自动控制原理实验报告(三).doc

线性系统的频率响应分析1、 实验原理及内容频率特性 当输入正弦信号时，线性系统的稳态响应具有随频率（由0变至）而变化的特性。频率响应法的基本思想是：尽管控制系统的输入信号不是正弦函数，而是其它形式的周期函数或非周期函数，但是，实际上的周期信号，都能满足狄利克莱条件，可以用富氏级数展开为各种谐波分量；而非周期信号也可以使用富氏积分表示为连续的频谱函数。因此，根据控制系统对正弦输入信号的响应，可推算出系统在任意周期信号或非周期信号作用下的运动情况。线性系统的频率特性 系统的正弦稳态响应具有和正弦输入信号的幅值比和相位差随角频率（ 由 0 变到）变化的特性。而幅值比和相位差恰好是函数的模和幅角。所以只要把系统的传递函数（s）,令s =jw，即可得到（jw）。我们把（jw）称为系统的频率特性或频率传递函数。当w由 0 到变化时，（jw）随频率 的变化特性成为幅频特性，（jw）随频率w的变化特性称为相频特性。幅频特性和相频特性结合在一起时称为频率特性。频率特性的表达式对数频率特性：又称波特图，它包括对数幅频和对数相频两条曲线，是频率响应法中广泛使用的一组曲线。这两组曲线连同它们的坐标组成了对数坐标图。对数频率特性图的优点：1.它把各串联环节幅值的乘除化为加减运算，从而简化了开环频率特性的计算与作图。2.利用渐近直线来绘制近似的对数幅频特性曲线，而且对数相频特性曲线具有奇对称于转折频率点的性质，这些可使作图大为简化。3.通过对数的表达式，可以在一张图上既能绘制出频率特性的中、高频率特性，又能清晰地画出其低频特性。极坐标图（或称为奈奎斯特图）对数幅相图（或称为尼柯尔斯图）本次实验中，采用对数频率特性图来进行频域响应的分析研究。实验中提供了两种实验测试方法：直接测量和间接测量。直接频率特性的测量用来直接测量对象的输出频率特性，适用于时域响应曲线收敛的对象（如：惯性环节）。该方法在时域曲线窗口将信号源和被测系统的响应曲线显示出来，直接测量对象输出与信号源的相位差及幅值衰减情况，就可得到对象的频率特性。间接频率特性的测量用来测量闭环系统的开环特性，因为有些线性系统的开环时域响应曲线发散，幅值不易测量，可将其构成闭环负反馈稳定系统后，通过测量信号源、反馈信号、误差信号的关系，从而推导出对象的开环频率特性。4举例说明间接和直接频率特性测量方法的使用。(1) 间接频率特性测量方法对象为积分环节：1/0.1S由于积分环节的开环时域响应曲线不收敛，稳态幅值无法测出，我们采用间接测量方法，将其构成闭环，根据闭环时的反馈及误差的相互关系，得出积分环节的频率特性。将二阶系统构成单位闭环负反馈，模拟电路构成如图所示。理论依据图所示的开环频率特性为： =|采用对数幅频特性和相频特性表示，则上式表示为： =|=|B（jw）|-|E（jw）|G（jw）=B（JW）-E（JW） 其中G(jw)为积分环节，所以只要将反馈信号、误差信号的幅值及相位按上式计算出来即可得积分环节的波特图。测量方式：实验中采用间接方式，只须用两路表笔CH1 和CH2 来测量上图中的反馈测量点和误差测量点，通过移动游标，确定两路信号和输入信号之间的相位和幅值关系，即可间接得出积分环节的波特图。直接频率特性测量方法只要环节的时域响应曲线收敛就不用构成闭环系统而采用直接测量法直接测量输入、输出信号的幅值和相位关系，就可得出环节的频率特性。实验对象：选择一阶惯性其传函为:G(S)=结构框图模拟电路图测量方式：实验中选择直接测量方式，用CH1 路表笔测输出测量端，通过移动游标，测得输出与信号源的幅值和相位关系，直接得出一阶惯性环节的频率特性。（二）实验内容本次实验利用教学实验系统提供的频率特性测试虚拟仪器进行测试，画出对象的波特图。1 实验对象的结构框图模拟电路图2、 实验结果的推导： 1、实验的结构简图： 2、系统的开环传递函数G(s)=1/（0.02s*（0.5s+1） 3、系统的闭环传递函数(s)=G(s)/(1+G(s) =1/(1+0.01S2 +0.02S ) =100/(S2+2S+100 ) =n2 /(S2 +2Sn +n2) 转折频率：n=10rad/s 阻尼比：=0.1 闭环传递函数的时间形式：G(s)=A/(0.02s)+B/(0.5s+1) = 1/（0.02s*（0.5s+1） A=1 B=25 G(s)=1/(0.02s)-25/(0.5s+1)G(t)=50-50e-2t 闭环传函的时间形式：（s）=100/(S2+2S+100) = (t)=4、 当 电压：3V 角频率：1rad/s 反馈比例：1 误差比例：1 测量方式：直接 时 频率响应如图1-1所示： 图1-1当 电压:3V 角频率：2rad/s 反馈比例：2 误差比例：1 测量方式：直接 时 频率响应如图1-2所示： 图1-2当 电压：3V 角频率：3rad/s 反馈比例：2 误差比例：1测量方式：直接 时频率响应如图1-3所示： 图1-3当 电压值：3V 角频率：5rad/s 反馈比例：2 误差比例：1测量方式：直接 时频率响应如图1-4所示 图1-4当 电压值 3V 角频率：10rad/s 反馈比例：1 比例误差：1测量方式：直接 时频率响应如图1-5所示: 图1-5当 电压值：3V 角频率：20rad/s 反馈比例：0.50 比例误差：1测量方式：直接 时频率响应如图1-6所示： 图1-6当 电压值：3V 角频率：50rad/s 反馈比例：0.25 比例误差：1测量方式：直接 时频率响应如图1-7所示： 图1-7由以上测量点可以绘出幅频和相频曲线如图1-8所示： 图1-8结论;线性系统响应的幅度和相位随频率的变化而变化。与理论值一致。2、 惯性环节设置同样的参数：电压值 角频率 反馈比例 误差比例3 1 1 13 2 2 1 3 3 2 13 5 2 13 10 1 13 20 0.50 13 50 0.25 1波特图如下： 结论：实验结果与理论值一致 自动控制原理实验报告物理与电子学院测控技术与仪器邱磊1023008858第五组2012.11.9