实验三 典型环节和系统频率特性的测量.doc

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1、实验三典型环节和系统频率特性的测量一、实验目的1.了解典型环节和系统的频率特性曲线的测试方法；2.根据实验求得的频率特性曲线求取传递函数。二、实验设备同实验一。三、实验内容1.惯性环节的频率特性测试；2.二阶系统频率特性测试；3.无源滞后—超前校正网络的频率特性测试；4.由实验测得的频率特性曲线，求取相应的传递函数；5.用软件仿真的方法，求取惯性环节和二阶系统的频率特性。四、实验原理1.系统（环节）的频率特性设G(S)为一最小相位系统（环节）的传递函数。如在它的输入端施加一幅值为Xm、频率为的正弦信号，则系统的稳态输出为由式①得出系统输出，输入信号的幅值比相位差(幅频特性)(相频特性)式

2、中和都是输入信号的函数。2.频率特性的测试方法2.1李萨茹图形法测试2.1.1幅频特性的测试由于改变输入信号的频率，即可测出相应的幅值比，并计算（dB）其测试框图如下所示：7图3-1幅频特性的测试图(李萨茹图形法)注：示波器同一时刻只输入一个通道，即系统（环节）的输入或输出。2.1.2相频特性的测试图3-2幅频特性的测试图(李萨茹图形法)令系统（环节）的输入信号为：(3-1)则其输出为(3-2)对应的李萨茹图形如图3-2所示。若以t为参变量,则与所确定点的轨迹将在示波器的屏幕上形成一条封闭的曲线(通常为椭圆)，当t=0时，由式(3-2)得于是有(3-3)同理可得(3-4)其中为椭圆与Y轴

3、相交点间的长度；为椭圆与X轴相交点间的长度。式(3-3)、(3-4)适用于椭圆的长轴在一、三象限；当椭圆的长轴在二、四时相位的计算公式变为7或下表列出了超前与滞后时相位的计算公式和光点的转向。相角j超前滞后0°~90°90°~180°0°~90°90°~180°图形计算公式j=Sin-12Y0/(2Ym)=Sin-12X0/(2Xm)j=180°-Sin-12Y0/(2Ym)=180°-Sin-12X0/(2Xm)j=Sin-12Y0/(2Ym)=Sin-12X0/(2Xm)j=180°-Sin-12Y0/(2Ym)=180°-Sin-12X0/(2Xm)光点转向顺时针顺时针逆时针逆时针

4、2.2用虚拟示波器测试（利用上位机提供的虚拟示波器和信号发生器）图3-3用虚拟示波器测试系统(环节)的频率特性可直接用软件测试出系统(环节)的频率特性，其中Ui信号由虚拟示波器的信号发生器产生，并由采集卡DA1通道输出。测量频率特性时，被测环节或系统的输出信号接采集卡的AD1通道，而DA1通道的信号同时接到采集卡的AD2通道。3.惯性环节传递函数和电路图为图3-4惯性环节的电路图其幅频特性为图3-5惯性环节的幅频特性7若图5-4中取C=1uF，R1=100K，R2=100K，R0=200K则系统的转折频率为=1.66Hz4.二阶系统典型的二阶系统结构方框图和模拟电路图如3-6、3-7所示

5、。图3-6二阶系统的方框图图3-7二阶系统的模拟电路图其闭环传递函数为：可得，其中R=100K，Rx可调。这里可取10K、100K两个典型值。当Rx=10K时的幅频特性为图3-8典型二阶系统的幅频特性5.无源滞后—超前校正网络其模拟电路图为图3-9无源滞后—超前校正网络7其中R1=100K，R2=100K，C1=0.1uF，C2=1uF其传递函数为其中，。其幅频特性为图3-10无源滞后—超前校正网络的幅频特性五、实验步骤虚拟试验台如下图3-11所示：1.惯性环节根据图3-4惯性环节的电路图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如图3-12所示。图3-12惯性环节的电路图系

6、统输入为一正弦信号(由上位机软件的信号发生器产生，其参数设置为：起始频率ω：0.2Hz、终止频率5hz、步长：0.2Hz)，可在虚拟试验台上依次为ω赋值；为惯性环节中的7参数赋值，点击“运行仿真”，记录不同频率ω下仿真软件计算得到的频率响应，在坐标纸上绘制幅频特性曲线和相频特性曲线。2.二阶系统根据图3-7所示二阶系统的电路图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如图3-13所示。图3-13典型二阶系统的电路图2.1当时系统输入一正弦信号(由上位机软件的信号发生器产生，其参数设置为：起始频率ω：0.2Hz、终止频率2Hz、步长：0.2Hz)，可在虚拟试验台上依次为ω赋值；

7、为二阶系统中的参数赋值，点击“运行仿真”，记录不同频率ω下仿真软件计算得到的频率响应，在坐标纸上绘制幅频特性曲线和相频特性曲线。2.2当时系统输入一正弦信号(由上位机软件的信号发生器产生，其参数设置为：起始频率ω：0.2Hz、终止频率5Hz、步长：0.2Hz)，可在虚拟试验台上依次为ω赋值；为二阶系统中的参数赋值，点击“运行仿真”，记录不同频率ω下仿真软件计算得到的频率响应，在坐标纸上绘制幅频特性曲线和相频特性曲线。3.无源滞后—超