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1、东南大学自动控制实验室实验报告2021/11/24目录课程名称：自动控制原理实验 实验名称：系统频率特性的测试 院系自动化学院专业：自动化 *：*： 实验室：实验组别： 同组人员：实验时间 评定成绩：审阅教师一实验目的和要求 2 二实验原理2 三实验方案与实验步骤3 四实验设备与器材配置4 五实验记录4 六实验分析 4 七预习与答复5 八实验结论 5一实验目的和要求实验目的：1明确测量幅频和相频特性曲线的意义2掌握幅频曲线和相频特性曲线的测量方法3利用幅频曲线求出系统的传递函数报告要求：1画出系统的实际幅度频率特性曲线、相位频率特性曲线，并将实际幅度频率特性曲 线转换成折线式Bode图，并利用
2、拐点在Bode图上求出系统的传递函数。2用文字简洁表达利用频率特性曲线求取系统传递函数的步骤方法。 3利用上表作出 Nyquist 图。4实验求出的系统模型和电路理论值有误差，为什么.如何减小误差.5实验数据借助M atlab作图，求系统参数。二实验原理在设计控制系统时，首先要建立系统的数学模型，而建立系统的数学模型是控制系统设计 的前提和难点。建模一般有机理建模和辨识建模两种方法。机理建模就是根据系统的物理关系 式，推导出系统的数学模型。辨识建模主要是人工或计算机通过实验来建立系统数学模型。两 种方法在实际的控制系统设计中，常常是互补运用的。辨识建模又有多种方法。本实验采用开 环频率特性测试
3、方法，确定系统传递函数，俗称频域法。还有时域法等。准确的系统建模是很 困难的，要用反复屡次，模型还不一定建准。模型只取主要局部，而不是全部参数。另外，利用系统的频率特性可用来分析和设计控制系统，用Bode图设计控制系统就是其中一种。 幅频特性就是输出幅度随频率的变化与输入幅度之比，即，测幅频特性时，改变正弦信号源的 频率测出输入信号的幅值或峰峰值和输输出信号的幅值或峰峰值 测相频有两种方法：1双踪信号比较法：将正弦信号接系统输入端，同时用双踪示波器的Y1和Y2测量系 统的输入端和输出端两个正弦波，示波器触发正确的话，可看到两个不同相位的正弦波，测出 波形的周期T和相位差At,则相位差。这种方法
4、直观，容易理解。就模拟示波器而言，这种方 法用于高频信号测量比较适宜。2李沙育图形法：将系统输入端的正弦信号接示波器的*轴输入,将系统输出端的正弦 信号接示波器的Y轴输入，两个正弦波将合成一个椭圆。通过椭圆的切、割比值；椭圆所在的 象限；椭圆轨迹的旋转方向三个要素来决定相位差。就模拟示波器而言,这种方法用于低频信 号测量比较适宜。假设用数字示波器或虚拟示波器,建议用双踪信号比较法。利用幅频和相频的实验数据可以作出系统的波Bode图和Nyquist图三实验方案与实验步骤1如图接线，用实验台上的U7、U9、U11、U13单元，信号源的输入接数据采集接口 AD1（兰 色波形），系统输出接数据采集接口
5、 AD2（红色波形）。2信号源选正弦波，幅度、频率根据实际线路图自定，要预习。3,点击屏上THBDC-1示波器图标，直接，点击确定，进入虚拟示波器界面，点示波器E 菜单，选中幅值自动和时基自动。在通道选择下拉菜单中选通道1-2，采样频 率调至1。，点开场采集后，虚拟示波器可看到正弦波，再点、停顿采集，波形将被锁 住，利用示波器双十跟踪可准确读出波形的幅度。改变信号源的频率，分别读出系统输入和 输出的峰峰值，填入幅频数据表中。f=0.16时要耐心。4测出双踪不同频率下的d和T填相频数据表，利用公式AtTx 3600算出相位差。频率 f(Hz) 0.160.320.641.111.592.393.
6、184.786.3711.115.91.02.04.07.010.015.020.030.040.070.0100.02 U im2 U om2说用20Lg2 丽tT0四实验设备与器材配置THBDCT 实验平台THBDC-1虚拟示波器五实验记录测出双踪不同频率下的&和T填相频数据表，利用公式T 3600算出相位差。频率f (Hz)0.160.320.641.111.592.393.184.786.3711.115.9CO1.02.04.07.010.015.020.030.040.070.0100.02U .im4.004.004.004.004.004.004.004.004.004.004
7、.002Uom3.913.833.573.012.431.681.160.590.340.0890.0342比用-0.198-0.377-0.988-2.47-4.33-7.54-10.8-16.6-21.4-33.1-41.420Lg2匡朋At0.1890.1730.1640.1590.1450.1320.1140.0960.07560.05320.0394T6.253.131.560.9010.6290.4180.3450.2090.1570.09610.0629010.919.937.863.583.0114.0119.0165.0173.0199.0226.0六实验分析1画出系统的实际
8、幅度频率特性曲线、相位频率特性曲线，并将实际幅度频率特性曲线转换 成折线式Bode图，并利用拐点在Bode图上求出系统的传递函数。系统实际幅度频率特性曲线：相位频率特性曲线：Bode 图：2用文字简洁表达利用频率特性曲线求取系统传递函数的步骤方法。答:对最小相位系统而言，其对数幅频特性与与对数相频特性具有一一对应的关系，因此只要知 道其对数幅频特性，就可以唯一地写出其传递函数。在对数幅频特性上分别画出斜率为40dB/s. 在对数频率特性曲线上分别画出斜率为40dB/dec、20dB/dec、0dB/dec、-20dB/dec -40dB/dec、 -60dB/dec等的渐近线，平移这些渐近线直
9、至与对数频率特性曲线有切点，找出斜率临近的两条 渐近线的交点，即为一个转折频率点。求出相应的时间常数T=1/w，且通过斜率可以判断为惯 性环节在分母上还是一阶微分环节在分子上在确定好各个环节的时间常数后可以确定 出常数 K。3利用上表作出 Nyquist 图。 4实验求出的系统模型和电路理论值有误差，为什么.如何减小误差. 答：实验误差的产生可能有多种原因，包括实验测量数据的误差，如读数误差；系统电子元器 件的误差；实际作图时的误差；频率转折点会受到其他转折点的影响而产生的误差。减小误差：输出衰减较小时，将图形放大再进展测量；利用计算机软件作图，减少人为误差； 对每个频率转折点进展修正。5实验
10、数据借助 Matlab 作图，求系统参数。在对数频率特性曲线上分别画出斜率为0dB/dec、-20dB/dec、-40dB/dec、-60dB/dec等的渐 近线，平移这些渐近线直至与对数频率特性曲线有切点，找出斜率临近的两条渐近线的交点。 系统传递函数表示形式为：由折线式Bode图得到折线频率为：w1=6.321,w2=21.95,w3=53.52求得T1=0.158,T2=0.0456,T3=0.0187,即实际开环传递函数为：七预习与答复（1）实验时，如何确定正弦信号的幅值.幅度太大会出现什么问题，幅度过小又会出现什么问题.答：实验时，为确定正弦信号幅值可以先根据实验参数，计算正弦信号幅
11、值大致的范围， 然后进展调节。具体确定调节幅值时，要保证输入波形不失真以及保证在频率较大时输出信号 衰减后人能够测量出来。正弦信号幅度过大，波形超出线性变化区域，产生失真；正弦信号波 形过小，后续测量值过小，无法准确的测量。（2）当系统参数未知时，如何确定正弦信号源的频率.答：当系统参数未知时，采取逐点法进展描述，即3从0变化到8,得到变化时幅度和相位的值。但3值过小所取得的值无意义，因此我们选取1.0,100.0的范围进展测量。八实验结论本次实验是对系统频率特性的测试。本次实验让我们明确测量幅频和相频特性曲线的意 义，掌握了幅频曲线和相频特性曲线的测量方法，深入了解了频率特性的性质。在实验数据处 理中，运用MATLAB软件进展数据处理，利用数据画出了实际测出的伯德图与来奎斯特图，并 根据幅频特性曲线求出了传递函数。
