东南大学实验四系统频率特性的检验测试实验报告.doc

^` 东南大学自动控制实验室 实 验 报 告 课程名称： 自动控制原理实验 实验名称： 实验四　系统频率特性的测试 院（ 系）： 自动化 专 业： 自动化 姓 名： 学 号： 实 验 室： 417 实验组别： 同组人员： 实验时间： 2016年12月02日 评定成绩： 审阅教师： 目 录 一. 实验目的………………………………………………………… 3 二．实验原理………………………………………………………… 3 三. 实验设备………………………………………………………… 3 四.实验线路图 ……………………………………………………… 4 五、实验步骤………………………………………………………… 4 六、实验数据………………………………………………………… 5 七、报告要求………………………………………………………… 6 八、预习与回答……………………………………………………… 10 九、实验小结………………………………………………………… 10  一、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 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，要用反复多次，模型还不一定建准。模型只取主要部分，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Aω=UoUi(ω)，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Δt，则相位差∅=∆tT360。这种方法直观，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合适。 （2） 李沙育图形法：将系统输入端的正弦信号接示波器的X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合适。若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、实验设备 THBDC-1型控制理论计算机控制技术实验平台，仪器型号：A0061453，THBDC-1型虚拟示波器。 四、实验线路图 图1-1 系统频率特性的测试接线图 五、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”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“开始采集”后，虚拟示波器可看到正弦波，再点“停止采集”，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Δt和T填相频数据表，利用公式∅=∆tT360算出相位差。 六、实验数据 （1）数据表格 表1-1 开环系统输出电压值随开环增益变化情况 频率f(Hz) 0.16 0.32 0.64 1.11 1.59 2.39 3.18 4.78 6.37 11.1 15.9 ω 1.0 2.0 4.0 7.0 10.0 15.0 20.0 30.0 40.0 70.0 100.0 2Uim 3.997 4.001 4.000 4.020 4.011 4.000 4.010 4.000 4.016 4.000 4.061 2Uom 3.981 3.8962 3.6226 3.0566 2.4811 1.6981 1.1698 0.5943 0.3342 0.0898 0.0406 20lg2Uom2Uim -0.0348 -0.2522 -0.8607 -2.3797 -4.1722 -7.4636 -10.7007 -16.5611 -21.5968 -32.9757 -40.0021 ∆t 0.2071 0.1813 0.1681 0.1541 0.1455 0.1129 0.1129 0.0914 0.0774 0.0492 0.0366 T 6.271 3.1298 1.5684 0.9000 0.6322 0.3188 0.3188 0.2086 0.1576 0.090 0.0648 ∅ 11.889 20.854 38.56 61.64 82.854 111.171 127.491 157.737 176.802 196.8 203.33 （2）f=1.11Hz时波形记录 图6.1 f=1.11Hz时波形 从图6.1可知，输入波形（即蓝色曲线）幅度2Uim为4.000V，周期T为0.900s，输出波形（即红色波形）幅度2Uom为3.0566V，∆t为0.1548V。 七、 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，并利用拐点在Bode图上求出系统的传递函数。 图7.1 实际幅度频率特性曲线 图7.2 实际相位频率特性曲线 利用cftool拟合幅频特性曲线得到曲线方程为： fx=-47.33sinx-π+2.316(x-10)2-231.8 求其导数，得： fx=-47.33cosx-π+4.632(x-10) 分别令 fx=-20dB/dec，得：x1=1.12 fx=-40dB/dec，得：x2=1.61 fx=-60dB/dec，得：x3=2.10 过x1、x2、x3三点，分别作-20dB/dec，-40dB/dec，-60dB/dec的直线： 带入x1、x2、x3三点可得： ω1=6.186rad/s,ω=22.631rad/s,ω=68.202rad/s 对应的T1=0.1616，T2=0.0442，T3=0.0146 故系统传递函数为： Gs=10.1616s+10.0442s+1(0.0146s+1) 图7.3 拟合幅频特性曲线 图7.4 -20dB/dec，-40dB/dec，-60dB/dec切线 （2） 用文字简洁叙述利用频率特性曲线求取系统传递函数的步骤方法。 答：系统的传递函数Gs=K(T1s+1)(T2s+1)(T3s+1)，在对数频率特性曲线上，分别画出-20dB/dec,-40dB/dec,-60dB/dec的渐近线，平移这些渐近线与实际曲线相切，渐近线的两两交点即为一个频率转折点，相应的时间常数T=1/ω。在确定好各个环节的时间常数后可以求出放大系数K。 （3） 利用上表作出Nyquist图。 理论Nyquist图： 实际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：误差产生原因：实验测量数据的误差，如读数误差等；系统本身电子元器件的误差；实际作图的误差；每一个频率转折点会受到其他转折点的影响，使误差增大。减小误差的方法：输出衰减较小时，将图形放大再进行测量；利用计算机软件作图，减少人为误差；对每个频率转折点进行修正。 （5） 实验数据借助MATLAB作图，求系统参数。 如上。 八、预习与回答 （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： 根据实验参数，计算正弦信号幅值的大致范围，进行调节。幅度太大，波形会超出线性变化区域，失真出现谐波；幅度过小，测量不精确，信噪比不够，外界干扰较大。所以在调节过程中要保证输出波形不失真且能够有效测量。 （2） 当系统参数未知时，如何确定正弦信号源的频率？ 答： 应采取逐点法进行描述，ω从0变化到∞，得到变化时幅度和相位的值。而从实际操作上看，ω值过小时无实际意义，故选取1到100的范围进行测量。 （3） 先对本系统进行机理建模，求出开环传递函数。 答：该系统由一个比例环节和三个惯性环节组成，开环传递函数为 Gs=10.1s+10.047s+1(0.02s+1) 九、实验小结 通过这次实验，我掌握了测量幅频和相频曲线的方法，以及模拟示波器的使用方法。在对系统参数未知时，确定正弦信号源的频率和幅值的方法有了一定的解。能够将实际的幅频特性曲线转换成折线式Bode图，并利用拐点求取系统的传递函数，但是对于频率的修正方法不是很了解，希望在以后的学习过程中能够进一步学习到。