典型環(huán)節(jié)和系統(tǒng)頻率特性的測(cè)量.doc
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實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱:_控制理論(甲)實(shí)驗(yàn)_指導(dǎo)老師:_ _成績(jī):_實(shí)驗(yàn)名稱:_典型環(huán)節(jié)和系統(tǒng)頻率特性的測(cè)量_實(shí)驗(yàn)類型:_同組學(xué)生姓名:_一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)原理 三、實(shí)驗(yàn)接線圖 四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備五、實(shí)驗(yàn)步驟 六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 八、實(shí)驗(yàn)結(jié)果或結(jié)論一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解典型環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的頻率特性曲線的測(cè)試方法;2根據(jù)實(shí)驗(yàn)求得的頻率特性曲線求取傳遞函數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)原理1系統(tǒng)(環(huán)節(jié))的頻率特性設(shè)G(S)為一最小相位系統(tǒng)(環(huán)節(jié))的傳遞函數(shù)。如在它的輸入端施加一幅值為Xm、頻率為的正弦信號(hào),則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出為 由式得出系統(tǒng)輸出,輸入信號(hào)的幅值比相位差 (幅頻特性) (相頻特性)式中和都是輸入信號(hào)的函數(shù)。2頻率特性的測(cè)試方法2.1 李沙育圖形法測(cè)試2.1.1幅頻特性的測(cè)試 由于 改變輸入信號(hào)的頻率,即可測(cè)出相應(yīng)的幅值比,并計(jì)算 (dB)其測(cè)試框圖如下所示:圖5-1 幅頻特性的測(cè)試圖(李沙育圖形法)注:示波器同一時(shí)刻只輸入一個(gè)通道,即系統(tǒng)(環(huán)節(jié))的輸入或輸出。2.1.2相頻特性的測(cè)試圖5-2 相頻特性的測(cè)試圖(李沙育圖形法)令系統(tǒng)(環(huán)節(jié))的輸入信號(hào)為: (5-1)則其輸出為 (5-2)對(duì)應(yīng)的李沙育圖形如圖5-2所示。若以t為參變量,則與所確定點(diǎn)的軌跡將在示波器的屏幕上形成一條封閉的曲線(通常為橢圓),當(dāng)t=0時(shí),由式(5-2)得 于是有 (5-3)同理可得 (5-4)其中:為橢圓與Y軸相交點(diǎn)間的長(zhǎng)度;為橢圓與X軸相交點(diǎn)間的長(zhǎng)度。式(5-3)、(5-4)適用于橢圓的長(zhǎng)軸在一、三象限;當(dāng)橢圓的長(zhǎng)軸在二、四時(shí)相位的計(jì)算公式變?yōu)榛?下表列出了超前與滯后時(shí)相位的計(jì)算公式和光點(diǎn)的轉(zhuǎn)向。相角j超前滯后0 9090 1800 9090 180圖形計(jì)算公式j(luò)=Sin-12Y0/(2Ym)=Sin-12X0/(2Xm)j=180-Sin-12Y0/(2Ym)=180-Sin-12X0/(2Xm)j=Sin-12Y0/(2Ym)=Sin-12X0/(2Xm)j=180-Sin-12Y0/(2Ym)=180-Sin-12X0/(2Xm)光點(diǎn)轉(zhuǎn)向順時(shí)針順時(shí)針逆時(shí)針逆時(shí)針2.2 用虛擬示波器測(cè)試(利用上位機(jī)提供的虛擬示波器和信號(hào)發(fā)生器) 圖5-3用虛擬示波器測(cè)試系統(tǒng)(環(huán)節(jié))的頻率特性可直接用軟件測(cè)試出系統(tǒng)(環(huán)節(jié))的頻率特性,其中Ui信號(hào)由虛擬示波器的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生,并由采集卡DA1通道輸出。測(cè)量頻率特性時(shí),被測(cè)環(huán)節(jié)或系統(tǒng)的輸出信號(hào)接采集卡的AD1通道,而DA1通道的信號(hào)同時(shí)接到采集卡的AD2通道。3慣性環(huán)節(jié) 傳遞函數(shù)和電路圖為 其幅頻的近似圖如圖5-5所示。圖5-4 慣性環(huán)節(jié)的電路圖 圖5-5 慣性環(huán)節(jié)的幅頻特性若圖5-4中取C=1uF,R1=100K,R2=100K,R0=200K則系統(tǒng)的轉(zhuǎn)折頻率為=1.66Hz4二階系統(tǒng) 由圖5-6(Rx=100K)可得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和方框圖為:,(過(guò)阻尼)圖5-6 典型二階系統(tǒng)的方框圖其模擬電路圖為圖5-7 典型二階系統(tǒng)的電路圖其中Rx可調(diào)。這里可取100K、10K兩個(gè)典型值。當(dāng) Rx=100K時(shí)的幅頻近似圖如圖5-8所示。 圖5-8 典型二階系統(tǒng)的幅頻特性5無(wú)源滯后超前校正網(wǎng)絡(luò)其模擬電路圖為圖5-9無(wú)源滯后超前校正網(wǎng)絡(luò)其中R1=100K,R2=100K,C1=0.1uF,C2=1uF其傳遞函數(shù)為 (5-5)式中 T1R1C1,T2R2C2,T12R1C2將上式改為 (5-6)對(duì)比式(5-5)、(5-6)得12T1T21+2T1+T2+T12由給定的R1、C1和R2、C2,求得T10.01s,T20.1s,T120.1s。代入上述二式,解得14.8710-3s,20.2051s。于是得,這樣式(5-6)又可改等為 (5-7)其幅頻的近似圖如圖5-10所示。圖5-10無(wú)源滯后超前校正網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性三實(shí)驗(yàn)設(shè)備1THBDC-2型 控制理論計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái);2PC機(jī)一臺(tái)(含“THBDC-2”軟件)、USB數(shù)據(jù)采集卡、37針通信線1根、16芯數(shù)據(jù)排線、USB接口線。3. 波形發(fā)生器一臺(tái)。四 實(shí)驗(yàn)步驟1慣性環(huán)節(jié)1.1 根據(jù)圖5-11 慣性環(huán)節(jié)的電路圖,選擇實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的通用電路單元設(shè)計(jì)并組建相應(yīng)的模擬電路。其中電路的輸入端接實(shí)驗(yàn)臺(tái)上信號(hào)源的輸出端,電路的輸出端接數(shù)據(jù)采集接口單元的AD2輸入端;同時(shí)將信號(hào)源的輸出端接數(shù)據(jù)采集接口單元的AD1輸入端。 圖5-11 慣性環(huán)節(jié)的電路圖1.2 點(diǎn)擊“BodeChart”軟件的“開始采集”;1.3 調(diào)節(jié)“低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器”正弦波輸出起始頻率至0.2Hz,并用交流電壓測(cè)得其壓電有效值為4V左右,等待到電路輸出信號(hào)穩(wěn)定后,點(diǎn)擊“手動(dòng)單采”,等待,軟件即會(huì)自動(dòng)完成該頻率點(diǎn)的幅值特性,并單點(diǎn)顯示在波形窗口上。1.4 繼續(xù)增加并調(diào)節(jié)正弦波輸出頻率(如0.3Hz,本實(shí)驗(yàn)終至頻率5Hz即可),等輸出信號(hào)穩(wěn)定后,點(diǎn)擊“手動(dòng)單采”,等待,軟件即會(huì)自動(dòng)完成該頻率點(diǎn)的幅值特性,并單點(diǎn)顯示在波形窗口上。1.5 繼續(xù)第1.2、1.3步驟,一直到關(guān)鍵頻率點(diǎn)都完成。1.6 點(diǎn)擊停止采集,結(jié)束硬件采集任務(wù)。1.7 點(diǎn)擊“折線連接”,完成波特圖的幅頻特性圖。注意事項(xiàng):正弦波的頻率在0.2Hz到2Hz的時(shí),采樣頻率設(shè)為1000Hz;正弦波的頻率在2Hz到50Hz的時(shí),采樣頻率設(shè)為5000Hz。1.7 保存波形到畫圖板。2二階系統(tǒng) 圖5-12 典型二階系統(tǒng)的電路圖2.1 當(dāng)時(shí)具體步驟請(qǐng)參考慣性環(huán)節(jié)的相關(guān)操作,最后的終至頻率2Hz即可。2.2當(dāng)時(shí)具體步驟請(qǐng)參考慣性環(huán)節(jié)的相關(guān)操作,最后的終至頻率5Hz即可。3. 無(wú)源滯后超前校正網(wǎng)絡(luò)根據(jù)圖5-9無(wú)源滯后超前校正網(wǎng)絡(luò)的電路圖,選擇實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的U2通用電路單元設(shè)計(jì)并組建其模擬電路,如圖5-13所示。圖5-13無(wú)源滯后超前校正網(wǎng)絡(luò)(電路參考單元為:U2)具體步驟請(qǐng)參考慣性環(huán)節(jié)的相關(guān)操作,最后的終至頻率100Hz即可。4根據(jù)實(shí)驗(yàn)存儲(chǔ)的波形,完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。五實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理1寫出被測(cè)環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的傳遞函數(shù),并畫出相應(yīng)的模擬電路圖;典型二階系統(tǒng)的電路圖: 無(wú)源滯后超前校正網(wǎng)絡(luò): ,(過(guò)阻尼)典型二階系統(tǒng):1.當(dāng)時(shí)理論波特圖:用(matlab顯示)如右圖2.當(dāng)時(shí)理論波特圖:用(matlab顯示)如右上圖,數(shù)據(jù)如上圖:與理論基本相符。無(wú)源滯后超前校正網(wǎng)絡(luò):理論伯德圖如右上;實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下:得到實(shí)驗(yàn)伯德圖如下:0.7890290.8353930.9502095814-1.56219-0.44362與理論基本符合。誤差分析:1.示波器讀取幅值的時(shí)候有視差;2.設(shè)備老化,存在誤差;3.電阻及電容等原件非理想原件,存在誤差;4.測(cè)量次數(shù)過(guò)少,存在偶然誤差;5.輸入信號(hào)不穩(wěn)定,在不同頻率下可能幅度有所波動(dòng);用上位機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí),根據(jù)由實(shí)驗(yàn)測(cè)得二階系統(tǒng)閉環(huán)幅頻特性曲線,據(jù)此寫出該系統(tǒng)的傳遞函數(shù),并把計(jì)算所得的諧振峰值和諧振頻率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較; 六實(shí)驗(yàn)思考題 1在實(shí)驗(yàn)中如何選擇輸入正弦信號(hào)的幅值? 答:先將頻率調(diào)到很大,再是信號(hào)幅值應(yīng)該調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)增益按鈕,令示波器的顯示方式為信號(hào)時(shí)間模式,然后觀測(cè)輸出信號(hào),調(diào)節(jié)頻率,觀察在各個(gè)頻段是否失真。2測(cè)試頻率特性時(shí),示波器Y軸輸入開關(guān)為什么選擇直流?答:因?yàn)檫@樣可以較為準(zhǔn)確的讀出輸入信號(hào)的幅度3測(cè)試相頻特性時(shí),若把信號(hào)發(fā)生器的正弦信號(hào)送入Y軸,被測(cè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)送入X軸,則根據(jù)橢圓光點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向,如何確定相位的超前和遲后?答:如果輸入和輸出信號(hào)交換輸入的話,則判斷超前和滯后的方法也要反過(guò)來(lái),即順時(shí)針時(shí)為滯后,逆時(shí)針時(shí)為超前。七 心得與體會(huì)這次實(shí)驗(yàn)加深了我對(duì)系統(tǒng)頻域特性及時(shí)域特性的理解,因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)施的局限性,采用一種新型的數(shù)據(jù)計(jì)量方法,通過(guò)李沙育圖形可以更好地觀察輸入輸出信號(hào)的幅度變化以為相位變化,同時(shí)也學(xué)會(huì)了使用示波器的X-Y模式;- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來(lái)的問(wèn)題本站不予受理。
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- 典型 環(huán)節(jié) 系統(tǒng) 頻率特性 測(cè)量
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