自动控制原理实验-系统频率特性的测量与分析

1、广州大学学生实验报告开课学院及实验室：实验中心 工程北531 2013 年 11 月25日 学 院机电年级、专业、班姓名学号实验课程名称自控原理实验成绩实验项目名称实验五 系统频率特性的测量与分析 指导教师一、实验目的二、实验内容三、使用仪器、材料四、实验过程原始记录（程序、数据、图表、计算等）五、实验结果及分析 一、实验目的1加深了解系统及元件频率特性的物理概念。 2掌握系统及元件频率特性的测量方法。 3学习使用MATLAB 绘制Bode 图和Nyquist 图的方法；4掌握使用Bode 图和Nyquist 图分析系统性能的方法;5通过仿真结果和理论计算的对照，加深对相应知识点的理解。二、实

2、验内容 实验1模拟电路图及系统结构图分别如图5l和图52。 图51 图52 取R3=500k，则系统传递函数为 若输入信号U1(t)=U1sint，则在稳态时，其输出信号为 U2(t)=U2sin(t+)。 改变输入信号角频率值，便可测得二组U2U1和随变化的数值，这个变化规律就是系统的幅频特性和相频特性。 实验2考虑二阶系统传递函数模型试用MATLAB 绘制出不同和n 的伯德图。实验3. 已知系统的开环传递函数为(1) 绘制根轨迹，并根据根轨迹图求若要使系统稳定，k 的最大值；(2) 取k=10，绘制Bode 图，根据Bode 图求系统的幅值裕量和相角裕量；取k=10，绘制Nyquist 图

3、，并根据Nyquist 图判断系统的稳定性；检验用上述几种方法判断系统稳定性的一致性。 三、实验原理1nyquist 求连续系统的Nyquist 曲线格式1：nyquist(sys) re,im,w=nyquist(sys)格式2：nyquist(sys,w) re,im,w=nyquist(sys,w)格式3：nyquist(sys,iu,w) re,im,w=nyquist(sys,iu w)说明： sys 为tf(),zpk(),ss()中任一种模型。w 设定频率范围，省略时由机器自动产生。对于不带返回参数的将绘制Nyquist曲线。对于带有返回参数的将不绘制曲线,返回参数re im 为

4、开环G(jw)在各频率点的实部和虚部即：re=Re(G(jw), im=Im(G(jw).对于MIMO 系统，iu 表示用第iu 个输入变量来绘制系统的Nyquist 曲线。返回参数为第i 个输出变量针对第j 个输入变量的频率响应实部和虚部即re(i,j,:) 和 im(i,j,:)。2nichols 求连续系统的Nichols（尼克尔斯）频率响应曲线格式1： nichols(sys) re,im,w= nichols(sys)格式2： nichols(sys,w) re,im,w= nichols(sys,w)格式3： nichols(sys,iu,w) re,im,w= nichols(s

5、ys,iu w)说明： nicholsh 函数的输入变量定义与nyquist 相同3bode 求连续系统的Bode（伯德）频率响应格式1： bode(sys) mag,phase,w= bode(sys)格式2： bode(sys,w) mag,phase,w= bode(sys,w)格式3： bode(sys,iu,w) mag,phase,w= bode(sys,iu w)说明： bode 函数的输入变量定义与nyquist 相同Bode 图可用于分析系统的增益裕度、相位裕度、增益、带宽以及稳定性等特性。mag 和phase 分别是幅值和相位数组。iu 表示从系统第iu 个输入到所有输出的

6、Bode 图。当不带输出变量时则直接绘出图形。而带有输出变量时则得到一组相关数据。其中的w 是频率的取值范围，若缺省则该项由函数自动确定。绘图时的横坐标是以对数分度的。为了指定频率的范围，可采用以下命令格式：logspace(d1,d2) 或 logspace(d1,d2,n) 式是在指定频率范围内按对数距离分成50 等份的，即在两个十进制数w1=10d1和w2=10d2 之间产生一个由50 个点组成的分量，矢量中的点数50 是一个默认值。4margin 求取给定线性定常系统的幅值裕量和相角的裕量格式1：margin（sys）格式2：margin（mag,phase,w）格式3：Gm,Pm,

7、Wcg, Wcp=margin（sys）Gm,Pm, Wcg , Wcp=margin（mag,phase,w）说明：margin 函数可从频率响应数据中计算出幅值裕度(不是db)、相角裕度和剪切频率。格式1 画出bode 图，并标注幅值裕度和对应频率，相角裕度和对应频率。格式2 由给定的幅值mag、相位phase 及频率w 画出bode 图格式3：不画图，返回幅值裕度Gm 和对应频率Wcg ,相角裕度Pm 和对应频率Wcp 。 四、使用仪器、材料 计算机、MATLAB 软件 五、实验过程原始记录（程序、数据、图表、计算等）实验步骤 1连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入U1接AD、DA卡

8、的DAl输出，电路的输出U2接AD、DA卡的ADI输入。检查无误后接通电源。 2启动计算机，在桌面双击图标自动控制实验系统运行软件。 3测试计算机与实验箱的通信是否正常，通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。 测频率图 4选中实验课题系统频率特性测量测频率图菜单项，鼠标单击将弹出参数设置窗口。参数设置完成后点确认等待观察波形。 测波特图 5在测量波特图的过程中首先应选择实验课题系统频率特性测量测波特图数据采样采集信息。 6待数据采样结束后点击实验课题系统频率特性测量测波特图图形观测即可以在显示区内显示出所测量的波特图。 测奈氏图 7在测量波特图的过程中首先应选择实验课题系统频率特性测量测奈氏图数据采样采集信息。 8待数据采样结束后点击实验课题系统频率特性测量测奈氏图图形观测即可以在显示区内显示出所测量的波特图。 9实验2、实验3涉及的主要命令有：Bode（）、rlocus