同 ζ值, 算出,
0??
0
~)( ???jG
0
~)( ???? jG
1)逐点计算作图 7075??????
????
?
?
?
0
20
40
﹣ 20
﹣ 40
﹣ 60
0.1 1 10 ???
0
﹣ 45
﹣ 90
﹣ 135
﹣ 180
110? 010 110
???
? 当 ζ>0.707,ω接近 ω0时,
出现谐振。
2)渐近线法作图
( 8)二阶惯性(滞后)环节,
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图)
低频段,
,1
0
????
高频段,
,1
0
????
)l g (40)(lg20
)(
1
)(
02
0
?
?
?
?
?
? ??? jGjG
dbjGjG 0)(lg201)( ?? ??
,0?? ??
,0????
2
0
22
0
)2(])(1[
1)(
?
??
?
?
?
??
?jG
]
)(1
2
[
2
0
0
?
?
?
?
?
?
?
?? a r c tg
00??
0180???
当
1
0
??? 时,即 时,o??? 01lg40)(lg20 ????jG
10
0
??? 时,即 时,o?? 10? dbjG 4010lg40)(lg20 ?????
2)渐近线法作图
( 8)二阶惯性(滞后)环节,
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
两条渐近线交于 点,ω0 称为转折频率 。 1
0
???
每变化 10倍频程, 幅频特性下降 -40db,是一条斜率
为 -40db/dec的直线 。
0?
?
0.1 1 10
40
0
﹣ 40
Glg20
??
?
2)渐近线法作图
( 8)二阶惯性(滞后)环节,
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
? 渐进线与实际曲线的误差与 ξ值有关,ξ 越小,误差越大;
? 谐振频率, ξ→0,ωr → ω0;
? 谐振峰值,ξ→0,Mr →∞;
? ξ=0.707,没有谐振现象;
? 需要时,可用校正曲线校正。
0
20
40
﹣ 20
﹣ 40
﹣ 60
0.1 1 10 ???
707
5
???
???
????
?
?
?
?
?
?
??
??
??
?
?
??
?
???
?
?
??
2
1
)(
21
0
(
0
rr
r
jGM
d
jGd
r
3)二阶特性讨论
( 8)二阶惯性(滞后)环节,
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
a) 低频部分 与一阶滞后环节相似, 能复现低频信号的能力很
强 ( 低通滤波 ) 。
b) 高频段 曲线以 -40db/dec的斜率下降, 对高频信号滤波能
力比一阶环节的更强 。 在高频段引起较大的相位滞后, 最
大相位差为 -180° 。
c)在 ξ比较小 的情况下,在 附近 (转折频率左面 ) 幅频
特性曲线会出现峰值(谐振),ξ越小,峰值越高。当 ξ=0
时,峰值趋向无穷大,谐振频率趋向 ω0。
1
0
???
总结,
利用渐近线法绘出典型环节的对数坐标图方法,
① 求出转折频率
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
② 绘制低频段渐近线
③ 绘制高频段渐近线
④ 如果需要精确曲线,用 误差曲线 校正。
( 9)讨论
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
1) 互为倒数的传递函数的频率特性
? 其对数幅频特性数值相等, 符号相反;
? 相角也差一个负号 。
)(lg201lg20)( 1lg20 ???? jGjG
)(1)( 1 ?? jGjG ?????
)(lg20 ??? jG
)( ?jG???
互为倒数的传递函数,对数幅值和相角都差一个负号。
如:一阶 滞后环节 与一阶 超前环节, 积分环
节 与 微分环节 的对数频率特性曲线是互为对称的。
)1(1 ?Ts 1?Ts
Ts1
Ts
( 9)讨论
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
0.1 1 10 t?
20
0
﹣ 20
Glg20
)1(1 ?Ts
1?Ts
0.1 1 10 t?
90°
∠ G
0°
﹣ 90° )1(1 ?Ts
1?Ts
0.1 1 10 t?
20
0
﹣ 20
Glg20
Ts1 Ts
0.1 1 10 t?
90°
∠ G
0°
﹣ 90° Ts1
Ts
2) 比较 的频率特性 11,11 ?? TsTs
,11)( ?? TssG
( 9)讨论
3、典型环节的对数坐标图
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
幅频特性 与典型一阶惯性环节相同 。
相频特性,根据实、虚部的数值,相角在第 3象限。
,1???,/1 T??,1???
1
1)(
???? TjjG
Ttg ??? ? 1,
1
1
22
?
??
? je
T
,1 8 00???,135 0??? 090???
2222 11
1
1
1
1( ??
??
??????
???
??
???
?
?
??
?
?? jj
j
jjG
2) 比较 的频率特性 11,11 ?? TsTs
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
幅频特性相同。
﹣ 20
0.1 1 10 T?
20
0
Glg20
)1(1 ?Ts
∠ G
0.1 1 10 T?
90°
0°
﹣ 90°
T?
∠ G
0.1 1 10
0°
-90°
﹣ 180°
0.1 1 10 T?
20
0
﹣ 20
Glg20
)1(1 ?Ts
2) 比较 的频率特性。 11,11 ?? TsTs
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
前者是 最小相位系统, 后者 是非最小相位系统 。
最小相位系统,零极点均在复平面的左半平面, 1,2,3阶
系统的最大相移为 -90,-180,-270度 。
非最小相位系统,其中某一零点或极点在复平面的右半平面 ( 不
稳定的零极点 ), 相角则要超过以上数值 。
4、绘制一般系统的对数坐标图的步骤
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
3) 找出各典型环节频率特性的转折频率。 注意,
,1,11 TTs ???
5) 确定纵坐标的分度范围, 根据典型环节的幅频,
相频特性 ( 低频, 高频 ) 确定 。 注意单位,db,度 。
4) 确定横坐标的分度范围,根据转折频率确定。
如有 3个转折频率,ω小, ω中, ω大 。
,1 ??? as
ω取值为,0.1ω小 ~10ω大 。一般取整倍的 10倍频程。
系统频率特性改写成典型环节频率特性的乘积
先不考虑 K值
6) 绘制各典型环节频率特性的渐近线,
4、绘制一般系统的对数坐标图的步骤
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
7) 将所有典型环节的幅频特性曲线相加, 得到总系统的
对数幅频坐标图
.,,lg20lg20lg20 21 ??? KKK
9) 分别绘制各典型环节的对数相频特性图
10) 叠加, 得到总系统的相频特性图,..21 ??????
若需要,在转折
频率左右倍频程内修正误差
8) 考虑 K值,在幅频特性曲线上平移
例 1,一个压力调节系统, 方块图如图, 求广义对象对数坐标图 。
4、绘制一般系统的对数坐标图的步骤
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
Gc Gv G01 G02 Gm
﹢
﹣
x y
调节器 调节阀 对象 1 对象 2 变送器
其中,
,12 5.11 ???? ssT KG
V
V
V
广义G 1
15
8.0
110
3
12
5.1 ?
?????? sss
15
1
110
1
12
16.3
??????? sss
mv GGGG 0201?
110
3
101
01
01 ???? ssT
KG
,15 8.01
02
02
02 ???? ssT
KG 1?? mm KG
注意:画频率特性所用的传递函数形式(标准形式)与画
根轨迹(零极点形式)时不同。
4、绘制一般系统的对数坐标图的步骤
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
222 251
1lg20
1 0 01
1lg20
41
1lg206.3lg20||lg20
??????????G
1.116.3lg20 ?
mv GGGGG ????????? 0201广义
???????? 5102 a r c t ga r c t ga r c t g
广义G 15 1110 112 16.3 ??????? sss例 1,
按步骤,4、绘制一般系统的对数坐标图的步骤
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
例 1,
15
1
110
1
12
16.3
??????? sssG 广义
1),
2) 先设 K=1。不考虑比例环节。
3) 求转折频率。 5.0,2.0,1.0 321 ??????
4) 确定横坐标范围。
5) 确定纵坐标范围。根据典型环节的对数坐标图。
上限 ≤3.6,, 取 20db。 G 1.11lg20 ?K
幅频,
下限 3倍的十倍频程, 下降 -60db。 确定 (20db~-60db )。
上限 0°, 下限 -270° 。 3个 -90° 。 确定 ( 0~-270° )
相频,
三个一阶惯性环节与一个比例环节串联。
ω取( 0.01~10)。
Bode图如右,
4、绘制一般系统的对数坐标图的步骤
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
步骤,例 1,
7) 幅频特性相加 。
8) 考虑 K值 。 注意 K相加情况 。
9) 绘制相频特性 。
10) 相加。完成。
6)绘制各典型环节的对数幅频图,
不需要修正。
15
1
110
1
12
16.3
??????? sssG 广义
例 2,
4、绘制一般系统的对数坐标图的步骤
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
绘制传递函数为 的 Bode图。
11.0
)18.0(5)(
?
??
s
ssG
1,分解为 3个典型环节串联, 比例环节 K=5,一阶超前环
节,一阶滞后环节 。 18.0 ?s 11.0/1 ?s
7,画典型环节的相频特性图 。
2、设 K=1。
1025.1 21 ?????3、转折频率,
4、取 ω,0.1~100。
5、画以上环节的 Bode图。
6、考虑 K,平移。
8、叠加,完成。
0.1 1 10 ?
20
0
﹣ 20
Glg20
100 1.25
90°
∠ G
0°
﹣ 90°
0.1 1 10 ?100 1.25
45°
﹣ 45°
问题,
给定上述图, 如何反推系统的传递函数, K如何确定 。
4、绘制一般系统的对数坐标图的步骤
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
例 2,
11.0
)18.0(5)(
?
??
s
ssG 1025.1 21 ?????
二、对数坐标图( Bode图) 第五章频率特性分析
§ 2 频率特性的常用图示法
例 3,已知某系统的对数幅频特性如图所示,求传递函数。
分析,
? 低频段斜率 20db/dec,说明有一微分环节
? 过 ω2,为 0db的直线,说明以 ω2为转折频率,有一个一阶
惯性环节
? 过 ω3,斜率为- 20db/dec,说明以 ω3为转折频率,有一个
一阶惯性环节
0
传递函数可写成,
)1)(1(
)(
??
?
?? ??
ss
KssG
确定 K值,
0
在 ω< ω1时,微分环节的模为 K ω。根据图示,有,
??? ???? ??? ?? /1,1,0lg20 KΚK 求出即
因此,传递函数为,
)1)(1(
)(
??
?
??
? ???
ss
ssG
作业,A-5-4 (4)(5),A-5-8