更新时间:2024-09-30 19:37
如果要比较精确地计算和绘制极坐标图,一般来说是比较麻烦的,为此可用频率特性的另一种图示法:对数坐标图。对数坐标图法不但计算简单,绘图容易,而且能直观地表现开环增益、时间常数等参数变化对系统性能的影响。
一般对数坐标图由两部分组成:一张是对数幅频特性图,它的纵坐标为 ,单位是分贝,用符号dB表示。通常为了书写方便,把 用符号 表示。另一张是相频图。两张图的纵坐标都是按线性分度,单位分别为dB和 ,横坐标是角频率 。
为了更好地体现开环系统各频段的特性,可对横坐标采用 的对数坐标分度,从而形成了半对数坐标系。这对于扩展频率特性的低频段,压缩高频段十分有效。在以对数分度的横坐标上,1到10的距离等于10到100的距离,这个距离表示十倍频程,用符号dec表示。对数幅频特性的“斜率”一般用分贝/十倍频(dB/dec)表示。对数坐标图又称伯德图(Bode图)。
用伯德图表示的频率特性有如下的优点:
(1)把幅频特性的乘除运算转变为加减运算。
(2)在对系统作近似分析时,一般只需要画出对数幅频特性曲线的渐近线,从而大大简化了图形的绘制。
(3)用实验方法,将测得系统(或环节)频率响应的数据画在半对数坐标纸上。根据所作出的曲线,容易估计被测系统(或环节)的传递函数。
在Matlab控制工具箱中,亦有专门的函数用于绘制Bode图:Bode函数。同时为绘制开环系统的幅频特性的渐近线,我们编制了画渐近线的作图函数:Bode_asymp。有关它们的使用方法将结合例题进行说明。
1、比例环节
比例环节K的对数幅频特性是一高度为L(ω)dB的水平线,它的相角为零度,如图1所示。改变开环频率特性表达式中K的大小,会使对数幅频特性升高或降低一个常量,但不影响相角的大小。
显然,当K>1时, L(ω)-ω曲线位于横轴上方;当K=1时,L(ω)-ω曲线位于横轴上。
2、一阶环节
一阶环节 的对数幅频和相频表达式分别为其中。
当时,略去式(5-38)中的1,则得 ,表示 高频部分的渐近线是一条斜率为-20dB/dec的直线,当输入信号的频率每增加十倍频程时,对应输出信号的幅值便下降20dB。精确对数幅频特性及其渐近线和精确的相频曲线,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(:))