典型环节的频率特性测量

1、典型环节（或系统）的频率特性测量一实验目的学习和掌握测量典型环节（或系统）频率特性曲线的方法和技能。学习根据实验所得频率特性曲线求取传递函数的方法。二实验要求用实验方法完成一阶惯性环节的频率特性曲线测试。用实验方法完成典型二阶系统开环频率特性曲线的测试。根据测得的频率特性曲线求取各自的传递函数。用软件仿真方法求取一阶惯性环节频率特性和典型二阶系统开环频率特性，并与实验所 得结果比较。三实验原理掌握改变正弦波信号幅值和频率的方法。利用实验箱上的模拟电路单元，参考本实验附录设 计并连接“一阶惯性环节”模拟电路（如用U9+U8连成）或“两个一阶惯性环节串联”的 模拟电路（如用U9+U11连成）。四实

2、验所用仪器PC微机（含实验系统上位机软件）、ACT-I实验箱、USB2.0通讯线五实验步骤和方法用实验方法完成一阶惯性环节的频率特性曲线测试。用实验方法完成典型二阶系统开环频率特性曲线的测试。根据测得的频率特性曲线求取各自的传递函数。用软件仿真方法求取一阶惯性环节频率特性和典型二阶系统开环频率特性，并与实验所 得结果比较。具体步骤：熟悉实验箱上的信号源，掌握改变正弦波信号幅值和频率的方法。利用实验箱上的 模拟电路单元，参考本实验附录设计并连接“一阶惯性环节”模拟电路（如用U9+U8连成） 或“两个一阶惯性环节串联”的模拟电路（如用U9+U11连成）。利用实验设备完成一阶惯性环节的频率特性曲线测

3、试。无上位机时，利用实验箱上的信号源单元U2所输出的正弦波信号作为环节输入，即连 接箱上U2的“正弦波”与环节的输入端（例如对一阶惯性环节即图1.5.2的Ui）。然后用 示波器观测该环节的输入与输出（例如对一阶惯性环节即测试图1.5.2的Ui和Uo）。注意 调节U2的正弦波信号的“频率”电位器RP5与“幅值”电位器RP6，测取不同频率时环节 输出的增益和相移（测相移可用“李沙育”图形），从而画出环节的频率特性。有上位机时，必须在熟悉上位机界面操作的基础上，充分利用上位机提供的虚拟示波器 与信号发生器功能。为了利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能，接线方式将不同 于上述无上位机情况。仍以一

4、阶惯性环节为例，此时将Ui连到实验箱U3单元的01或02 （D/A通道的输出端，这个是通过上位机选择其中的一路输出），将Uo连到实验箱U3单元的 I1 （A/D通道的输入端），然后再将你选择的D/A输出通道测试信号01（如果选择的是01）连 接到这组A/D输入的另一采集输入端弗，然后连接设备与上位机的USB通信线。接线完成，经检查无误，再给实验箱上电后，启动上位机程序，进入主界面。界面上的操作步骤如下：选择任一 D/A输出通道，如“01”，将其作为环节输入，接到环节输入Ui端,再将其 作为原始测试信号接到A/D输入的I2(便于观看虚拟示波器发出的原始信号)，将环节的输 出端Uo接到A/D输入通

5、道I1。完成上面的硬件接线后，检查USB连线和实验箱电源，然后打开LabVIEW软件上位机 界面程序。进入实验界面后，先对频率特性的测试信号进行设置：“幅值”为5 (可以根据实验 结果波形来调整)，“测试信号”为正弦波。完成实验设置，先点击LabVIEW运行按钮“RUN”运行界面程序，按照上面的步骤 设置好信号后，点击“下载数据”按钮，将设置的测试信号发送到数据采集系统。然后点击 实验界面右下角的“Start”按钮来启动频率特性测试。测试程序将会从低频率计算到高频， 界面右下角有个测试进度条，它将显示测试的进度。最后测试出来频率特性的Bode Plot、 Nyquist Plot将在相应的图形

6、控件中显示出来，在同一界面中我们可以同时看到频率特性的 两种显示模式:一种是伯德图“Bode Plot”，它包括幅频特性和相频特性；另一种模式就是 乃奎斯特图“Nyquist Plot”，又称极坐标图。按实验报告需要，将图形结果保存为位图文件，操作方法参阅软件使用说明书利用实验设备完成典型二阶系统开环频率特性曲线的测试。具体操作方法参阅步骤 2。参考附录的提示，根据测得的频率特性曲线(或数据)求取各自的传递函数。6.分析实验结果，完成实验报告。附录：1.实验用一阶惯性环节传递函数参数、电路设计及其幅相频率特性曲线:对于G(s) = J的一阶惯性环节，其幅相频率特性曲Ts +1是一个半圆，见图3

7、.1。取s = j&代入，得一KG( jW) = r()ejjwT +1在实验所得特性曲线上，从半园的直径r(0)，可得到环 节的放大倍数K，K= r(0)。在特性曲线上取一点wk，可以确定环节的时间常数T，T =-俎yW k实验用一阶惯性环节传递函数为G(s) = 02% ,其中参数为R0=200KQ，R1 = 200KQ， C = 0.1uF，其模拟电路设计参阅图1.5.2。2 .实验用典型二阶系统开环传递函数参数、电路设计及其幅相频率特性曲 线:对于由两个惯性环节组成的二阶系统，其开环传递函数为G(s) = 1)(卒 + 1)(T2 s +1)T 2s 2 + 2Ts +1令上式中s =

8、 j，可以得到对应的频率特性KG( z) = r(&)e-T 2 2 + j 及 T + 1二阶系统开环传递函数的幅相频率特性曲线，如图 3.2.1所示。根据上述幅相频率特性表达式，有 TOC o 1-5 h z K = r(0)(31)r(0)r(k)=:T+k其中工=H2tgk笑 T故有 T2 = -2-(32)(33)如已测得二阶环节的幅相频率特性，则 r (0)、 k、4k和r( J均可从实验曲线得到，于是可按式(31)、(32)和(33)计 算K、T、g，并可根据计算所得T、g求 取二和T2T1 = T 此+ * 2 -1T2 = T &-Y&2 -1实验用典型二阶系统开环传递函数为

9、：G(s)H (s) =- =1(0.2s + 1)(0.1s +1)0.02s 2 + 0.3s +10.01u C100k戚100k1-0-200kRT+l=F1图 3.2.20.1lC 200k R C=t+kgr(0)其电路设计参阅图3.2.2。3 .对数幅频特性和对数相频特性上述幅相频率特性也可表达为对数幅频特性和对数相频特性，图3.3.1和图3.3.2分别给 出上述一阶惯性环节和二阶环节的对数幅频特性和对数相频特性:图 3.3.1图 3.3.2注意：此时横轴 采用了以10为底的对数坐标，纵轴则分别以分贝和度为单位。六实验注意事项在实验过程中，要听从老师的指导，严格按照实验步骤进行，不能任意更改，不熟悉的仪器 设备，应先请老师知道后使用，切勿随意乱动。实验室如有问题发生，应首先用自己学过的知识，独立思考加以解决，努力培养独立分析问 题和解决问题的能力，如自己不能解决可与指导老师共同讨论研究，提