實(shí)驗(yàn)三 線系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析.doc

實(shí)驗(yàn)三 線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析 在經(jīng)典控制理論中，采用時域分析法研究系統(tǒng)的性能，是一種比較準(zhǔn)確和直觀的分析法。但是，在應(yīng)用中也常會遇到一些困難。其一，對于高階系統(tǒng)，其性能指標(biāo)不易確定；其二，難于研究參數(shù)和結(jié)構(gòu)變化對系統(tǒng)性能的影響。而頻率響應(yīng)法是應(yīng)用頻率特性研究自動控制系統(tǒng)的一種經(jīng)典方法，它彌補(bǔ)了時域分析分析法的某些不足。一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 掌握波特圖的繪制方法及由波特圖來確定系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)。2、 掌握實(shí)驗(yàn)方法測量系統(tǒng)的波特圖。二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備PC機(jī)一臺、TD-ACC教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一套三、 實(shí)驗(yàn)原理及內(nèi)容（一）實(shí)驗(yàn)原理1、頻率特性當(dāng)輸入正弦信號時，線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)具有隨頻率（w由0變至）而變化的特性。根據(jù)控制系統(tǒng)對正弦輸入信號的響應(yīng)，可推算出系統(tǒng)在任意周期信號或非周期信號作用下的運(yùn)動情況。2、 頻率特性的表達(dá)方式（1）對數(shù)頻率特性：又稱波特圖，它包含對數(shù)幅頻和對數(shù)相頻兩條曲線。（2）極坐標(biāo)圖（又稱為乃奎斯特圖）（3）對數(shù)幅相圖（又稱為尼克爾斯圖）本次實(shí)驗(yàn)采用對數(shù)頻率特性圖來進(jìn)行頻率響應(yīng)分析的研究。實(shí)驗(yàn)中提供了兩種實(shí)驗(yàn)測試方法：直接測量和間接測量。（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 間接頻率特性測量方法用來測量閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)特性，因?yàn)橛行┚€性系統(tǒng)的開環(huán)時域響應(yīng)曲線發(fā)散，幅值不易測量，可將其構(gòu)成閉環(huán)反饋穩(wěn)定系統(tǒng)后，通過測量信號源、反饋信號、誤差信號的關(guān)系，從而推導(dǎo)出對象的開環(huán)頻率特性。 對象為積分環(huán)節(jié)：1/0.1S由于積分環(huán)節(jié)的開環(huán)時域響應(yīng)曲線不收斂，穩(wěn)態(tài)幅值無法測出，我們采用間接測量方法，將其構(gòu)成閉環(huán)，根據(jù)閉環(huán)時的反饋及誤差的相互關(guān)系，得出積分環(huán)節(jié)的頻率特性。 將積分環(huán)節(jié)構(gòu)成單位負(fù)反饋，模擬電路構(gòu)成如圖3.1-1圖3.1-1 理論依據(jù)圖3.1-1所示的開環(huán)頻率特性為：采用對數(shù)幅頻特性和相頻特性表示，則上式表示為：其中G（jw）為積分環(huán)節(jié)，所以只要將反饋信號、誤差信號的幅值及相位按上式計(jì)算出來即可得積分環(huán)節(jié)的波特圖。 測量方式：實(shí)驗(yàn)采用間接測量方式，只須用兩路表筆CHI和CH2來測量圖3.1-1中的反饋測量點(diǎn)和誤差測量點(diǎn)，通過移動游標(biāo)，確定兩路信號和輸入信號之間的相位和幅值關(guān)系，即可間接得出積分環(huán)節(jié)的波特圖。2、 直接頻率特性的測量 用來直接測量對象的輸出頻率特性，適用于時域響應(yīng)曲線收斂的對象（如：慣性環(huán)節(jié)）。該方法在時域曲線窗口將信號源和被測系統(tǒng)的響應(yīng)曲線顯示出來，直接測量對象輸出與信號源的相位差及幅值衰減情況，就可以得到對象的頻率特性。 實(shí)驗(yàn)對象：選擇一階慣性傳遞函數(shù)： 結(jié)構(gòu)框圖圖3.1-2 模擬電路圖圖3.1-3 測量方式：實(shí)驗(yàn)中選擇直接測量方式，用CH1路表筆測輸出測量端，通過移動游標(biāo)，測得輸出與信號源的幅值和相位關(guān)系，直接得出一階慣性環(huán)節(jié)的頻率特性。3、 本實(shí)驗(yàn)利用教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供的頻率特性測試虛擬儀器進(jìn)行測試，畫出對象波特圖。 實(shí)驗(yàn)對象的結(jié)構(gòu)框圖圖3.1-4 模擬電路圖：圖3.1-5四、 實(shí)驗(yàn)步驟:此次實(shí)驗(yàn)，采用直接測量方法測量對象的閉環(huán)頻率特性及間接測量方法測量對象的頻率特性。1 實(shí)驗(yàn)接線：按模擬電路圖3.1-5接線，將信號源單元的“ST”插針分別與“S”插針和“+5V”插針斷開，運(yùn)放的鎖零控制端“ST”此時接至示波器單元的“SL”插針處，鎖零端受“SL”來控制。將示波器單元的“SIN”接至圖3.1-5中的信號輸入端， 2直接測量方法 (測對象的閉環(huán)頻率特性) (1) “CH1”路表筆插至圖3.1-5中的4運(yùn)放的輸出端。 (2) 打開集成軟件中的頻率特性測量界面，彈出時域窗口，點(diǎn)擊 按鈕，在彈出的窗口中根據(jù)需要設(shè)置好幾組正弦波信號的角頻率和幅值，選擇測量方式為“直接”測量，每組參數(shù)應(yīng)選擇合適的波形比例系數(shù)，（3）確認(rèn)設(shè)置的各個參數(shù)后，點(diǎn)擊按鈕發(fā)送一組參數(shù)，顯示時域波形，此時需要自行移動游標(biāo)，將兩路游標(biāo)同時放置在兩路信號的相鄰波峰（波谷）處，或零點(diǎn)處，來確定兩路信號的相位移。兩路信號的幅值系統(tǒng)將自動讀出。重復(fù)操作（3），直到所有參數(shù)測量完畢。（4）待所有參數(shù)測量完畢后，點(diǎn)擊按鈕，彈出波特圖窗口，觀察所得的波特圖，幅頻和相頻上同一角頻率下兩個點(diǎn)對應(yīng)一組參數(shù)下的測量結(jié)果。點(diǎn)擊按鈕G 可得對象的閉環(huán)極坐標(biāo)圖：3 間接測量方法：(測對象的開環(huán)頻率特性) 將示波器的“CH1”接至3運(yùn)放的輸出端，“CH2”接至1運(yùn)放的輸出端。按直接測量的參數(shù)將參數(shù)設(shè)置好，將測量方式改為“間接”測量。此時相位差是反饋信號和誤差信號的相位差，應(yīng)將兩根游標(biāo)放在反饋和誤差信號上。同樣可測得對象的開環(huán)波特圖及開環(huán)極坐標(biāo)圖。 測量角頻率幅值L（dB）相位差 （） 實(shí)部Re虛部Im4注意： (1) 測量過程中要去除運(yùn)放本身的反相的作用，即保持兩路測量點(diǎn)的相位關(guān)系與運(yùn)放無關(guān)，所以在測量過程中可能要適當(dāng)加入反相器，濾除由運(yùn)放所導(dǎo)致的相位問題。 (2) 測量過程中，可能會由于所測信號幅值衰減太大，信號很難讀出，須放大，若放大的比例系數(shù)不合適，會導(dǎo)致測量誤差較大。所以要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整誤差或反饋比例系五、實(shí)驗(yàn)波特圖及極坐標(biāo)圖六、實(shí)驗(yàn)處理間接測量法 測量角頻率幅值L（dB）相位差 （） 實(shí)部Re虛部Im121-182-1.840.94214-190-1.020.8256-2080.680.7682-217超出超出100-220超出超出直接測量法 測量角頻率幅值L（dB）相位差 （） 實(shí)部Re虛部Im11-188-0.980.1420-192-0.940.205-1-208-0.760.428-2-220-0.580.5210-6-222-0.480.40 測量角頻率幅值L（dB）相位差 （） 實(shí)部Re虛部Im16-01.820.0025-121.80-0.2450-61.06-0.04