实验三 典型环节和系统频率特性的测量

2016~2017学年第一学期《自动控制原理》实验报告年级：201X 班号1X0X姓名：XXX 学号201X******XXX 成绩：教师：实验设备及编号：实验同组人名单：XXX 实验地点：电气工程学院自动控制原理实验室实验时间：2016年10月目录实验一典型环节的电路模拟 (1)一、实验目的 (1)二、实验设备 (1)三、实验内容 (1)四、实验思考题 (12)实验二二阶系统的瞬态响应 (13)一、实验目的 (13)二、实验设备 (13)三、实验内容 (13)四、实验分析 (17)五、实验思考题 (17)实验五典型环节和系统频率特性的测量 (19)一、实验目的 (19)二、实验设备 (19)三、实验内容 (19)四、实验分析 (23)五、实验思考题 (24)实验六线性定常系统的串联校正 (25)一、实验目的 (25)二、实验设备 (25)三、实验内容 (25)四、实验分析 (29)五、实验思考题 (29)实验七单闭环直流调速系统 (31)一、实验目的 (31)二、实验设备 (31)三、实验内容 (31)四、实验分析 (37)实验一 典型环节的电路模拟一、 实验目的1．熟悉 T HKKL-B 型模块化自控原理实验系统及“自控原理软件”的使用。

2．熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟。

3．测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。

二、 实验设备1．THKKL-B 型模块化自控原理实验系统实验平台，实验模块 C T01。

2．PC 机一台(含上位机软件)。

3．USB 接口线。

三、 实验内容1. 比例（P ）环节根据比例环节的方框图，如图1-1所示，用 C T01 实验模块组建相应的模拟电路，如图1-2所示。

图1-1 比例环节方框图图1-2 比例环节的模拟电路图1-2中后一个单元为反相器，其中0R =200k 。

传递函数为o i U (s)G(s)==K U (s)。

比例系数 K=1 时，电路中的参数取：1R =100k ，2R =100k 。

《机械工程控制基础》实验指导书青岛科技大学前言机械工程控制基础是针对过程装备与控制工程专业而开设的一门专业基础课，主要讲解自动控制原理的主要内容，是一门理论性较强的课程，为了帮助学生学好这门课，能够更好的理解理论知识，在课堂教学的基础上增加了该实验环节。

《机械工程控制基础》实验指导书共编写了4个实验，有实验一、典型环节模拟研究实验二、典型系统动态性能和稳定性分析实验三、控制系统的频率特性分析实验四、调节器参数对系统调节质量的影响《机械工程控制基础》实验指导书的编写主要依据“控制工程基础”教材的内容，结合本课程教学大纲的要求进行编写。

利用计算机和MATLAB程序完成实验。

注：1）每个实验的实验报告均由5部分组成，最后一部分“实验数据分析”或“思考题”必须写。

2）每个实验所记录的图形均需标出横轴和纵轴上的关键坐标点。

目录实验一典型环节模拟研究 (4)一、实验目的二、实验要求三、实验原理四、实验内容及步骤五、实验报告要求实验二典型系统动态性能和稳定性分析 (7)一、实验目的二、实验要求三、实验原理四、实验内容及步骤五、实验报告要求实验三控制系统的频率特性分析 (9)一、实验目的二、实验要求三、实验原理四、实验内容及步骤五、实验报告要求实验四调节器参数对系统调节质量的影响 (11)一、实验目的二、实验要求三、实验原理四、实验内容及步骤五、实验报告要求附录一：MATLAB6.5的使用 (13)实验一典型环节模拟研究一、实验目的1．熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线2．了解参数变化对典型环节动态特性的影响。

二、实验要求1．观测并记录各种典型环节的阶跃响应曲线2．观测参数变化对典型环节阶跃响应的影响，测试并记录相应的曲线三、实验原理1．惯性环节（一阶环节），如图1-1所示。

(a) 只观测输出曲线(b) 可观测输入、输出两条曲线图1-1 惯性环节原理图2．二阶环节，如图1-2所示。

或图1-2 二阶环节原理图3．积分环节，如图1-3所示。

一、实验目的1. 理解频率特性的基本概念和测量方法。

2. 掌握使用Bode图和尼奎斯特图分析系统频率特性的方法。

3. 了解频率特性在系统设计和稳定性分析中的应用。

二、实验原理频率特性描述了系统对正弦输入信号的响应，通常用幅频特性和相频特性来表示。

幅频特性表示输出信号幅度与输入信号幅度之间的关系，相频特性表示输出信号相位与输入信号相位之间的关系。

频率特性的测量通常通过以下步骤进行：1. 使用正弦信号发生器产生不同频率的正弦信号。

2. 将信号输入被测系统，并测量输出信号的幅度和相位。

3. 根据测量数据绘制幅频特性和相频特性曲线。

三、实验设备1. 正弦信号发生器2. 示波器3. 信号分析仪4. 被测系统（如电路、控制系统等）四、实验步骤1. 准备实验设备，确保各设备连接正确。

2. 设置正弦信号发生器，产生一系列不同频率的正弦信号。

3. 将正弦信号输入被测系统，并使用示波器或信号分析仪测量输出信号的幅度和相位。

4. 记录不同频率下的幅度和相位数据。

5. 使用绘图软件绘制幅频特性和相频特性曲线。

五、实验结果与分析1. 幅频特性分析通过绘制幅频特性曲线，可以观察到系统对不同频率信号的衰减程度。

一般来说，低频信号的衰减较小，高频信号的衰减较大。

根据幅频特性，可以判断系统的带宽和稳定性。

2. 相频特性分析通过绘制相频特性曲线，可以观察到系统对不同频率信号的相位延迟。

相频特性曲线通常呈现出滞后或超前特性。

根据相频特性，可以判断系统的相位裕度和增益裕度。

3. 系统稳定性分析根据幅频特性和相频特性，可以判断系统的稳定性。

如果系统的相位裕度和增益裕度都大于零，则系统是稳定的。

否则，系统可能是不稳定的。

六、实验结论通过本次实验，我们成功地测量了被测系统的频率特性，并分析了其幅频特性和相频特性。

实验结果表明，被测系统在低频段表现出较小的衰减，而在高频段表现出较大的衰减。

相频特性曲线显示出系统在低频段滞后，在高频段超前。

根据频率特性分析，可以得出被测系统是稳定的。

东南大学自动化学院课程名称: 自动控制原理试验试验名称: 系统频率特征测试姓名: 学号:专业: 实验室:试验时间: 11月22日同组人员:评定成绩: 审阅老师:一、 试验目:（1）明确测量幅频和相频特征曲线意义; （2）掌握幅频曲线和相频特征曲线测量方法; （3）利用幅频曲线求出系统传输函数;二、 试验原理:在设计控制系统时, 首先要建立系统数学模型, 而建立系统数学模型是控制系统设计关键和难点。

假如系统各个部分都能够拆开, 每个物理参数能独立得到, 并能用物理公式来表示, 这属机理建模方法, 通常教材中用是机理建模方法。

假如系统各个部分无法拆开或不能测量具体物理量, 不能用正确完整物理关系式表示, 真实系统往往是这么。

比如“黑盒”, 那只能用二端口网络纯试验方法来建立系统数学模型, 试验建模有多个方法。

此次试验采取开环频率特征测试方法, 确定系统传输函数。

正确系统建模是很困难, 要用反复数次, 模型还不一定建准。

另外, 利用系统频率特征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个。

幅频特征就是输出幅度随频率改变与输入幅度之比, 即)()(ωωio U U A =。

测幅频特征时,改变正弦信号源频率, 测出输入信号幅值或峰峰值和输输出信号幅值或峰峰值。

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Y1和Y2测量系统输入端和输出端两个正弦波, 示波器触发正确话, 可看到两个不一样相位正弦波, 测出波形周期T 和相位差Δt, 则相位差0360⨯∆=ΦTt 。

这种方法直观, 轻易了解。

就模拟示波器而言,这种方法用于高频信号测量比较适宜。

（2）李沙育图形法: 将系统输入端正弦信号接示波器X 轴输入, 将系统输出端正弦信号接示波器Y 轴输入, 两个正弦波将合成一个椭圆。

经过椭圆切、 割比值, 椭圆所在象限, 椭圆轨迹旋转方向这三个要素来决定相位差。