典型环节（或系统）的频率特性测量.docx

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1、一、实验目的1 .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。2 .学习根据实验所得频率特性曲线求取传递函数的方法。二、实验内容1.用实验方法完成一阶惯性环节的频率特性曲线测试。2.3.4.根据测得的频率特性曲线求取各自的传递函数。用实验方法完成典型二阶系统开环频率特性曲线的测试。用实验方法完成典型二阶系统闭环频率特性曲线的测试。5.用软件仿真方法求取阶惯性环节频率特性和典型二阶系统开环频率特性、闭环频率特性，并与实验所得结果比较三、实验原理1 .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G（三）=K对于区+1的一阶惯性环节，其幅相频率特性曲线是一个半圆，见图30。G

2、V0)=K=必)取s=现代入，得J+在实验所得特性曲线上，从半园的直径厂（）,可得到环节的放大倍数K,K=）。在特性曲线上取一点可以确定环节的时间常数T,做GG） =实验用一阶惯性环节传递函数为1C=IuF,参数根2s+l,其中参数为Ro=2O()MQ,R=2OOMQ,据实验要求可以自行搭配，其模拟电路设计参阅下图31。在进行实验连线之前，先将U13单元输入端的IoOK可调电阻顺时针旋转到底（即调至最大），使输入电阻Ro的总阻值为200K;其中，Rl、Cl在U13单元模块上。U8单元为反相器单元，做实验之前，将实验装置上的Ul单元上的（M5V可调电源接入到U8单元的输入端，引入IV的输入电压，

3、用万用表或者上位机时域界面测量U8单元的输出电压是否为-IV,如果不是则调节U8单元输入端的IOK可调电阻，使输入和输出电压大小相同，极性相反，保证反相器的放大倍数为L也可根据实验要求学生自己改变反相器放大倍数。注明：所有运放单元的+端所接的IoOK、IOK电阻均己经内部接好，实验时不需外接。13 的0G 的 I, (运放单元上的锁零G端图31惯性环节的频率特性测试电路2 .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K_K6i)+D0S+1)代2+2於+1GQ。）=-7,V+ j2r令上式中S=J,可以得到对应的频率特性二阶系统

4、开环传递函数的幅相频率特性曲线，如图32所示。图32二阶系统开环传递函数的幅相频率特性曲线根据上述幅相频率特性表达式，有K=rM)=71 J-T2.其中g夕0故有=1疏2T=如已测得二阶环节的幅相频率特性，则”)、5、祗和(外)均可从实验曲线得到，于是可按上三式计算K、T、,并可根据计算所得人求取Tl和“Ti=TG+P三iT2=K-yG(三)H(三)=三-实验用二阶惯性环节传递函数为(0.25+1)(0.Is+1)0,02s+0.3s+l,其中参数为RO=H)OKQ,R1=IooMQ,R2=2OKQ,R3=2MQ,Ci=C2=IuF,参数根据实验要求可以自行搭配，其模拟电路设计参阅下图33。在

5、进行实验连线之前，先将U13单元输入端的100K可调电阻逆时针旋转到底(即调至最大)，使输入电阻RO的总阻值为IOoK;其中，R1.G在U13单元模块上。再将U15单元输入端的IOoK可调电阻顺时针旋转到底(即调至最大)，使输入电阻Rz的总阻值为200K;其中，R3.C2在U15单元模块上。注明：所有运放单元的+端所接的100K电阻均已经内部接好，实验时不需外接。Ci=IuF图33二阶闭环系统频率特性测试电路四、实验步骤1 .熟悉频率测试软件的使用方法，了解实验的线路的连接。利用实验装置上的模拟电路单元，按照图31连接“一阶惯性环节”模拟电路。2 .利用实验设备完成一阶惯性环节的频率特性曲线测

6、试。(1)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。(2)双击打开桌面频率特性图标运行求是频率特性实验。(3)做一阶特性实验，点击右上角电路类型选择“一阶电路”，系统自动将各测量窗口量程设置为适合一阶电路的大小。输入输出通道选择默认的II、12;自定义测频范围可以根据实验所能检测到的最大频率进行设置，一般一阶特性我们设置为0-30Hz;幅值可以按默认值设置；点击函数功能，跳出函数的设置对话框，将一阶惯性环节的实际测试传递函数代入仿真函数系统中去；同时点击软件界面上的测试+函数，软件界面显示的黄色波形就是一阶特性的仿真幅频和相频波形图，方便随后

7、与真实测试的波形进行对比。注明：采集系统检测的最低电压信号为IoOmV以上，输出信号低于100mV系统将自动停止运行。(4)点击按钮，期间请勿点击界面任何地方，最好是鼠标都不要晃动，请等待实验的结束。(5)实验结束后，勾选辅助显示游标选项和曲线，则系统会产生游标的功能，同时显示当前实验各测试点的数据，并自动绘制曲线图，方便学生分析结果。(6)点击功能按钮，如下图所示，在导出图像文件选择前打勾，同时点击文件夹图标，选择保存数据的文件路径，自己在跳出的路径对话框里，新建一个txt格式的文档，命名为1,然后点保存，那么初始路径会自动设定为E:数据频率特性测试数据l.txt,这个时候再点确定，那么将可

8、以在E盘的目录下找到数据文件夹。4张bmp格式的波形图片分别如下:根据一阶系统传递函数，算出其转折频率3=5,则可通过211f=3,得出f=0.796Hz.(8)扩展实验：学生可以自行通过改变惯性环节开环增益：改变U13单元的输入电阻RO;改变惯性环节时间常数：改变U13单元的电容Cl,重新观测结果，并将各波形的频率点等相关数据，填入实验报告。3 .利用实验设备完成典型二阶系统开环传递函数特性测试。软件操作如阶电路所描述，请勿更改。程序运行状态下对资源的要求很多，请勿做任何操作，包括鼠标的移动(否则会造成程序停止响应的结果)。(1)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

9、供的虚拟示波器与信号发生器功能。(2)双击打开桌面频率特性图标运行求是频率特性实验。(3)做二阶特性实验，点击右上角电路类型选择“二阶电路”，系统自动将各测量窗口量程设置为适合二阶电路的大小。输入输出通道选择默认的II、12。自定义测频范围可以根据实验所能检测到的最大频率进行设置，一般二阶特性我们设置从SlHz到20Hz。具体的实验操作方法可以参考一阶特性实验。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34和图35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34阶惯性环方对数幅相频特性曲线图35二阶惯性坏由对数例相频特性曲线注意：此时横轴W采用了以10为底的

10、对数坐标，纵轴则分别以分贝和度为单位五、实验报告1.画出系统的模拟电路图，并标出各元件取值,I2.绘制出幅频相频特性曲线（BOde图）。U?-图S）N7。）丽）绡图3.绘制NyqUiSt曲线，并标出频率。的变化方向。六、思考题（1）对一阶系统，如何根据频率特性曲线读取放大倍数K;答：对于一阶系统，可根据频率特性曲线（Bode图）的低频区域（即3小于转折频率的区域）与纵轴的交点来确定放大倍数K。（2）对二阶系统，如何根据频率特性曲线读取放大倍数K和阻尼系数；答：对于二阶系统，若传递函数无积分环节，则可根据频率特性曲线（Bode图）的低频区域（即3小于转折频率的区域）与纵轴的交点来确定放大倍数K；若有积分环节，则需要求得低频区域时3=1时对应的纵坐标，便可求得放大系数K；为了求得二阶系统的阻尼系数&,可根据NyqUiSt图中相角巾（3）=45时的对应的幅值A（3）便可求得&,其值为12A（3）.