自动控制原理实验-控制系统频率特性的测试

1、实验四 控制系统频率特性的测试1、实验目的认识线性定常系统的频率特性，掌握用频率特性法测试被控过程模型的原理和方法，根据开环系统的对数频率特性，确定系统组成环节的参数。2、实验装置（1）PC586微型计算机。（2）自动控制实验教学系统软件。3、实验步骤及数据处理 （1）首先确定被测对象模型的传递函数G（S），根据具体情况，先自拟三阶系统的传递函数， ，设置好参数。 要求：和之间相差10倍左右，<或<均可，数值可在0.01秒和10秒之间选择，取0.5左右，K10。 设置T1=0.1，T2=1， =0.5，K=5。 （3）设置好各项参数后，开始作仿真分析，首先作幅频特性测试。根据所设置

2、的，的大小，确定出所需频率范围（低端低于转折频率小者10倍左右，高端高于转折频率高者10倍左右）。所需频率范围是：0.1rad/s到100rad/s。 参考实验模型窗口图，设置输入信号模块正弦信号的参数，首先设置正弦信号幅度Amplitude,例如设置Amplitude=1，然后设置正弦频率Frequency ，单位为rads/sec。再设置好X偏移模块的参数，调节Y示波器上Y轴增益，使在所取信号幅度下，使图象达到满刻度。 利用Y示波器上的刻度（最好用XY示波器上的刻度更清楚地观察），测试输入信号的幅值（用2表示），也可以参考输入模块中设置的幅度，记录于表7-2中。此后，应不再改变输入信号的幅

3、度。 依次改变输入信号的频率（按所得频率范围由低到高即由小到大慢慢改变，特别是在转折频率处更应多测试几点，注意：每次改变频率后要重新启动Simulation|Start选项，观察“李沙育图形” 读出数据），利用Y示波器上的刻度（也可以用XY 示波器上的刻度更清楚地观察，把示波器窗口最大化，此时格数增多更加便于观察），测试输出信号的幅值（用2表示），并记录于表7-2（本表格不够，可以增加）。注意：在转折频率，特别是和附近应多测几点。由题意知传递函数的两个转折频率为1rad/s和10rad/s,所以选取的频率为0.5rad/s、0.7rad/s、0.98rad/s、0.99rad/s、1rad/s

4、、1.2rad/s、4rad/s、7rad/s、9rad/s、9.8rad/s、9.9rad/s、10rad/s、10.1rad/s、10.2rad/s、14rad/s、20rad/s、40rad/s、80rad/s、100rad/s 以下是在不同频率下李沙育图及幅频特性和相频特性的分析情况 (1)当=0.5rad/s时，2Xm= 2 2Ym=25.515 = 14.83 2y0=23.3 = = 36.75° 绕行方向：逆时针 如下图图一 (2)当=0.7rad/s时，2Xm= 2 2Ym=25.727 = 15.16 2y0=24.879 = = 58.42° 绕行方向

5、：逆时针 如下图图二 (3)当=0.98rad/s时，2Xm= 2 2Ym=25.178 = 14.28 2y0=25.067 = = 78.11° 绕行方向：逆时针 如下图图三 (4)当=0.99rad/s时，2Xm= 2 2Ym=24.428 = 12.92 2y0=24.226 = = 72.627° 绕行方向：逆时针 如下图图四 (5)当=1rad/s时，2Xm= 2 2Ym=24.983 = 13.95 2y0=24.933 = 180-= 98.13° 绕行方向：逆时针 如下图 图五 (6)当=1.2rad/s时，2Xm= 2 2Ym=23.872 =

6、 11.759 2y0=23.434 = 180-= 117.52° 绕行方向：逆时针 如下图 图六 (7)当=4rad/s时，2Xm= 2 2Ym=20.298 = -10.52 2y0=20.03535 =180 -= 173.19° 绕行方向：顺时针 如下图 图七 (8)当=7rad/s时，2Xm= 2 2Ym=20.0845 = -21.46 2y0=20.0377 = 180-=153.5° 绕行方向：顺时针 如下图图八 (9)当=9rad/s时，2Xm= 2 2Ym=20.046 = -26.74 2y0=20.0268 = 180-= 144.37&

7、#176; 绕行方向：顺时针 如下图图九 (10)当=9.8rad/s时，2Xm= 2 2Ym=20.0373 = -28.57 2y0=20.0233 =180 -= 141.34° 绕行方向：顺时针 如下图图十 (11)当=9.9rad/s时，2Xm= 2 2Ym=20.0365 = -28.75 2y0=20.02263 = 180-= 141.68° 绕行方向：顺时针 如下图图十一 (12)当=10rad/s时，2Xm= 2 2Ym=20.03556 = -28.98 2y0=20.02236 = 180-= 141.04° 绕行方向：顺时针 如下图图十二

8、 (13)当=10.1rad/s时，2Xm= 2 2Ym=20.03461 = -29.21 2y0=20.02182 = 180-= 140.92° 绕行方向：顺时针 如下图图十三 (14)当=10.2rad/s时，2Xm= 2 2Ym=20.03394 = -29.39 2y0=20.02141 = 180-=140.89° 绕行方向：顺时针 如下图图十四 (15)当=14rad/s时，2Xm= 2 2Ym=20.01488 = -36.55 2y0=20.01145 = 180-= 129.69° 绕行方向：顺时针 如下图图十五 (16)当=20rad/s时

9、，2Xm= 2 2Ym=20.005596 = -45.04 2y0=20.004869 = 180-= 119.09° 绕行方向：顺时针 如下图图十六 (17)当=40rad/s时，2Xm= 2 2Ym=20.00076 = -62.38 2y0=20.00073 = 180-= 106.16° 绕行方向：顺时针 如下图图十七 (18)当=80rad/s时，2Xm= 2 2Ym=20.000143 = -76.89 2y0=20.000142 = 180-= 96.78° 绕行方向：顺时针 如下图图十八 (19)当=100rad/s时，2Xm= 2 2Ym=20

10、.00004916 = -86.17 2y0=20.000043 = 180-=118.99° 绕行方向：顺时针 如下图图十九由实验模型即：由实验设置模型根据理论计算结果，绘制出Bode图。图二十 4、思考题（1） 是否可以用“李沙育图形”同时测量幅频特性和相频特性？ 答：可以，因为能在“李沙育图形”中同时读出2Xm 、2Ym 、2y0并可以计算出 和 ，从而得到幅频特性和相频特性。（2） 讨论用“李沙育图形”法测试频率特性的精度，即误差分析（说明误差的主要来源）。 答：，仅当时，上式才是成立的，所以在其他频率范围时只能用来近似，而且读数时也有人为误差。（3） 对用频率特性测试系统数学模型方法的评价。 答：频率特性可以用于稳定系统也可以用于不稳定系统。频率特性也是系统数学模型的一种，可用多种形式的曲线表示，因此系统分析和控制器设计可以应用图解法进行。频率特性的物理意义明确，不仅适用于线性定常系统，还可推广至某些非线性控制系统。5、 实验总结 （1）通过本次实验认识了线性定常系统的频率特性，掌握了用频率特性法测试被控过程