一文吃透：自动控制原理（157页PPT）

频域分析法是自动控制理论中一种重要的分析方法，它通过研究系统在不同频率下的响应特性，来分析和设计控制系统。频域分析法特别适用于线性时不变系统（LTI系统），能够直观地反映系统的稳定性、动态性能和稳态性能。

本文将从频率特性、开环系统的典型环节和开环频率特性曲线的绘制、频率域稳定判据、稳定裕度以及闭环系统的频域性能指标五个方面，详细介绍线性系统的频域分析法。

以下为《自动控制原理——线性系统的频域分析法》配套PPT：

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一、频率特性

1.1、频率特性的概念

频率特性是线性系统在正弦信号输入下，稳态输出与输入的幅值比和相位差随频率变化的特性。它反映了系统对不同频率信号的响应能力，是分析系统性能的重要工具。

1.2、频率特性的表示方法

频率特性通常用图形表示，主要包括幅相频率特性图（极坐标图）和对数频率特性图（伯德图）。幅相频率特性图以频率为参数，绘制系统输出与输入的幅值比和相位差；对数频率特性图则使用对数坐标，分别绘制幅值和相位随频率变化的曲线，这些图形方法使得系统分析和设计可以通过图形直观地进行。

二、开环系统的典型环节和开环频率特性曲线的绘制

2.1、开环系统的典型环节

开环系统由多种典型环节组成，包括比例环节、积分环节、微分环节、惯性环节和振荡环节等。每个环节都有其特定的频率特性，了解这些基本环节的频率特性是分析和设计复杂控制系统的基础。

2.2、开环频率特性曲线的绘制

绘制开环频率特性曲线主要涉及奈奎斯特图和伯德图。奈奎斯特图通过绘制系统开环频率响应的幅值和相位随频率变化的轨迹来评估系统的稳定性。伯德图则通过分别绘制对数幅频特性和相频特性来简化系统分析，通过这些图形，工程师可以直观地判断系统的稳定性和性能。

三、频率域稳定判据

3.1、奈奎斯特稳定判据

奈奎斯特稳定判据通过分析系统开环频率响应的奈奎斯特图来判断闭环系统的稳定性。该判据主要关注开环频率响应曲线围绕(-1,j0)点的圈数，根据圈数和开环传递函数在右半平面的极点数来确定系统是否稳定。

3.2、伯德图稳定判据

伯德图稳定判据通过分析系统的开环对数频率特性曲线来判断闭环系统的稳定性。主要通过检查开环幅频特性曲线穿越0dB线时的相角裕量，以及相频特性曲线穿越-180°线时的幅值裕量来评估系统的稳定性。这些信息提供了系统稳定性的直接指示，并指导控制系统的设计优化。

四、稳定裕度

4.1、幅值裕量和相角裕量

幅值裕量和相角裕量是衡量控制系统稳定性的重要指标。幅值裕量是指系统开环幅频特性曲线在相位为-180°时的幅值倒数，而相角裕量是指系统开环相频特性曲线在幅值为1时的相位与-180°的差。这些指标直接关联到系统的稳定性和响应速度，是系统设计中的关键参数。

4.2、稳定裕度的意义与计算

稳定裕度在控制系统设计中极为重要，它不仅影响系统的稳定性，还关系到系统的动态响应和抗干扰能力。足够的稳定裕度可以确保系统在参数变化或外部扰动下仍保持稳定。通过精确计算和分析这些裕度，设计者可以优化系统性能，确保系统在实际操作中的可靠性和有效性。

五、闭环系统的频域性能指标

5.1、闭环系统的频域响应

闭环系统的频域响应描述了系统对不同频率输入信号的稳态响应特性。通过分析闭环频率特性，可以评估系统的跟踪性能、抗干扰能力以及稳态误差等关键性能指标。

5.2、频域性能指标与时域性能指标的关系

频域性能指标和时域性能指标是相互关联的。例如，频域的幅值裕量和相角裕量直接影响时域的超调量和调整时间。通过建立这两类指标之间的联系，设计者可以在频域和时域之间进行性能折衷，优化控制系统的整体表现。

频域分析法在自动控制原理中是一种强大的工具，它通过分析系统的频率特性来评估和优化控制系统的性能。 这些知识点对于从事自动控制系统的工程技术人员来说，是进行系统分析和设计的基础。

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