《自動(dòng)控制原理》教學(xué)參考-第五章

第5章頻域分析教學(xué)要求掌握系統(tǒng)頻率特性分析與系統(tǒng)幅角之間的關(guān)系，掌握乃奎斯特圖和伯德圖的繪制方法，根據(jù)系統(tǒng)的乃奎斯特圖和伯德圖分析系統(tǒng)的性質(zhì)。教學(xué)重點(diǎn)⑴了解頻率特性的基本概念，掌握其不同的表示方法；⑵了解典型環(huán)節(jié)的頻率特性；⑶熟練掌握伯德圖和乃奎斯特圖的繪制方法；⑷理解和掌握乃奎斯特穩(wěn)定判據(jù)，會(huì)用乃奎斯特判據(jù)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性；⑸熟練掌握系統(tǒng)穩(wěn)定裕量的物理含義和計(jì)算方法；⑹建立開環(huán)頻率特性和系統(tǒng)瞬態(tài)特性之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，能夠定性地分析系統(tǒng)的瞬態(tài)性能；⑺了解閉環(huán)系統(tǒng)頻率特性及其和系統(tǒng)瞬態(tài)特性的關(guān)系。教學(xué)難點(diǎn)頻率特性的繪制，頻率特性與系統(tǒng)時(shí)域指標(biāo)之間的關(guān)系，頻域指標(biāo)。課時(shí)安排本章安排理論講授12課時(shí)，實(shí)驗(yàn)4課時(shí)。教學(xué)大綱一．頻率特性的基本概念 1．頻率特性的定義 2．頻率特性的圖形表示方法二．典型環(huán)節(jié)的頻率特性 1．比例環(huán)節(jié) 2．積分環(huán)節(jié) 3．慣性環(huán)節(jié) 4．微分環(huán)節(jié) 5．振蕩環(huán)節(jié) 6．滯后環(huán)節(jié)三．開環(huán)系統(tǒng)頻率特性圖的繪制

1．開環(huán)幅相頻率特性的特點(diǎn)2．系統(tǒng)伯德圖的繪制3．最小相位系統(tǒng)和非最小相位系統(tǒng)

四．頻域穩(wěn)定性判據(jù)1．乃奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)2．對(duì)數(shù)頻率特性判據(jù)3．系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量五．開環(huán)頻率特性與系統(tǒng)性能的關(guān)系1．開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的基本性質(zhì)2．系統(tǒng)特性和閉環(huán)頻率特性的關(guān)系主要概念1．頻率特性2．幅頻特性3．相頻特性4．乃奎斯特圖5．伯德圖6．最小相位系統(tǒng)7．非最小相位系統(tǒng)8．乃奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)9．幅角原理10．輔助函數(shù)11．對(duì)數(shù)頻率特性判據(jù)12．相位裕量13．增益裕量14．截止頻率15．轉(zhuǎn)折頻率16．帶寬17．低頻段、中頻段、高頻段實(shí)驗(yàn)典型系統(tǒng)的頻率特性測(cè)試一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．掌握測(cè)量典型一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)頻率特性曲線的方法；2．掌握軟件仿真求取一階和二階系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的方法。二．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．搭建一階慣性環(huán)節(jié)，繪制其頻率特性曲線；2．搭建典型二階環(huán)節(jié)，繪制其頻率特性曲線；3．用軟件仿真求取一階和二階系統(tǒng)頻率特性曲線，跟實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以比較。三．實(shí)驗(yàn)步驟在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，可選用普通示波器，也可選用本實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的虛擬示波器。如果選用虛擬示波器，只要運(yùn)行ACES程序，選擇菜單列表中的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，再選擇“開始實(shí)驗(yàn)”，就會(huì)打開虛擬示波器的界面，單擊“開始”即可使用本實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的虛擬示波器CH1、CH2兩通道觀察被測(cè)波形。具體用法參見(jiàn)用戶手冊(cè)中的示波器部分。1．一階慣性環(huán)節(jié)的頻率特性實(shí)驗(yàn)中所用到的功能區(qū)域：信號(hào)源、虛擬示波器、實(shí)驗(yàn)電路A1、實(shí)驗(yàn)電路A2。一階慣性環(huán)節(jié)模擬電路如圖實(shí)5-1所示，慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：圖實(shí)5-1設(shè)置信號(hào)源：將信號(hào)源區(qū)的正弦波端子與實(shí)驗(yàn)電路A1的“IN13”端子相連接，可根據(jù)需求撥動(dòng)頻率選擇開關(guān)，選擇不同頻率段“8Hz～0.16Hz”或“400Hz～6Hz”。搭建一階慣性環(huán)節(jié)模擬電路：A．將實(shí)驗(yàn)電路A1的“OUT1”端子與實(shí)驗(yàn)電路A2的“IN23B．按照?qǐng)D實(shí)5-1選擇撥動(dòng)開關(guān)：圖實(shí)5-1中：R1=50k，R2=50k，R3=100k，R4=100k，C1=0.1μF，將A1的S7、S8、S15，A2的S7、S11撥至開的位置。連接虛擬示波器：將正弦波端子與示波器通道CH1相連接，實(shí)驗(yàn)電路A2的“OUT2”與示波器通道CH2相連接。輸入正弦波信號(hào)，通過(guò)虛擬示波器觀測(cè)輸入輸出正弦波曲線并調(diào)節(jié)正弦波頻率和幅值，繪制該一階慣性環(huán)節(jié)的幅頻曲線和相頻曲線。運(yùn)行軟件仿真一階慣性環(huán)節(jié)頻率特性曲線，記錄理想幅頻曲線和相頻曲線，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較。2．二階環(huán)節(jié)的頻率特性曲線實(shí)驗(yàn)中所用到的功能區(qū)域：信號(hào)源、虛擬示波器、實(shí)驗(yàn)電路A1、實(shí)驗(yàn)電路A2、實(shí)驗(yàn)電路A3。二階振蕩環(huán)節(jié)模擬電路如圖實(shí)5-2所示，二階環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：圖實(shí)5-2設(shè)置信號(hào)源：將信號(hào)源區(qū)的正弦波端子與實(shí)驗(yàn)電路A1的“IN13”端子相連接，可根據(jù)需求撥動(dòng)頻率選擇開關(guān)，選擇不同頻率段“8Hz～0.16Hz”或“400Hz～6Hz”。搭建二階環(huán)節(jié)模擬電路：A．將A3的“OUT3”與A1的“IN13”相連接，將A1的“OUT1”與A2的“IN21”相連接，將A2的“OUT2”與A3B．按照?qǐng)D實(shí)5-2選擇撥動(dòng)開關(guān)：圖實(shí)5-2中，R1=200k，R2=200k，R3=200k，R4=50k，R5=100k，R6=100k，R7=10k，R8=10k，C1=1.0μF，C2=1.0μF。連接虛擬示波器：將正弦波端子與示波器通道CH1相連接，將實(shí)驗(yàn)電路A2的“”與示波器通道CH2相連接。輸入正弦波信號(hào)，通過(guò)虛擬示波器觀測(cè)輸入輸出正弦波曲線并調(diào)節(jié)正弦波頻率和幅值，繪制該二階環(huán)節(jié)的幅頻曲線和相頻曲線。運(yùn)行軟件仿真二階環(huán)節(jié)頻率特性曲線，記錄理想幅頻曲線和相頻曲線，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較。四．實(shí)驗(yàn)結(jié)果1．根據(jù)一階環(huán)節(jié)的理論計(jì)算，選擇頻率測(cè)試點(diǎn)ω，填寫表實(shí)5-1。表實(shí)5-1ωf（Hz）20logUi（dB）20logUo（dB）20logUi/Uoφ2．根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制