中南大学自控实验报告实验报告5.docx

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中南大学自控实验报告实验报告5

信息科学与工程学院本科生实验报告

实验名称

线性系统的频率响应

分析

预定时间

实验时间

姓名学号

授课教师

实验台号

专业班级

一、目的要求

1．掌握波特图的绘制方法及由波特图来确定系统开环传函。

2．掌握实验方法测量系统的波特图。

二、原理简述

1．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（ω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。

2．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ω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,令s=jω即可得到我们把。

称为系统的频率特性或频率传递函数。

当ω由0到∞变化时，幅值比随频率ω的变化特性成为幅频特性，相位差随频率ω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。

3.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。

三、仪器设备

PC机一台，TD-ACC+（或TD-ACS）实验系统一套。

四、线路示图

五、内容步骤

此次实验，采用直接测量方法测量对象的闭环频率特性及间接测量方法测量对象的频率特性。

1．实验接线：

按模拟电路图3.1-5接线，

TD-ACC+的接线：

将信号源单元的“ST”插针分别与“S”插针和“+5V”插针断开，运放的锁零控制端“ST”此时接至示波器单元的“SL”插针处，锁零端受“SL”来控制。

将示波器单元的“SIN”接至图3.1-5中的信号输入端，

TD-ACS的接线：

将信号源单元的“ST”插针分别与“S”插针和“+5V”插针断开，运放的锁零控制端“ST”此时接至控制计算机单元的“DOUT0”插针处，锁零端受“DOUT0”来控制。

将数模转换单元的“/CS”接至控制计算机的“/IOY1”，数模转换单元的“OUT1”，接至图3.1-5中的信号输入端.

2．直接测量方法（测对象的闭环频率特性）

（1）“CH1”路表笔插至图3.1-5中的4＃运放的输出端。

（2）打开集成软件中的频率特性测量界面，弹出时域窗口，点击

按钮，在弹出的窗口中根据需要设臵好几组正弦波信号的角频率和幅值，选择测量方式为“直接”测量，每组参数应选择合适的波形比例系数，具体如下图所示:

（3）确认设臵的各项参数后，点击

按钮，发送一组参数，待测试完毕，显示时域波形，此时需要用户自行移动游标，将两路游标同时放臵在两路信号的相邻的波峰（波谷）处，或零点处，来确定两路信号的相位移。

两路信号的幅值系统将自动读出。

重复操作（3），直到所有参数测量完毕。

（4）待所有参数测量完毕后，点击

按钮，弹出波特图窗口，观察所测得的波特图，该图由若干点构成，幅频和相频上同一角频率下两个点对应一组参数下的测量结果。

点击极坐标图按钮

，可以得到对象的闭环极坐标如下：

六、数据处理

7、分析讨论

可知系统开环传函：

，系统闭环传函：

系统的特征参量：

ωn＝6.32,ξ＝0.158

系统的性能指标：

Mp＝60％，tS＝4s，静态误差系数Kv＝20（1/s）

2.期望校正后系统的性能指标

要求采用串联校正的方法，使系统满足下述性能指标：

Mp≤25％，tS≤1s，静态误差系数Kv≥20（1/s）

1．串联校正环节的理论推导

由公式

，

得：

设校正后的系统开环传函为：

，由期望值得：

校正后系统的闭环传函为：

取ξ＝0.5，则T＝0.05s，ωn＝20满足ωn≥10。