论文题目:控制系统的校正研究——频率响应法
专业: 电子信息工程专业
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摘要
摘要：近年来，自动控制系统在如今的工业和生活中，起着越来越重要的作用。所以，据用户要求的性能指标进行自动控制系统的串联校正设计有很重要的现实意义。对于给定的线性定常系统，通常通过加入串联超前、滞后或超前滞后综合校正装置，以达到提高系统的精度和稳定性的目的。该文分别给出基于频率特性法串联校正的具体设计方法，应用MATLAB对系统进行通用程序设计，并对实例进行仿真。仿真实例结果表明了此设计方法的有效性和实用性。
【关键词】：自动控制系统；频率响应法；MATLAB；伯德图
【论文类型】：理论研究型
Title:Correction of control system——Frequency response method Major: Electronic & Information Engineering
Name:Signature: Supervisor：Signature:
In recent years, automatic control systems play an increasingly important role in today's industrial and domestic.Therefore, the performance according to user requirements for the automatic control system series correcting design has a very important practical significance. For a given linear time-invariant systems, usually by joining the series ahead of lag or lead and lag correction device, in order to achieve the purpose to improve the accuracy and stability of the system. This paper gives specific design series based on the frequency characteristics correction, MATLAB system for generic programming, and simulation instance. The simulation results show the effectiveness and practicality of this design method.
【key word】：Automatic control system;Frequency response method，MATLAB;Bode diagram
【Type of Thesis】：Theory research
1 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
自动控制系统广泛的存在于我们的生活中和工业中，比如存在于我们身边的冰箱的温控系统，电视的频道调节系统等等。从这些例子我们可以得出所谓自动控制系统是不需要人的直接参与，利用控制器使被控对象的某些物理量或称被控量按照指定的规律变化的系统。自动控制系统特别是在工业，军事，交通，能源等领域中大量存在。被控量也有温度，压力，电流，电量，功率等。
自动控制系统需要的性能非常重要，这就离不开控制系统的校正，校正是通过引入附加装置使控制系统的性能得到改善的方法。按校正装置在控制系统中的连接方式，校正方式可分为串联校正和并联校正。而在控制系统的串联校正中，控制系统的频率响应是反映的是系统对正弦输入信号的响应性能。频率分析法是一种图解分析法，在本文中我们主要采用bode图对系统进行校正研究。
1.2 国内外研究状况及成果
自动控制方法发展至今已形成了一门非常成熟的理论和技术。自动控制技术的广泛应用，不仅使生产设备或生产过程实现了自动化，极大地提高了生产效率和产品质量，改善了劳动条件，减少了劳动强度，而且在人类征服大自然、探索新能源、发展空间技术、节能减排、防灾防减和改善人名生活等方面都发挥了重要作用。
在本文中我将采用超前校正，滞后校正和超前-滞后校正的方法对不同的系统进行校正，在本文的第一部分主要对频率响应法的特性，原理和特点进行了介绍，第二部分主要对控制系统的模型和性能指标进行了介绍，第三部分举实例说明理论。
1.3 论文主要研究内容及构成
此次课程设计就是利用MATLAB对一单位反馈系统进行超前校正，滞后校正，滞后-超前校正。通过运用MATLAB的相关功能，绘制系统校正前后的伯德图和阶跃响应曲线，并计算校正后系统的时域性能指标。
2 自动控制系统简介
2.1 自动控制系统
自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制装置），使机器、设备或生产过程（控制对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行。
输出
图2-1 基本控制系统的结构 2.2 控制系统的数学模型
分析和设计任何一个控制系统，首要任务是建立系统的数学模型。描述系统的输入、输出变量以及系统内部各个变量之间关系的数学表达式称为系统的数学模型。描写各变量动态关系的表达式称为动态数学模型，常用的动态数学模型为微分方程，传递函数，动态结构图等。由于本文设计自动控制系统校正只应用传递函数所以，着重介绍传递函数。
2.2.1 传递函数
在零状态下线性非时变系统中指定输出信号与输入信号的拉普拉斯变换之比即为传递函数，线性定常系统的传递函数一般为：
11101110
()()()m m m m n n n b s b s b s b Y s G s n m U s s a s a s a ----++++==≥++++， （2-1） 传递函数的分子多项式和分母多项式经因式分解后可写为如下形式：
G(s)=)()())...()(())...()((11*210210i n j i m
i n m p s z s K p s p s p s a z s z s z s b -∏-∏=-------= （2-2）
其中，(i ＝1，2，…，n)是分子多项式的零点，称为传递函数的零点；j p (j=1,2，…，n)是分母多项式的零点，称为传递函数的极点。传递函数的零点和极点可以是实数，也可是复数；系数*K =00a b 称为传递系数
2.2.2 传递函数的基本性质
根据传递函数的概念和一般线性定常系统的传递函数表达式（2-1），可总结出传递函数具有如下性质：
1）传递函数只与系统的结构和参数有关，而与系统的输入信号的形式和大小无关。它描述的使系统的内在特性，即瞬态特性和稳态特性。
2）传递函数只是系统的输入输出描述，它并不提供系统内部的街头信息。
3）传递函数只是用与线性定常系统，这是因为他是由拉普拉斯变换而定义的，而拉普拉斯变换是一种线性变换。
4）传递函数是复变量的有理分式。
2.3 自动控制系统的校正。
所谓校正就是在系统不可变部分的基础上，加入适当的校正元部件，使系统满足给定的性能指标。校正方案主要有串联校正、并联校正、反馈校正和前馈校正。确定校正装置的结构和参数的方法主要有两类：分析法和综合法。分析法是针对被校正系统的性能和给定的性能指标，首先选择合适的校正环节的结构，然后用校正方法确定校正环节的参数。在用分析法进行串联校正时，校正环节的结构通常采用超前校正、滞后校正和滞后-超前校正这三种类型。
2.4 自动控制系统的性能指标 在采用频率响应法进行设计时,常选择频率域的性能如相角裕量、增益裕量、带宽等作为设计指标。如果给定性能指标为时间域的形式，则应先化成等价的频率域形式。通常，设计是在波德图上进行的。在波德图上，先画出满足性能指标的期望对数幅值特性曲线，它由三个部分组成：低频段用以表征闭环系统应具有的稳态精度；中频段表征闭环系统的相对稳定性如相角裕量和增益裕量等，它是期望对数幅值特性中的主要部分；高频段表征系统的复杂性。然后，在同一波德图上，再画出系统不可变动部分的对数幅值特性曲线，它是根据其传递函数来作出的。所需串联校正装置的特性曲线即可由这两条特性曲线之差求出，在经过适当的简化后可定出校正装置的类型和参数值。
（1）频域性能指标
穿越频率：系统开环相频特性为-0180时的频率称为穿越频率，记为g ω。 增益裕量：系统在相角穿越频率g ω处的幅值的倒数定义为增益裕量，记为h ，即
)(1g jw G h = （2-3）
如果用分贝表示增益裕量，则有
)(lg 20lg 20lg 20)(1
g jw G jw G h GM g -=== （2-4）
增益裕量的物理意义在于：对闭环稳定系统，如果系统的开环增益增大h 倍，则系统处于临界稳定状态；如果系统的开环增益增大h 倍以上，系统将变成不稳定。对于稳定的最小相位系统而言，增益裕量指出了系统在变成不稳定之前，增益能够增大到多少。对于不稳定系统而言，增益裕量指出了使系统稳定增益应当减少多少。
剪切频率：系统开环频率特性的幅值为1时，对应的频率称为剪切频率，记为c ω。
相位裕量：幅值穿越频率的相角与0180之和定义为相位裕量。记为PM ?，即 )(1800c PM w ??+= （2-5）
相位裕量的物理意义在于：对于闭环稳定系统，如果开环系统频率特性的相角再滞后PM ?角度。则系统处于临界状态。若开环系统频率特性的相角滞后大于PM ?角度，系统将变成不稳定。
各个频域性能指标如下图所示
图2-2 频域性能指标具体位置
（2）时域性能指标
延迟时间d t ：它是系统阶跃响应第一次达到终值)(∞y 的50%所需的时间。
上升时间r t ：对无振
荡的系统，它被定义为阶跃响应从终值的10%上升到终值90%所需的时间。对有振荡的系统，它被定义为从零到第一次达到终值所需的时间。
峰值时间p t ：它定义为阶跃响应越过稳态值)(∞y 达到第一个峰值所需的时间。
调节时间s t ：它是阶跃响应达到并保持在终值)(∞y 的正负5%误差带内所需的最短时间。
超调量%σ：他是峰值)(p t y 超出终值)(∞y 的百分比，即
%100%())()(?=∞∞-y y t y p σ
（2-6）
3 频率响应法的原理及其特点
3.1 频率响应的基本概念
频率响应法的基本思想是把控制系统中的各个变量看成是一些信号，而这些信号又是由许多不同频率的正弦信号合成的，各个变量的运动就是系统对各个频率的信号的响应总和。
这种方法克服了直接用微分方程研究控制系统带来的种种困难，从而形成了在频域中分析和综合控制系统的整套方法，即频率响应法。
系统的频率响应由幅频特性和相频特性组成。幅频特性表示增益的增减同信号频率的关系；相频特性表示不同信号频率下的相位畸变关系。根据频率响应可以比较直观地评价系统复现信号的能力和过滤噪声的特性。在控制理论中，根据频率响应可以比较方便地分析系统的稳定性和其他运动特性。频率响应的概念在系统设计中也很重要。引入适当形式的校正装置，可以调整频率响应的特性，使系统的性能得到改善。建立在频率响应基础上的分析和设计方法。
3.2 频率响应的一般表达式
线性定常系统在正弦信号作用下，系统的稳态输出是于输入同频率的正弦信号，且幅值和相位的变化是频率ω的函数，并且与系统的数学模型有关。。为此，将系统的频率特性)(jw G 定义为：当系统输入正弦信号时，系统的稳态输出信号与输入信号之比。其中稳态输出与输入的幅值之比称为系统的幅频特性，记为)(w A ，即
)(w A =)(jw G （3-1） 稳态输入与输入的相位差称为系统的相频特性，记为)(w ?，即
)(w ?=)(jw G ∠ （3-2）
3.3 基于频率响应的几何表示方法-伯德图
伯德图又称对数坐标图或对数频率特性图，包括对数幅频特性曲线和对数相频特性曲线，是频域中广泛使用的一组曲线。
波特图由频率响应)(jw G 的对数幅值特性图和相角特性图组成（图1）。在对
采用线性分度。在相角特性图中，频率轴也采用对数分度；角度轴是线性分度，
单位为度。波特图的优点是可将幅值相乘转化为对数幅值相加，而且在只需要频率响应的粗略信息时常可归结为绘制由直线段组成的渐近特性线，作图非常简便。如果需要精确曲线，则可在渐近线的基础上进行修正，绘制也比较简单。
图3-1 伯德图
伯德图（图1）有如下有点：
（1）方便计算和绘图，特别是对于频域中各个参数的计算，同时还可以用对数幅频特性的渐近线近似表示曲线，绘图方法简便，便于工程应用。
（2）便于扩展宽图示的频率范围。这对系统分析和设计是很有利的。
4 自动控制系统的校正
4.1 超前校正设计
超前校正设计是指利用校正器对数幅频曲线有正斜率（即幅频曲线的渐近线与横坐标夹角的正切值大于零）的区段及其相频曲线具有正相移（即相频曲线的相角值大于零）区段的系统校正设计。基于伯德图的超前校正，其基本原理是：利用超前校正网络的相位超前特性。让其最大的相位超前叫m ?出现在系统新的幅值穿越频率处，从而增大系统的相位裕量，达到改善系统瞬态响应的目的。
4.1.1 超前校正的一般步骤
具体设计步骤如下：
（1）求开环增益K 值
（2）根据K 值，绘制满足稳态误差要求的开环系统伯德图，求出未校正系统的相位裕量p ?
（3）增加一些安全裕量，确定需要附加的超前相位角m ?
（4）由m
m ??sin 1sin 1+-=?求得α （5）计算超前校正网络m ω处的幅值，据此在未校正的伯德图上找出幅值为-10lg α对应的m ω，这就是穿越频率c ω
（6）由??==T T T m 111))((ω（4-1-1）计算超前校正网络的零极点参数：p=m ω?，
z=p/α（4-2-2）
（7）为了保证系统的稳态性能，应插入一个增益为α的放大器，或将系统放大器增益调大到原来的α倍。
（8）绘制校正后系统的伯德图，校验相位裕量是否满足要求。若不满足，则重复步骤3以后的步骤。
例 已知单位负反馈系统被控对象的传递函数为：
)1001.0)(11.0(100)(++=s s s K s G
试用Bode 图设计方法对系统进行超前串联校正设计，使之满足：
1在斜坡信号r(t)=vt 作用下，系统的稳态误差0001.0v e ss ≤；
2系统校正后，相角稳定裕度γ有：005040<<γ
解
（1）求0K
由题可知本题系统为I 型系统。系统的稳态误差为：
0001.00000v e K v K v K v ss v ≤=== （4-1-3）
被控对象的传递函数为：
)1001.0)(11.0(1
01000)(++=s s s s G
（2）作原系统的Bode 图与阶跃响应曲线，检查是否满足题目要求。 程序：>> k0=1000;n1=1;
>> d1=conv(conv([1 0],[0.1 1]),[0.001 1]);
>> s1=tf(k0*n1,d1);figure(1);margin(s1);hold on
图4-1 校正前的阶跃图
图4-2 校正前的伯德图
由图4-1，图4-2可知系统的：
模稳定裕度：0.0864dB —π穿越频率100rad/s 相稳定裕度γ=00584.0 剪切频率99.5rad/s
由计算数据可知模稳定裕度和相稳定裕度几乎为0，这样的系统根本不坑能工作，起阶跃响应曲线剧烈震荡，同样不能工作。
（3）求超前校正器的传递函数
根据要求相稳定裕度γ要取050
设超前校正器的传递函数为
11
)(+?+=Ts Ts s s G
根据超前校正的原理，可知Kv=Ko ≥10001-s 用以下程序求超前校正器的传递函数。
clear
k0=1000;
n1=1;d1=conv(conv([1 0],[0.1 1]),[0.001 1]);
sope=tf(k0*n1,d1);[mag,phase,w]=bode(sope);
gama=50;[mu,pu]=bode(sope,w);gama1=gama+5;
gam=gama*pi/180;
alfa=(1-sin(gam))/(1+sin(gam));
adb=20*log10(mu);
am=10*log10(alfa);
ca=adb+am;
wc=spline(adb,w,am);
T=1/(wc*sqrt(alfa));
alfat=alfa*T;
Gc=tf([T 1],[alfat 1])
运行后结果为：
Transfer function:
0.0167 s + 1
--------------
0.002213 s + 1
运行后得到校正器传递函数
==+?+11
Ts T s s G 1002213.01
0167.0++s s
(4)校验系统校正后是否满足题目要求
根据校正后系统的结构与参数，给出以下MATLAB 程序：
k0=1000;
n1=1;d1=conv(conv([1 0],[0.1 1]),[0.001 1]);
s1=tf(k0*n1,d1);
n2=[0.0167 1];d2=[0.002213 1];s2=tf(n2,d2);
sope=s1*s2;margin(sope)
。
图4-3 校正后系统的伯德图
由图4-3可知：
幅值稳定裕度17.6db π-穿越频率699rad/s
相角稳定裕度02.48 剪切频率177rad/s
由程序算出的相角稳定裕度02.48 ，已经满足005040<<γ的要求。幅值稳定裕度0.0864dB 提高到17.6dB ，非常好。
(5)计算系统校正后阶跃给定响应曲线及其性能指标
clear
k0=1000;
n1=1;d1=conv(conv([1 0],[0.1 1]),[0.001 1]);
s1=tf(k0*n1,d1);n2=[0.0167 1];d2=[0.002213 1];
s2=tf(n2,d2);sope=s1*s2;
sys=feedback(sope,1);
step(sys);[y,t]=step(sys);
[sigma,tp,ts]=perf(1,y,t);
[mp,tp,b1,b2,n,pusi,T,f]=targ(y,t);
图4-4 校正后的阶跃响应图
运行后由图4-4和计算结果可得校正后系统的阶跃响应品质指标：
超调量25.7707%；峰值时间0.0158s ；调节时间（5%）：0.0316s ；过程控制的余差：1.11022-016；过程控制单位速度响应余差：-0.0036；过程控制第一波峰值：0.2593；过程控制第二波峰值0.2593；过程控制衰减比：n=1;过程控制的衰减率为0；过程控制的振荡频率：;Inf f =；过程控制的衰减振荡周期：T=0s.
滞后校正。
4.2 频率响应法的滞后校正
滞后校正就是在前向通道中串联传递函数为)(s G c 的校正装置来校正控制系统，)(s G c 的表达式如下所示。
1,11)(<++=a Ts aTs s G c （4-2-1）
其中，参数a 、T 可调。滞后校正的高频段是负增益，因此，滞后校正对系统中高频噪声有削弱作用，增强了抗干扰能力。可以利用滞后校正的这一低通滤波所造成的高频衰减特性，降低系统的截止频率，提高系统的相位裕度，以改善系统
的暂态性能。
滞后校正的基本原理是利用滞后网络的高频幅值衰减特性使系统截止频率下降，从而使系统获得足够的相位裕度。或者，是利用滞后网络的低通滤波特性，使低频信号有较高的增益，从而提高了系统的稳态精度。
可以说，滞后校正在保持暂态性能不变的基础上，提高开环增益。也可以等价地说滞后校正可以补偿因开环增益提高而发生的暂态性能的变化。
4.2.1滞后校正设计的一般步骤与方法
（1）按稳态性能指标要求的开环放大系数绘制未校正系统的伯德图。
如果未校正系统需要补偿的相角较大，或者在截止频率附近相角变化大，具有这样特性的系统一般可以考虑用滞后校正。
（2）在未校正系统的伯德图上找出相角为）
（εγ--?180-的频率作为校正后系统的截止频率'c w ，其中γ为要求的相位裕度，ε为补偿滞后校正在'c w 产生的相位滞后，一般取??10~5。
ε的选取：ε是为了补偿滞后校正的相位滞后的，一般限制滞后校正的滞后相角小于?10，所以可以取小于?10的值。ε应取一个尽量小，但又能补偿滞后校正在'c w 处的滞后相角的值。一般，若'c w 较大，ε可取小一些。反之，若'c w 小，则ε取大一些。
（3）在未校正系统的伯德图上量取量取）
（'0c w L （或由|)(|lg 20'0c jw G 求取）的分贝值，并令a
jw G c 1lg 20|)(|lg 20'0=，由此确定参数a(a<1)。 这一步的意思是，在'c w w =处，设计滞后校正的幅值与原系统的幅值反向相等才能相互抵消，使校正后系统的截止频率为'c w 。
（4）取')10
1~51(1c w aT =，并由a 求参数T 。 选aT 1的原则是使)(c c w ?不超过（2）中所选的ε值，即
ε?≤-=T T 'c 'c 'c c arctanaw arctanw |)(w |（4-2-1）。校正时只需要近似值，aT
1可近似由下式选取。
εεtan )90cot(1''c c w w aT =-?= （4-2-2）
（5）绘制校正后系统的伯德图，校验各项性能指标，若不满足，可重新选
择'c w 或aT
1的值。
例：单位反馈系统的开环传递函数是：
)
2.01)(1.01()(s s s K s G ++= 要求系统的静态速度误差系数1100-=S K v ，利用误差系数法确定系统的开环增益K ，计算如下。
()()()
1001s 2.010.1s K
lim lim 1000s 0
s 1
==++===→→-K s H s sG S K V ）（ （4-2-3） 因而校正前系统的开环传递函数为()()()
s s s S G 2.011.01100++=。 2.1.2确定校正前单位反馈系统的幅值裕度和相位裕度
先求校正前系统的幅值裕度。
w tg w tg w 2.01.09011----?-=）（? （4-2-4） 1
04.0101.0100)(22++=w w w w A （4-2-5） 令?-=180）
（w ?可以确定幅值裕度对应的相位截止频率g w 。利用三角函数可以求出相位截止频率g w 。 ?=-=+---9002.013.02.01.02
111w w tg w tg w tg （4-2-6） 002.012=-g w
因而解得g w =7.07rad/s 。
67.6104.0101.0100
)(22
=++=g g g g w w w w A
利用)(g w A 可以方便地求出幅值裕度g K 或者h 。
15.067
.61)(1===g g w A K dB K h g 5.16lg 20-==
求校正前系统的相位裕度。
先求增益穿越频率c w 。在增益穿越频率c w 处，系统的开环频率特性的幅值为1。
1101.02.0100104.0101.0100
)(2
2
22
=+≈++=c c c c c c w w w w w w A
由上式求得s rad w c /7.16≈。利用增益穿越频率c w 可以计算）（c w ?。
?-=--?-=--4.2222.01.09011c c c w tg w tg w ）（?
由）（c w ?的值可以确定相角裕度γ。
?-=?-?=+?=4.424.222180180）
（c w ?γ （4-2-7）
4.2.2用MATLAB 作出系统校正前的伯德图，并计算系统校正前的幅值裕度和相位裕度。
绘制校正前系统的伯德图的MATLAB 程序，并由MATLAB 计算系统校正前的幅值裕度和相位裕度，程序如下。
num=100
den=[0.02,0.3,1,0]
g1=tf(num,den)
[mag,phase,w]=bode(g1)；%绘制g1的幅频特性和相频特性曲线
margin(g1)
MATLAB 得出的结果如下。
num =
100
den =
0.0200 0.3000 1.0000 0
Transfer function:
100
----------------------
0.02 s^3 + 0.3 s^2 + s
由MATLAB绘制出的系统校正前的伯德图如图所示。
图4-5 校正前系统的伯德图
γ都小于零，系统不稳定，由图可以看出幅值域度h=-16.5dB和相角裕度?
-
40
=4.
需要串联一个滞后校正环节进行校正，使系统趋于稳定。
4.2.3确定滞后校正网络的传递函数.
在系统前向通路中插入一相位滞后校正，确定校正网络的传递函数的步骤如下。
（1）K=100时，系统满足稳态性能要求。由K=100时未校正系统的伯德图可
实验二二阶系统的阶跃响应及频率特性 实验简介：通过本实验学生能够学习二阶系统的频率响应和幅频特性的测试方法，对实验装置和仪器的调试操作，具备对实验数据、结果的 处理及其与理论计算分析比较的能力。 适用课程：控制工程基础 实验目的：A 学习运算放大器在控制工程中的应用及传递函数的求取。 B 学习二阶系统阶跃响应曲线的实验测试方法。 C 研究二阶系统的两个重要参数ζ、ω n 对阶跃瞬态响应 指标的影响。 D 学习频率特性的实验测试方法。 E 掌握根据频率响应实验结果绘制Bode图的方法。 F 根据实验结果所绘制的Bode图，分析二阶系统的主要 动态特性（M P ，t s ）。 面向专业：机械类 实验性质：综合性/必做 知 识 点：A《模拟电子技术》课程中运算放大器的相关知识； B《数字电子技术》课程中采样及采样定理的相关知识； C《机械工程控制基础》课程中，传递函数，时域响应， 频率响应三章的内容。 学 时 数：2 设备仪器：XMN-2自动控制原理学习机，CAE-98型微机接口卡，计算机辅助实验系统2.0软件，万用表。 材料消耗：运算放大器，电阻，电容，插接线。 要 求：实验前认真预习实验指导书的实验内容，完成下述项目， 做实验时交于指导教师检查并与实验报告一起记入实验成绩。 B推导图2所示积分放大器的输出输入时域关系和传递函数。
C 推导图3所示加法和积分放大器的输出输入时域关系（两输入单输出） 和S <1>.写出op1,op2,op9,0p6对应的微分方程组（4个方程）。 <2>.画出系统方框图。 <3>.用方框图化简或方程组联立消元的方法求取实验电路所示系统的 传递函数，写出求解过程。 和ζ。 <4>.求取该系统的ω n 实验地点：教一楼327室 实验照片：实验装置及仪器
各种谱计算，频响函数，传递率 阅读：22802006-05-25 22:01 A．信号与谱的分类 由于时域信号有不同的分类, 变换后对应的频域也有不同的谱 信号可分为模拟(连续)信号和数字(离散)信号, 连续信号变换后称为谱密度, 离散信号变换 后称为谱. 连续信号又可分为绝对可积,平方可积(能量有限),均方可积(功率有限) 绝对可积信号有傅里叶谱(线性谱)和傅里叶谱密度(线性谱密度),如时域信号单位为电压V, 则前者单位为V,后者单位为V/Hz. 均方可积信号有功率谱PS(单位为V2)和功率谱密度PSD(单位为V2/ Hz.). 平方可积信号有能量谱密度ESD(单位为V2 s / Hz.). 注1 平方量称为功率,平方量乘秒称为能量,谱分量除以频率称为谱密度. 注2 功率谱密度另一定义(离散信号的功率谱密度)见下述, 连续信号的功率谱密度. 为连续(光滑)曲线, 离散信号的功率谱密度为不连续的阶梯形.. 注3 随机信号求功率谱密度时为减少方差,可采用平均,重叠和加窗处理(Welch法). 数字信号又可分为绝对可和,平方可和,均方可和. B.各种谱计算 1. 线性谱Linear Spectrum: 对时域离散信号作DFT(离散傅里叶变换)得到, 采用方法为FFT(快速傅里叶变换)法.X(f)=FFT(x(t)) 2. 自功率谱APS=Auto Power Spectrum: 离散信号的线性谱乘其共轭线性谱 APS(f)=X(f)*conj(X(f)), conj=conjugate共轭(实部不变,虚部变符号). 3. 互功率谱CPS=Cross Power Spectrum::x(t)的线性谱乘y(t)的共轭线性谱 互功率谱是复数,可表示为幅值和相位或实部和虚部等. CPS(f)=X(f) *conj(Y(f)) Y(f)=FFT(y(t)) 4. (自)功率谱密度PSD(=Power Spectrum Density): PSD(f)=APS(f)/Δf Δf—频率分辨率(Hz), 自功率谱密度与自相关函数成傅立叶对应关系 故功率谱密度也称为规一化的功率谱. 5. 互功率谱密度CSD=CPS(f)/Δf A.频响函数FRF, 传递率 A1.频响函数.FRF为响应的傅里叶变换与力的傅里叶变换之比或力和响应的互谱与力的自谱之比后者可通过平均减少噪声,故较常用. H(f)=X(f ) / F(f)=X(f)*conj(F(f)) / F(f)*conj(F(f))=CPS / APS. A2. 频响函数有三种表达形式 频响函数表达成分子多项式与分母多项式(特征多项式)之比,也称有理分式. (两多项式求根后) 频响函数表达成极点,零点和增益ZPK形式. 频响函数表达成部分分式,也称极点留数形式,( 部分分式的分子项称为留数.), 例如:最常见的单自由度(位移)频响函数H(ω)=X(ω)/F(ω)
论文题目:控制系统的校正研究——频率响应法 专业: 电子信息工程专业 姓名：签名：________ 指导老师：签名: ________ 摘要 摘要：近年来，自动控制系统在如今的工业和生活中，起着越来越重要的作用。所以，据用户要求的性能指标进行自动控制系统的串联校正设计有很重要的现实意义。对于给定的线性定常系统，通常通过加入串联超前、滞后或超前滞后综合校正装置，以达到提高系统的精度和稳定性的目的。该文分别给出基于频率特性法串联校正的具体设计方法，应用MATLAB对系统进行通用程序设计，并对实例进行仿真。仿真实例结果表明了此设计方法的有效性和实用性。 【关键词】：自动控制系统；频率响应法；MATLAB；伯德图 【论文类型】：理论研究型
Title:Correction of control system——Frequency response method Major: Electronic & Information Engineering Name:Signature: Supervisor：Signature: In recent years, automatic control systems play an increasingly important role in today's industrial and domestic.Therefore, the performance according to user requirements for the automatic control system series correcting design has a very important practical significance. For a given linear time-invariant systems, usually by joining the series ahead of lag or lead and lag correction device, in order to achieve the purpose to improve the accuracy and stability of the system. This paper gives specific design series based on the frequency characteristics correction, MATLAB system for generic programming, and simulation instance. The simulation results show the effectiveness and practicality of this design method. 【key word】：Automatic control system;Frequency response method，MATLAB;Bode diagram 【Type of Thesis】：Theory research
A frequency response function-based structural damage identi?cation method Usik Lee *,Jinho Shin Department of Mechanical Engineering,Inha University,253Yonghyun-Dong,Nam-Ku,Incheon 402-751,South Korea Received 9March 2001;accepted 9October 2001 Abstract This paper introduces an frequency response function (FRF)-based structural damage identi?cation method (SDIM)for beam structures.The damages within a beam structure are characterized by introducing a damage distribution function.It is shown that damages may induce the coupling between vibration modes.The e?ects of the damage-induced coupling of vibration modes and the higher vibration modes omitted in the analysis on the accuracy of the predicted vibration characteristics of damaged beams are numerically investigated.In the present SDIM,two feasible strategies are introduced to setup a well-posed damage identi?cation problem.The ?rst strategy is to obtain as many equations as possible from measured FRFs by varying excitation frequency as well as response measurement point.The second strategy is to reduce the domain of problem,which can be realized by the use of reduced-domain method in-troduced in this study.The feasibility of the present SDIM is veri?ed through some numerically simulated damage identi?cation tests.ó2002Elsevier Science Ltd.All rights reserved. Keywords:Structural damage;Damage identi?cation;Beams;Frequency response function;Damage-induced modal coupling;Reduced-domain method 1.Introduction Existence of structural damages within a structure leads to the changes in dynamic characteristics of the structure such as the vibration responses,natural fre-quencies,mode shapes,and the modal dampings.Therefore,the changes in dynamic characteristics of a structure can be used in turn to detect,locate and quantify the structural damages generated within the structure.In the literature,there have been appeared a variety of structural damage identi?cation methods (SDIM),and the extensive reviews on the subject can be found in Refs.[1–3]. The ?nite element model (FEM)update techniques have been proposed in the literature [4–9].As a draw- back of FEM-update techniques,the requirement of reducing FEM degrees of freedom or extending the measured modal parameters may result in the loss of physical interpretability and the errors due to the sti?-ness di?usion that smears the damage-induced localized changes in sti?ness matrix into the entire sti?ness matrix.Thus,various experimental-data-based SDIM have been proposed in the literature as the alternatives to the FEM-update techniques. The experimental-data-based SDIM depends on the type of data used to detect,locate,and/or quantify structural damages.They include the changes in modal data [10–18],the strain energy [19,20],the transfer function parameters [21],the ?exibility matrix [22,23],the residual forces [24,25],the wave characteristics [26],the mechanical impedances [27,28],and the frequency response functions (FRFs)[29–31].Most of existing modal-data-based SDIM have been derived from FEM model-based eigenvalue problems. As discussed by Banks et al.[32],the modal-data-based SDIM have some shortcomings.First,the modal * Corresponding author.Tel.:+82-32-860-7318;fax:+82-32-866-1434. E-mail address:ulee@inha.ac.kr (U.Lee). 0045-7949/02/$-see front matter ó2002Elsevier Science Ltd.All rights reserved.PII:S 0045-7949(01)00170-5
广西大学实验报告纸 姓名： 指导老师：胡老师 成绩： 学院：电气工程学院 专业：自动化 班级：121 实验内容：零、极点对限性控制系统的影响 2014年 11月 16 日 【实验时间】2014年11月14日 【实验地点】宿舍 【实验目的】 1. 掌握测量典型一阶系统和二阶系统的频率特性曲线的方法； 2. 掌握软件仿真求取一、二阶系统的开环频率特性的方法； 3. 学会用Nyquist 判据判定系统的稳定性。 【实验设备与软件】 1. labACT 实验台与虚拟示波器 2. MATLAB 软件 【实验原理】 1.系统的频率特性测试方法 对于现行定常系统，当输入端加入一个正弦信号)sin()(t X t X m ωω=时，其稳态输出是一个与输入信号频率相同，但幅值和相位都不同的正弦信号 )sin()()sin()(ψωωψω+=+=t j G X t Y s Y m m 。 幅频特性：m m X Y j G /)(=ω，即输入与输出信号的幅度比值，通常转换成)(lg 20ωj G 形式。 相频特性：)(arg )(ωω?j G =，可以直接基于虚拟示波器读取，也可以用“李沙育图行”法得到。 可以将用Bode 图或Nyquist 图表示幅频特性和相频特。 在labACT 试验台采用的测试结构图如下：
被测定稳定系统对于实验就是有源放大电路模拟的一、二阶稳定系统。 2.系统的频率测试硬件原理 1）正弦信号源的产生方法 频率特性测试时，一系列不同频率输入正弦信号可以通过下图示的原理产生。按照某种频率不断变化的数字信号输入到DAC0832，转换成模拟信号，经一级运放将其转换为模拟电压信号，再经过一个运放就可以实现双极性电压输出。 根据数模转换原理，知 R V N V 8 012- = (1) 再根据反相加法器运算方法，得 R R R V N V N V R R V R R V 1281282282201210--=??? ??+-?-=??? ? ??+-= (2) 由表达式可以看出输出时双极性的：当N 大于128时，输出为正；反之则为负；当输入为128时，输出为0. 在labACT 实验箱上使用的参考电压时5V 的，内部程序可以产生频率范围是对一阶系统是0.5 H Z ~64H Z 、对二阶系统是0.5 H Z ~16 H Z 的信号，并由B2单元的OUT2输出。
什么是频率响应函数 动态信号分析仪的一个常见应用是测量机械系统的频率响应函数(FRF)。这也称为网络分析，系统的输入和输出同时测量。通过这些多通道测量，分析仪可以测量系统如何“改变”输入。一个常见的假设是，如果系统是线性的，那么这个“变化”被频率响应函数(FRF)充分描述。事实上，对于线性和稳定的系统，只要知道频率响应函数，就可以预测系统对任何输入的响应。 宽带随机、正弦、阶跃或瞬态信号在测试和测量应用中被广泛地用作激励信号。图1说明了一个激励信号x，可以应用于一个UUT(测试单元)，并生成一个或多个由y表示的响应，输入和输出之间的关系称为传递函数或频率响应函数，由H(y,x)表示。一般来说，传递函数是一个复杂的函数，描述系统如何将输入信号的大小和相位作为激励频率的函数。 在各种激励条件下，对UUT系统的特性进行了实验测量。这些特征包括:频率响应函数(FRF)，通过以下参量描述: 增益频率函数。相位频率函数。共振频率，阻尼因素，总谐波失真，非线性。 利用宽带随机激励的FFT、交叉功率谱法测量频率响应。宽带激励可以是高斯分布的真随机噪声信号，也可以是一个伪随机信号，其振幅分布可以由用户来
定义。宽带这一术语可能具有误导性，因为一个好的实现的随机激励信号应该是频带有限的，并由分析频率范围的上限控制。也就是说，激励不应该激发高于测量仪器所能测量的频率。随机发生器只产生频宽在分析频率范围内随机信号。这也将把激发能量集中在有用的频率范围，以提高测试动态范围。 宽带随机激励的优点是它能在短时间内激发宽频段，因此总测试时间较短。宽带激励的缺点是其频率能量在短时间内广泛传播。每个频率点激发的能量贡献远小于总信号能量(大概是-30到-50dB小于总数)。即使对于频率响应函数(FRF)估计有一个大的平均数字，宽带信号也不能有效地测量UUT的极端动态特性。 扫频正弦测量，优化了每个频率点的测量值。由于激励信号是一个正弦波，在某一时刻其所有的能量都集中在一个频率上，改进了宽带激励中的动态范围不足的缺点。此外，如果频率响应幅值大小下降，响应的跟踪滤波器可以帮助接收到非常小的正弦信号。只要优化每个频率的输入范围，就可以将测量的动态范围扩展到150分贝以上。 频率响应函数的应用 频率响应函数的应用很广，其中测试试件的固有频率是基础应用，可以有效的避免共振频率。试件由于材质、材料属性、形状的不同会影响自身刚度和质量。它的固有频率只受刚度分布和质量分布的影响，阻尼对固有频率的影响有限。质量增大固有频率必然降低，刚度增大固有频率必然增大。 理论上讲，试件有多阶固有频率。在二维频谱图中，并不是所有的峰值对应的都是固有频率，因为有可能是激励频率或是它的倍频。因此通常通过测量频响
实验三 二阶开环系统的频率特性曲线 一．实验要求 1．研究表征系统稳定程度的相位裕度γ和幅值穿越频率c ω对系统的影响。 2．了解和掌握欠阻尼二阶开环系统中的相位裕度γ和幅值穿越频率c ω的计算。 3．观察和分析欠阻尼二阶开环系统波德图中的相位裕度γ和幅值穿越频率ωc ，与计算值作比对。 二．实验内容及步骤 本实验用于观察和分析二阶开环系统的频率特性曲线。 由于Ⅰ型系统含有一个积分环节，它在开环时响应曲线是发散的，因此欲获得其开环频率特性时，还是需构建成闭环系统，测试其闭环频率特性，然后通过公式换算，获得其开环频率特性。 自然频率：T iT K = n ω 阻尼比：KT Ti 2 1= ξ （3-2-1） 谐振频率： 2 21ξωω-=n r 谐振峰值：2 121lg 20)(ξ ξω-=r L （3-2-2） 计算欠阻尼二阶闭环系统中的幅值穿越频率ωc 、相位裕度γ： 幅值穿越频率： 24241ξξωω-+? =n c （3-2-3） 相位裕度： 4 24122arctan )(180ξξξω?γ++-=+=c （3-2-4） γ值越小，Mp%越大，振荡越厉害；γ值越大，Mp%小，调节时间ts 越长，因此为使 二阶闭环系统不致于振荡太厉害及调节时间太长，一般希望： 30°≤γ≤70° （3-2-5） 本实验所构成的二阶系统符合式（3-2-5）要求。 被测系统模拟电路图的构成如图1所示。 图1 实验电路 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~16Hz ），OUT2输出施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开环对数幅值和相位，数据经相关运算后在虚拟示波器中显示。 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：安置短路套及测孔联线表同笫3.2.2 节《二阶闭环系统的频率特性曲线测试》。 （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-实验项目，选择二阶系统，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始，实验开始后，实验机将自动产生0.5Hz~16H 等多种频率信号，等待将近十分钟，测试结束后，观察闭环对数幅频、相频曲线和幅相曲线。 ② 待实验机把闭环频率特性测试结束后，再在示波器界面左上角的红色‘开环’或‘闭
一．实验目的 1．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。 2．二阶开环系统中的相位裕度和幅值穿越频率的计算。 二．实验内容及要求 1．一阶惯性环节的频率特性曲线测试。 2．二阶开环系统的频率特性测试，研究表征系统稳定程度的相位裕度和 幅值穿越频率对系统的影响。 三、实验主要仪器设备和材料 1．labACT自控/计控原理实验机一台 2．数字存储示波器一台 四、实验方法、步骤及结果测试 1．一阶惯性环节的频率特性曲线 惯性环节的频率特性测试模拟电路见图4-1。 图4-1 惯性环节的频率特性测试模拟电路 实验步骤：注：‘S ST'不能用“短路套”短接！ （1）将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入。 （2）按图4-1安置短路套及测孔联线。 （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，再选择开始实验，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 奎斯特图），同时在界面上方将显示点取的频率点的L、、Im、Re等相关数
据。如点击停止，将停止示波器运行，不能再测量数据。 ③分别改变惯性环节开环增益与时间常数，观察被测系统的开环对数幅频曲线、相频曲线及幅相曲线，在幅频曲线或相频曲线上点取相同的频率点，测量、记录数据于实验数据表中。 实验数据表1：改变惯性环节开环增益，（T=0.05，C=1u，R2=50K） 实验数据表2： 改变惯性环节时间常数， K=1（R1=50K、R2=50K） 2．二阶开环系统的频率特性曲线 二阶系统模拟电路图的构成如图4-2所示。
实验报告 实验课程：数字信号处理 实验内容：实验4 离散系统的频率响应分析和零、极点分布 院（系）：计算机学院 专业：通信工程 班级：111班 2013年6 月7日
一、实验目的：加深对离散系统的频率响应分析和零、极点分布的概念理解。 二、实验原理： 离散系统的时域方程为 ∑∑==-=-M k k N k k k n x p k n y d ) ()( 其变换域分析方法如下： 时频域变换 )()()(][][][][][ω ωωj j j m e H e X e Y m n h m x n h n x n y =?-= *=∑ ∞ -∞ = 系统的频率响应为 ω ωω ωω ωω jN N j jM M j j j j e d e d d e p e p p e D e p e H ----++++++==......)()()(1010 时域Z 域变换 ) ()()(][][][][][z H z X z Y m n h m x n h n x n y m =?-= *=∑∞ -∞ = 系统的转移函数为 N N M M z d z d d z p z p p z D z p z H ----++++++= =......)()()(110110 分解因式 ∏-∏-=∑∑= =-=-=-=-N i i M i i N i i k M i i k z z K z d z p z H 1111 0)1()1()(λξ 上式中的i ξ和i λ称为零、极点。 在MATLAB 中，可以用函数[z ，p ，K]=tf2zp （num ，den ）求得有理分式形式的系统转移函数的零、极点，用函数zplane （z ，p ）绘出零、极点分布图；也可以用函数zplane （num ，den ）直接绘出有理分式形式的系统转移函数的零、极点分布图。 另外，在MATLAB 中，可以用函数 [r ，p ，k]=residuez （num ，den ）完成部分分式展开计算；可以用函数sos=zp2sos （z ，p ，K ）完成将高阶系统分解为2阶系统的级联。
实验三 二阶系统频率响应 一、实验目的 （1）学习系统频率特性响应的实验测试方法。 （2）了解二阶闭环系统中的对数幅频特性和相频特性的计算。 （3）掌握根据频率响应实验结果绘制波特图的方法。 （4）掌握欠阻尼二阶闭环系统中的自然频率、阻尼比对谐振频率、谐振峰值和带宽的影响及对应的计算。 二、实验设备 （1）XMN-2型学习机； （2）CAE-USE 辅助实验系统 （3）万用表 （4）计算机 三、实验内容 本实验用于观察和分析二阶系统瞬态响应的稳定性。 二阶闭环系统模拟电路如图3-1所示，它由两个积分环节（OP1和OP2）及其反馈回路构成。 图3-1 二阶闭环系统模拟电路图 OP1和OP2为两个积分环节，传递函数为s T s G i 1 )(-=（时间常数RC T i =）。二阶闭环系统等效结构图如图3-2所示。 图3-2 二阶闭环系统等效结构图 该二阶系统的自然振荡角频率为RC T n 11==ω，阻尼为i f R R K 22= =ζ。 四、实验步骤 （1）调整Rf=40K ，使K=0.4（即ζ=0.2）；取R=1M ，C=1μ，使T=1秒（ωn=1/1）。 （2）输入信号位)sin(t X ω=，改变角频率使ω分别为 0.2,0.6,0.8,0.9,1.0,1.2,1.6,2.0,3.0rad/s 。稳态时，记录下输出响应)sin(φω+=t Y y 五、数据采集及处理 输出信号幅值Y 输出信号初相φ L(ω) φ(ω) ω(rad/s) T 0.2 0.6 0.8 0.9 1.0 1.2
1.6 2.0 3.0 六、实验报告 1、绘制系统结构图，并求出系统传递函数，写出其频率特性表达式。 2、用坐标纸画出二阶闭环系统的对数幅频、相频曲线（波特图）。 3、其波特图上分别标示出谐振峰值（Mr）、谐振频率（ωr）和带宽频率（ωb）。 4、观察和分析曲线中的谐振频率（ωr）、谐振峰值（Mr）和带宽（ωb），并与理论计算值作对比。
第三章 系统频率特性 系统的时域分析是分析系统的直接方法，比较直观，但离开计算机仿真，分析高阶系统是困难的。系统频域分析是工程广为应用的系统分析和综合的间接方法。频率分析不仅可以了解系统频率特性，如截止频率、谐振频率等，而且可以间接了解系统时域特性，如快速性，稳定性等，为分析和设计系统提供更简便更可靠的方法。 本章首先阐明频率响应的特点，给出计算频率响应的方法，接着介绍Nyquist 图和Bode 图的绘制方法、系统的稳定裕度及系统时域性能指标计算。 3.1 频率响应和频率特性 3.1.1 一般概念 频率响应是指系统对正弦输入的稳态响应。考虑传递函数为G(s)的线性系统，若输入正弦信号 t X t x i i ωsin )(= (3.1-1) 根据微分方程解的理论，系统的稳态输出仍然为与输入信号同频率的正弦信号，只是其幅值和相位发生了变化。输出幅值正比于输入的幅值i X ，而且是输入正弦频率ω的函数。输出的相位与i X 无关，只与输入信号产生一个相位差?，且也是输入信号频率ω的函数。即线性系统的稳态输出为 )](sin[)()(00ω?ωω+=t X t x (3.1-2)
由此可知，输出信号与输入信号的幅值比是ω的函数，称为系统的幅频特性，记为)(ωA 。输出信号与输入信号相位差也是ω的函数，称为系统的相频特性，记为)(ω?。 幅频特性： )()()(0ωωωi X X A = (3.1-3) 相频特性： )()()(0ω?ω?ω?i -= (3.1-4) 频率特性是指系统在正弦信号作用下，稳态输出与输入之比对频率的关系特性，可表示为： )()()(0ωωωj X j X j G i = (3.1-5) 频率特性)(ωj G 是传递函数)(s G 的一种特殊形式。任何线性连续时间系统的频率特性都可由系统传递函数中的s 以ωj 代替而求得。 )(ωj G 有三种表示方法： )()()(ω?ωωj e A j G = (3.1-6) )()()(ωωωjV U j G += (3.1-7) )(sin )()cos()()(ω?ωωωωjA A j G += (3.1-8) 式中，实频特性： )(cos )()(ω?ωωA U = 虚频特性：
自动频率序列正弦信号产生单元 广西大学实验报告纸 姓名： 指导老师： 成绩： 学院：电气工程学院 专业：自动化 班级： 实验内容：一、二阶系统频率特性测试与分析 年月日 其他组员及各自发挥的作用： 【实验时间】 【实验地点】 【实验目的】 1. 掌握测量典型一阶系统和二阶系统的频率特性曲线的方法； 2. 掌握软件仿真求取一、二阶系统的开环频率特性的方法； 3. 学会用Nyquist 判据判定系统的稳定性。 【实验设备与软件】 1. labACT 实验台与虚拟示波器 2. MATLAB 软件 【实验原理】 1.系统的频率特性测试方法 对于现行定常系统，当输入端加入一个正弦信号)sin()(t X t X m ωω=时，其稳态输出是一个与输入信号频率相同，但幅值和相位都不同的正弦信号)sin()()sin()(ψωωψω+=+=t j G X t Y s Y m m 。 幅频特性：m m X Y j G /)(=ω，即输入与输出信号的幅度比值，通常转换成)(lg 20ωj G 形式。 相频特性：)(arg )(ωω?j G =，可以直接基于虚拟示波器读取，也可以用“李沙育图行”法得到。 可以将用Bode 图或Nyquist 图表示幅频特性和相频特。 在labACT 试验台采用的测试结构图如下。 图1 频率特性测试结构图 被测定稳定系统对于实验就是有源放大电路模拟的一、二阶稳定系统。 2.系统的频率测试硬件原理 被测稳定系统 频率特性测试 模块单元
1）正弦信号源的产生方法 频率特性测试时，一系列不同频率输入正弦信号可以通过下图示的原理产生。按照某种频率不断变化的数字信号输入到DAC0832，转换成模拟信号，经一级运放将其转换为模拟电压信号，再经过一个运放就可以实现双极性电压输出。 根据数模转换原理，知 R V N V 8012 - = (1) 再根据反相加法器运算方法，得 R R R V N V N V R R V R R V 1281282282201210--=??? ??+-?-=??? ? ??+-= (2) 由表达式可以看出输出时双极性的：当N 大于128时，输出为正；反之则为负；当输入为128时，输出为0. 在labACT 实验箱上使用的参考电压时5V 的，内部程序可以产生频率范围是对一阶系统是0.5 H Z ~64H Z 、对二阶系统是0.5 H Z ~16 H Z 的信号，并由B2单元的OUT2输出。 2）被测对象输出信号的采样方法 对被测对象的输出信号夏阳，首先将其通过LM324与基准电压进行比较嵌位，再通过CD14538进行脉冲整形，一保证有足够的IRQ 采样时间，最后将信号送到处理器的IRQ6脚，向处理器申请中断，在中断中对模拟量V y 进行采样并模数转换，进而进行处理与计算幅值与相位。途中采用ADC089采集模拟量，以单极性方式使用，所以在出现振荡的情况下需要加入一个二极管，将V y 出现负值时将其直接拉倒0。
频率响应介绍_频率响应概念 频率响应是指将一个以恒电压输出的音频信号与系统相连接时，音箱产生的声压随频率的变化而发生增大或衰减、相位随频率而发生变化的现象，这种声压和相位与频率的相关联的变化关系称为频率响应。也是指在振幅允许的范围内音响系统能够重放的频率范围，以及在此范围内信号的变化量称为频率响应，也叫频率特性。在额定的频率范围内，输出电压幅度的最大值与最小值之比，以分贝数（dB）来表示其不均匀度。频率响应在电能质量概念中通常是指系统或计量传感器的阻抗随频率的变化。 频率响应确定方法分析法基于物理机理的理论计算方法，只适用于系统结构组成易于确定的情况。在系统的结构组成给定后，运用相应的物理定律，通过推导和计算即可定出系统的频率响应。分析的正确程度取决于对系统结构了解的精确程度。对于复杂系统，分析法的计算工作量很大。 实验法频率响应图册采用仪表直接量测的方法，可用于系统结构难以确定的情况。常用的实验方式是以正弦信号作为试验信号，在所考察的频率范围内选择若干个频率值，分别测量各个频率下输入和稳态输出正弦信号的振幅和相角值。输出与输入的振幅比值随频率的变化特性是幅频特性，输出与输入的相角差值随频率的变化特性是相频特性。 频率响应性能系统的过渡过程与频率响应有着确定的关系，可用数学方法来求出。但是除一阶和二阶系统外，这样做常需要很多时间，而且在很多情况下实际意义不大。常用的方法是根据频率响应的特征量来直接估计系统过渡过程的性能。频率响应的主要特征量有：增益裕量和相角裕量、谐振峰值和谐振频率、带宽和截止频率。 增益裕量和相角裕量它可提供控制系统是否稳定和具有多大稳定裕量的信息。 谐振峰值Mr和谐振频率rMr和r规定为幅频特性|G（j）|的最大值和相应的频率值。对于具有一对共轭复数主导极点（见根轨迹法）的高阶线性定常系统，当Mr值在（1.0～1.4）M0范围内时，可获得比较满意的过渡过程性能。其中M0是=0时频率响应的幅值。r的大小表征过渡过程的快速性：r值越大，系统在单位阶跃作用下输出响应的快速性越好。带宽和截止频率截止频率c规定为幅频特性|G（j）|达到0.7M0并继续下降时的临界频率。
深圳大学实验报告 课程名称：信号与系统 实验项目名称：一阶、二阶系统的幅频特性测试实验学院：信息工程 专业：通信工程 指导教师： 报告人：学号：班级： 实验时间： 实验报告提交时间： 2015.6.23 教务部制
一、实验目的与要求： 1、学会利用基本的运算电路单元，搭建一些简单的实验系统。 2、学会测试系统的频率响应的方法。 3、了解一阶、二阶系统的阶跃响应特性。 二、实验仪器 1、信号与系统实验箱一台（主板）。 2、线性系统综合设计性模块一块。 3、20M双踪示波器一台。 三、实验原理 1、基本运算单元 （1）比例放大 1）反相数乘器 由: 2 2 1 1 R U R U - =则有： 1 1 2 2R U R U- = 2）同相数乘器 由： 5 4 4 4 3 R R U R U + =则有： 4 5 4 3 4 ) ( R R R U U + = （2）积分微分器 1）积分器：由：12 1 2 1 1 // U U R R sC =-则有：2 21 121 (1) R U U R sR C =- +
2）微分器：由：34 1 1 1 U U R sC =-则有： 4311 U U R C s =- （3）加法器 1）反向加法器 有：) ( 2 1 1 3 2R U R U R U+ - = 2）正向加法器 由： ? ? ? ?? ? ? + = - = + - + 8 7 5 7 6 4 4 3 3 R R U R U R U R U R U 则有) ( ) (* 4 4 3 3 7 8 7 6 5R U R U R R R R U+ + = 2、N阶系统系统 1 011 1 1 011 1 ()()()() ()()()() n n n n n n m m m m m m d d d C y t C y t C y t C y t dt dt dt d d d E x t E x t E x t E x t dt dt dt - - - - - - ++++= ++++ 根据零状态响应（起始状态为零），则对其进行拉氏变换有： 1 011 1 011 ()()()() ()()()() n n n n m m m m C s Y s C s Y s C sY s C Y s E s X s E s X s E sX s E X s - - - - ++++= ++++ 则其传函数可表达为： -1 01-1 -1 01-1 s s s (s) (s) (s)s s s m m m m n n n n E E E E Y H X C C C C ++++ == ++++ 3、作为一阶系统，一般可表达为： 01 01 () E s E H s C s C + = + 一阶系统是构成复杂系统的基本单元，学习一阶的特点有助于对一般系统特性的了
动态信号分析仪的一个常见应用是测量机械系统的频率响应函数(FRF)。这也称为网络分析，系统的输入和输出同时测量。通过这些多通道测量，分析仪可以测量系统如何“改变”输入。一个常见的假设是，如果系统是线性的，那么这个“变化”被频率响应函数(FRF)充分描述。事实上，对于线性和稳定的系统，只要知道频率响应函数，就可以预测系统对任何输入的响应。 宽带随机、正弦、阶跃或瞬态信号在测试和测量应用中被广泛地用作激励信号。图1说明了一个激励信号x，可以应用于一个UUT(测试单元)，并生成一个或多个由y表示的响应，输入和输出之间的关系称为传递函数或频率响应函数，由H(y,x)表示。一般来说，传递函数是一个复杂的函数，描述系统如何将输入信号的大小和相位作为激励频率的函数。 在各种激励条件下，对UUT系统的特性进行了实验测量。这些特征包括:频率响应函数(FRF)，通过以下参量描述: 增益频率函数。相位频率函数。共振频率，阻尼因素，总谐波失真，非线性。 利用宽带随机激励的FFT、交叉功率谱法测量频率响应。宽带激励可以是高斯分布的真随机噪声信号，也可以是一个伪随机信号，其振幅分布可以由用户来定义。宽带这一术语可能具有误导性，因为一个好的实现的随机激励信号应该是频带有限的，并由分析频率范围的上限控制。也就是说，激励不应该激发高于测
量仪器所能测量的频率。随机发生器只产生频宽在分析频率范围内随机信号。这也将把激发能量集中在有用的频率范围，以提高测试动态范围。 宽带随机激励的优点是它能在短时间内激发宽频段，因此总测试时间较短。宽带激励的缺点是其频率能量在短时间内广泛传播。每个频率点激发的能量贡献远小于总信号能量(大概是-30到-50dB小于总数)。即使对于频率响应函数(FRF)估计有一个大的平均数字，宽带信号也不能有效地测量UUT的极端动态特性。 扫频正弦测量，优化了每个频率点的测量值。由于激励信号是一个正弦波，在某一时刻其所有的能量都集中在一个频率上，改进了宽带激励中的动态范围不足的缺点。此外，如果频率响应幅值大小下降，响应的跟踪滤波器可以帮助接收到非常小的正弦信号。只要优化每个频率的输入范围，就可以将测量的动态范围扩展到150分贝以上。 频率响应函数的应用很广，其中测试试件的固有频率是基础应用，可以有效的避免共振频率。试件由于材质、材料属性、形状的不同会影响自身刚度和质量。它的固有频率只受刚度分布和质量分布的影响，阻尼对固有频率的影响有限。质量增大固有频率必然降低，刚度增大固有频率必然增大。 理论上讲，试件有多阶固有频率。在二维频谱图中，并不是所有的峰值对应的都是固有频率，因为有可能是激励频率或是它的倍频。因此通常通过测量频响函数的方式来测量固有频率，频响函数对应的峰值都是系统的固有频率。多数情况下，我们只关心低阶或特定阶固有频率。 常用两种方法测试频率响应函数，锤击法和正弦扫频法。
实验报告 实验名称：连续时间系统的频率响应
一、实验目的： 1 加深对连续时间系统频率响应理解； 2 掌握借助计算机计算任意连续时间系统频率响应的方法。 二、实验原理： 连续时间系统的频率响应可以直接通过所得表达式计算，也可以通过零极点 图通过用几何的方法来计算，而且通过零极点图可以迅速地判断系统的滤波特 性。 根据系统函数H(s)在s平面的零、极点分布可以绘制频响特性曲线，包括幅 频特性 H(jw) 曲线和相频特性?(w)曲线。这种方法的原理如下： 假定，系统函数H(s)的表达式为 当收敛域含虚轴时，取s = jw，也即在s平面中，s沿虚轴从- j∞移动到+ j∞时， 得到 容易看出，频率特性取决于零、极点的分布，即取决于Zj 、Pi 的位置，而式中K 是系数，对于频率特性的研究无关紧要。分母中任一因子(jw- Pi )相当于由极点 p 引向虚轴上某点 jw的一个矢量；分子中任一因子(jw-Zj)相当于由零点Zj引至虚轴上某点 jw的一个矢量。 在右图示意画出由零点Zj和极点 Pi 与 jw点连接构成的两个矢量，图中Nj、Mi 分别表示矢量的模，ψj、θi 表示矢量的辐角（矢量与正实轴的夹角，逆时针为正）。对于任意零点Zj 、极点Pi ，相应的复数因子（矢量）都可表示为： 于是，系统函数可以改写为
当ω延虚轴移动时，各复数因子（矢量）的模和辐角都随之改变，于是得出幅频特性曲线和相频特性曲线。这种方法称为s 平面几何分析。通过零极点图进行计算的方法是： 1 在S 平面上标出系统的零、极点位置； 2 选择S 平面的坐标原点为起始点，沿虚轴向上移动，计算此时各极点和零点与该点的膜模和夹角； 3 将所有零点的模相乘，再除以各极点的模，得到对应频率处的幅频特性的值； 4 将所有零点的幅角相加，减去各极点的幅角，得到对应频率处的相角。 三、实验内容 用 C 语言编制相应的计算程序进行计算，要求程序具有零极点输入模块， 可以手工输入不同数目的零极点。 计算频率从0～5频段的频谱，计算步长为0.1，分别计算上面两个系统的幅频特性和相频特性，将所得结果用表格列出，并画出相应的幅频特性曲线和相频特性曲线。 判断所给系统的滤波特性，对于带通滤波器，计算出 3dB 带宽的起始频点和结束频点；对于低通或高通滤波器，计算出3dB 带宽的截止或开始的频率。 四、画出系统一和系统二的零极点图 系统一 系统二 五、程序流程图和程序代码 程序流程图如下：