《自动控制原理》实验指导书(6)

180K180K500K1uF10K20K5uF360K100K1uFr(t) 20K___250K_信号输入20K10K10K_C(t)输出测量端 图1.3-4

三．实验设备及仪器

1．PC机一台

2．TD-ACC实验系统一套。

3．万用表

+

四．注意事项

参考实验一、二。

五. 实验方法与步骤

1．将信号源单元的“ST”端插针与“S”端插针用“短路块”短接。由于每个运放单元均设置了锁零场效应管，所以运放具有锁零功能。将开关分别设在“方波”档和“500ms～12s”档，调节调幅和调频电位器，使得“OUT”端输出的方波幅值为1V，周期为10s左右。

2．测量原系统的性能指标。

(1) 按图1.3-2接线。将1中的方波信号加至输入端。

(2) 用示波器的“CH1”和“CH2”表笔测量输入端和输出端。计算响应曲线的超调量MP和调节时间tS。

3. 测量校正系统的性能指标。

（1）按图1.3-4接线，将1中的方波信号加至输入端。

（2）用示波器的“CH1”和“CH2”表笔测量输入端和输出端。计算响应曲线的超调

量MP和调节时间tS，是否达到期望值，若未达到，请仔细检查接线 (包括阻容值)。

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六. 实验报告内容与要求

1．画出模拟电路图，写出对象的传递函数。 2．画出未校正和校正后系统的响应曲线图。

七. 思考

计算未校正和校正后系统的动态性能指标并和实验测试值相比较。 25

实验七 线性系统的频率响应分析

一．实验目的

1． 通过实验加深对系统频率特性的理解。 2． 掌握系统频率特性的实验测试方法。 3． 学会根据波特图确定系统开环传函的方法。。

二．实验内容

1． 搭建模拟电子电路。

2． 测试、绘制模拟电路的波特图。

3． 根据测得的波特图确定模拟电路的开环传递函数。

三．实验设备及仪器

1． PC机一台。

2． TD-ACC系列教学实验系统一套。 3． 可调电阻器。

4． 虚拟二踪示波器软件一套。 5． 万用表。

四. 注意事项

1． 输入正弦函数的幅值不能太大，以避免运算放大器产生饱和现象，影响测试结果。 2． 输入正弦函数的频率应多在系统的转折频率附近，以提高测试精确度。 3． 测量过程中要去除运放本身的反相的作用，即保持两路测量点的相位关系与运放

无关，所以在测量过程中可能要适当加入反相器，滤除由运放所导致的相位问题。

五. 实验线路及原理

1. 控制系统频率特性的概念

当输入正弦信号时，线性系统的稳态响应具有随频率 ( ω由0变至 ∞ ) 而变化的特

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性。频率响应法的基本思想是：尽管控制系统的输入信号不是正弦函数，而是其它形式的周期函数或非周期函数，但是，实际上的周期信号，都能满足狄利克莱条件，可以用富氏级数展开为各种谐波分量；而非周期信号也可以使用富氏积分表示为连续的频谱函数。因此，根据控制系统对正弦输入信号的响应，可推算出系统在任意周期信号或非周期信号作用下的运动情况。

2．线性系统的频率特性

系统的正弦稳态响应具有和正弦输入信号的幅值比?（j?）和相位差??（j?）随角频率 (ω由0变到∞) 变化的特性。而幅值比?（j?）和相位差??（j?）恰好是函数

?（j?）的模和幅角。所以只要把系统的传递函数?（s），令s?j?，即可得到?（j?）。

我们把?（j?）称为系统的频率特性或频率传递函数。当?由0到∞变化时，?（j?）随频率ω的变化特性称为幅频特性，??（j?）随频率?的变化特性称为相频特性。幅频特性和相频特性结合在一起时称为频率特性。

3．对数频率特性图及其与系统开环传递函数的关系

对数频率特性图又称波特图，它包括对数幅频和对数相频两条曲线，是频率响应法中广泛使用的一组曲线。这两组曲线连同它们的坐标组成了对数坐标图。理论分析表明，最小相位系统的对数幅频特性渐近线的转折频率和斜率与系统的传递函数对应，根据波特图可以确定出系统的传递函数。

4. 频率特性的直接测量法

本实验对象的结构框图如图7-1所示。

R(S)+_10.1S10.1S+1C(S) 图7-1 实验对象结构框图

对应的模拟电路如图7-2所示。

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1uF20K100K10K2uF示波器(SIN)信号输入20K_1#50K_2#100K_3#10K_4#C(t)20K输出端-C(t) 图7-2 实验对象模拟电路

用来直接测量系统的闭环频率特性，适用于时域响应曲线收敛的系统对象。该方法直接测量系统输出与信号源的相位差及幅值衰减情况，取对数后就可得到系统的对数频率特性图。

5. 间接频率特性的测量法

用来测量闭环系统的开环特性，因为有些线性系统的开环时域响应曲线发散，幅值不易测量，可将其构成闭环负反馈稳定系统后，通过测量信号源、反馈信号、误差信号的关系，从而推导出对象的开环频率特性。理论分析得系统的开环频率特性为：

G(jw)?B(jw)B(jw)B(jw)??E(jw)E(jw)E(jw)

本实验的间接方式是分别测量图7-2中的反馈测量点和误差测量点正弦信号的幅值和相位，根据上式计算出开环频率特性的幅频特性和相频特性，取对数后，即可间接得出开环系统的波特图。

六. 实验方法与步骤

此次实验，采用直接测量方法测量对象的闭环波特图及间接测量方法测量对象的开环波特图。将信号源单元的“ST”插针分别与“S”插针和“+5V”插针断开，运放的锁零控制端“ST”此时接至示波器单元的“SL”插针处，锁零端受“SL”来控制。实验过程中“SL”信号由虚拟仪器自动给出。

1．实验接线：按模拟电路图7-4接线，检查无误后方可开启设备电源。 2．直接测量方法 (测对象的闭环波特图)

A. 将示波器单元的“SIN”接至图7-4中的信号输入端，“CH1”路表笔插至图7-4

中的4＃运放的输出端。

B. 打开集成软件中的频率特性测量界面，弹出时域窗口，点击

按钮，在弹出

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