1. 截止频率(Cutoff Frequency)
截止频率是系统频率响应的幅值下降到低频段幅值的
1
2
\frac{1}{\sqrt{2}}
21 倍(约为 0.707 倍)时对应的频率。
对数坐标下,通常是系统幅频曲线下降到
−
3
d
B
-3\ \mathrm{dB}
−3 dB 的频率。
物理意义:
截止频率标志着系统可以有效传递信号的频率范围,是衡量系统带宽的重要指标之一。
2. 相位裕度(Phase Margin, PM)
相位裕度是开环系统在增益为
0
d
B
0\ \mathrm{dB}
0 dB 的频率下,其相位与
−
18
0
∘
-180^\circ
−180∘ 的差值。
P
M
=
18
0
∘
+
arg
[
G
(
j
ω
c
)
]
PM=180^\circ+\text{arg}[G(j\omega_c)]
PM=180∘+arg[G(jωc)]
物理意义:
表示系统稳定性裕量。相位裕度越大,系统抗扰动和保持稳定的能力越强;反之,裕度过小可能导致系统不稳定或振荡。
3. 幅值裕度(Gain Margin, GM)
幅值裕度是开环系统相位为
−
18
0
∘
-180^\circ
−180∘ 时,其增益与
0
d
B
0\ \mathrm{dB}
0 dB 的差值。
G
M
=
−
20
log
∣
G
(
j
ω
p
)
∣
GM=-20\log|G(j\omega_p)|
GM=−20log∣G(jωp)∣
其中
ω
p
\omega_p
ωp 满足
arg
[
G
(
j
ω
p
)
]
=
−
18
0
∘
\text{arg}[G(j\omega_p)]=-180^\circ
arg[G(jωp)]=−180∘。
物理意义:
表示系统能够容忍增益变化的程度。幅值裕度越大,系统对增益变化的敏感性越低,稳定性越强。
4. 控制带宽(Control Bandwidth)
控制带宽是指系统在闭环频率响应下降到
−
3
d
B
-3\ \mathrm{dB}
−3 dB 时所对应的频率范围。
对于开环系统,带宽对应增益为
−
3
d
B
-3\ \mathrm{dB}
−3 dB 的频率。
∣
T
(
j
ω
b
)
∣
=
1
2
∣
T
(
0
)
∣
|T(j\omega_b)|=\frac{1}{\sqrt{2}}|T(0)|
∣T(jωb)∣=21∣T(0)∣
物理意义:
- 响应能力:控制带宽越宽,系统响应速度越快。
- 信号跟踪:带宽决定系统对输入信号变化的跟踪能力。
- 噪声敏感性:带宽过宽可能会引入高频噪声。
总结
- 截止频率:描述系统频率响应的幅值特性。
- 相位裕度、幅值裕度:衡量系统稳定性的裕量。
- 控制带宽:反映系统的动态响应速度和跟踪性能。