自动控制原理实验
实验报告
实验四系统频率特性的测试
学号22012309 姓名
时间2014年10月23日
评定成绩审阅教师
目录
一、实验目的··3
二、实验原理··3
三、预习与回答··3
四、实验设备··4
五、实验线路图··4
六、实验步骤··4
七、实验数据··4
八、实验分析及思考题··5
九、实验总结··7
一、实验目的：
（1）明确测量幅频和相频特性曲线的意义；
（2）掌握幅频曲线和相频特性曲线的测量方法；
（3）利用幅频曲线求出系统的传递函数；
二、实验原理：
在设计控制系统时，首先要建立系统的数学模型，而建立系统的数学模型是控制系统设计的重点和难点。如果系统的各个部分都可以拆开，每个物理参数能独立得到，并能用物理公式来表达，这属机理建模方式，通常教材中用的是机理建模方式。如果系统的各个部分无法拆开或不能测量具体的物理量，不能用准确完整的物理关系式表达，真实系统往往是这样。比如“黑盒”，那只能用二端口网络纯的实验方法来建立系统的数学模型，实验建模有多种方法。此次实验采用开环频率特性测试方法，确定系统传递函数。准确的系统建模是很困难
的，要用反复多次，模型还不一定建准。另外，利用系统的频率特性可用来分析和设计控制系统，用Bode 图设计控制系统就是其中一种。
幅频特性就是输出幅度随频率的变化与输入幅度之比，即)()(ωωi
o U U A =。测幅频特性时，
改变正弦信号源的频率，测出输入信号的幅值或峰峰值和输输出信号的幅值或峰峰值。
测相频有两种方法：
（1）双踪信号比较法：将正弦信号接系统输入端，同时用双踪示波器的Y1和Y2测量系统的输入端和输出端两个正弦波，示波器触发正确的话，可看到两个不同相位的正弦波，测出波形的周期T 和相位差Δt ，则相位差0360⨯∆=ΦT
t 。这种方法直观，容易理解。就模拟示波
器而言，这种方法用于高频信号测量比较合适。
（2）李沙育图形法：将系统输入端的正弦信号接示波器的X 轴输入，将系统输出端的正弦信号接示波器的Y 轴输入，两个正弦波将合成一个椭圆。通过椭圆的切、割比值，椭圆所在的象限，椭圆轨迹的旋转方向这三个要素来决定相位差。就模拟示波器而言，这种方法用于低频信号测量比较合适。若用数字示波器或虚拟示波器，建议用双踪信号比较法。 利用幅频和相频的实验数据可以作出系统的波Bode 图和Nyquist 图。
三、预习与回答：
（1）实验时，如何确定正弦信号的幅值？幅度太大会出现什么问题，幅度过小又会出现什
么问题？
答：若正弦信号的幅值过大，会容易失真；信号幅值太小会使信号容易被噪声淹没。 (2)当系统参数未知时，如何确定正弦信号源的频率？
答：从理论推导的角度看，应该采取逐点法进行描述，即ω 从0变化到∞，得到变化时幅度和相位的值。从实际操作来看，ω 值过小所取得的值无意义，因此我们选取[1.0,100.0]
Y1
100
100K
200K
200K
100K 100K
200K
200K
0.47μF 0.1μF 1μF
正 弦 信号源 虚拟示波
AD1
AD2
- +
- +
- + - +
的范围进行测量。
（3）先对本系统进行机理建模，求出开环传递函数。 答：对系统分级分析易得，
由上可以得到系统总的前向通路增益，即：
由于系统中为单位反馈，故开环传递函数亦为G(s)。
四、实验设备：
THBDC-1实验平台 THBDC-1虚拟示波器
五、实验线路图（模拟实物图）
六、实验步骤：
（1）按照试验线路图接线，用U7、U9、U11、U13单元，信号源的输入接“数据采集接口”
AD1(蓝色波形)，系统输出接“数据采集接口”AD2(红色波形)。
（2）信号源选“正弦波”，幅度、频率根据实际线路图自定，一般赋值过小会出现非线性，
过大则会失真。
（3）点击屏上THBDC-1示波器图标，直接点击“确定”，进入虚拟示波器界面，点“示波 器（E ）”菜单，选中“幅值自动”和“时基自动”。在“通道选择”下拉菜单中选“通
道（1-2）”，“采样频率”调至“1”。点“开始采集”后，虚拟示波器可看到正弦波，
再 点“停止采集”，波形将被锁住，利用示波器“双十跟踪”可准确读出波形的幅度。改
变信号源的频率，分别读出系统输入和输出的峰峰值，填入幅频数据表中。
（4）测出双踪不同频率下的Δt 和T 填相频数据表，利用公式0360⨯∆=
ΦT
t
算出相位差。 七、实验数据：
（1）数据表格：
2
im
U7.9692 7.969
2 7.953
4
7.975
4
7.982
4
7.974
4
7.974
4
7.9740
7.958
8
8.075
6
7.957
2
om
U7.9216 7.763
2 7.177
6.008
2
4.280
4
3.251
8
2.239
8
1.1064 0.614
8
0.175
4
0.067
20Lg0.0520 0.227
5 0.892
2
2.460
2
5.413
7.791
5
11.02
98
17.155
3
22.24
22
33.26
29
41.49
35
Δt 0.1917 0.180
2 0.172
2
0.154
8
0.149
7
0.128
0.114
2
0.0941 0.077
5
0.055
5
0.044
5
T 6.2544 3.125
8 1.560
4
0.898
1
0.629
3
0.419
2
0.316
3
0.2071 0.156
1
0.091
3
0.059
7
11.034
1 20.75
37
39.72
83
62.05
10
85.63
80
109.9
237
129.9
779
163.57
31
178.7
316
218.8
390
268.3
417
