自动控制原理实验4

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1、3.2线性控制系统的频域分析3.2.1一阶惯性环节的频率特性曲线一．实验要求了解和掌握对数幅频曲线和相频曲线（波德图）、幅相曲线（奈奎斯特图）的构造及绘制方法。二．实验内容及步骤本实验用于观察和分析一阶惯性环节的频率特性曲线。频域分析法是应用频率特性研究线性系统的一种经典方法。它以控制系统的频率特性作为数学模型，以波德图或其他图表作为分析工具，来研究和分析控制系统的动态性能与稳态性能。本实验将数/模转换器（B2）单元作为信号发生器，自动产生的超低频正弦信号的频率从低到高变化（0.5Hz~64Hz），OUT2输出施

2、加于被测系统的输入端r(t)，然后分别测量被测系统的输出信号的对数幅值和相位，数据经相关运算后在虚拟示波器中显示。惯性环节的频率特性测试电路见图3-2-1。图3-2-1惯性环节的频率特性测试电路实验步骤：（1）将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入。（2）构造模拟电路：按图3-2-1安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套（b）测孔联线模块号跨接座号1A1S2，S62A6S4，S7，S91信号输入B2（OUT2）→A1（H1）2运放级联A1（OUT）→A6（H1）3相位测量A6（OUT）→A8

3、（CIN1）4A8（COUT1）→B4（A2）5B4（Q2）→B8（IRQ6）6幅值测量A6（OUT）→B7（IN6）（3）运行、观察、记录：①运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性控制系统的频率响应分析-实验项目，选择一阶系统，就会弹出虚拟示波器的频率特性界面，点击开始，实验机将自动产生0.5Hz~64Hz多个频率信号，测试被测系统的频率特性，等待将近十分钟，测试结束。②测试结束后，可点击界面下方的“频率特性”选择框中的任意一项进行切换，将显示被测系统的对数幅频、相频特性曲线（伯德图）和幅相曲线（奈奎斯

4、特图），同时在界面上方将显示该系统用户点取的频率点的L、、Im、Re等相关数据。点击停止后，将停止示波器运行。③改变惯性环节开环增益：改变A6的输入电阻R=50K、100K、200K。C=1u，R2=50K（T=0.05）。改变惯性环节时间常数：改变A6的反馈电容C2=1u、2u、3u。R1=50K、R2=50K（K=1）注：本实验要求惯性环节开环增益不能大于1。3.2.2二阶闭环系统的频率特性曲线一．实验要求1．了解和掌握二阶闭环系统中的对数幅频特性和相频特性，实频特性和虚频特性的计算2．了解和掌握欠阻尼二阶闭

5、环系统中的自然频率ωn、阻尼比ξ对谐振频率ωr和谐振峰值L(ωr)的影响及ωr和L(ωr)的计算。3．观察和分析欠阻尼二阶开环系统的谐振频率ωr、谐振峰值L(ωr)，并与理论计算值作比对。二．实验内容及步骤本实验用于观察和分析二阶闭环系统的频率特性曲线。本实验以第3.1.2节〈二阶系统瞬态响应和稳定性〉中‘二阶闭环系统模拟电路’为例，令积分时间常数为Ti，惯性时间常数为T，开环增益为K，可得：自然频率：阻尼比：（3-2-1）谐振频率：谐振峰值：（3-2-2）频率特性测试电路如图3-2-2所示，其中惯性环节（A3单

6、元）的R用元件库A7中可变电阻取代。。图3-2-4二阶闭环系统频率特性测试电路积分环节（A2单元）的积分时间常数Ti=R1*C1=1S，惯性环节（A3单元）的惯性时间常数T=R3*C2=0.1S，开环增益K=R3/R。设开环增益K=25（R=4K），各环节参数代入式（3-2-1），得：ωn=15.81ξ=0.316；再代入式（3-2-2），得：谐振频率：ωr=14.14谐振峰值：注1：根据本实验机的现况，要求构成被测二阶闭环系统的阻尼比ξ必须满足，否则模/数转换器（B7元）将产生削顶。注2：实验机在测试频率特性时

7、，实验开始后，实验机将按序自动产生0.5Hz~16Hz等多种频率信号，当被测系统的输出时将停止测试。实验步骤：（1）将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入。（2）构造模拟电路：按图3-2-4安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套（b）测孔联线模块号跨接座号1A1S4，S82A2S2，S11，S123A3S8，S95A6S2，S61信号输入B2（OUT2）→A1（H1）2运放级联A1（OUT）→A2（H1）3运放级联A3（OUT）→A6（H1）4负反馈A3（OUT）→A1（H2）6相位测量A6

8、（OUT）→A8（CIN1）7A8（COUT1）→B4（A2）8B4（Q2）→B8（IRQ6）9幅值测量A6（OUT）→B7（IN4）10跨接元件（4K）元件库A11中可变电阻跨接到A2（OUT）和A3（IN）之间（3）运行、观察、记录：①将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入，运行LABACT程序，在界面的自动控制菜单下的线性控制系统的频率响应分析-实验项