中南大学自动控制原理实验—线性系统的频率响应分析
《自动控制原理》实验3.线性系统的频域分析
《自动控制原理》实验3.线性系统的频域分析实验三线性系统的频域分析一、实验目的1．掌握用MATLAB语句绘制各种频域曲线。
2．掌握控制系统的频域分析方法。
二、基础知识及MATLAB函数频域分析法是应用频域特性研究控制系统的一种经典方法。
它是通过研究系统对正弦信号下的稳态和动态响应特性来分析系统的。
采用这种方法可直观的表达出系统的频率特性，分析方法比较简单，物理概念明确。
1．频率曲线主要包括三种：Nyquist图、Bode图和Nichols图。
1）Nyquist图的绘制与分析MATLAB中绘制系统Nyquist图的函数调用格式为：nyquist(num,den) 频率响应w的范围由软件自动设定 nyquist(num,den,w) 频率响应w的范围由人工设定[Re,Im]= nyquist(num,den) 返回奈氏曲线的实部和虚部向量，不作图2s?6例4-1：已知系统的开环传递函数为G(s)?3，试绘制Nyquists?2s2?5s?2图，并判断系统的稳定性。
num=[2 6]; den=[1 2 5 2]; nyquist(num,den)极点的显示结果及绘制的Nyquist图如图4-1所示。
由于系统的开环右根数P=0，系统的Nyquist曲线没有逆时针包围（-1，j0）点，所以闭环系统稳定。
p =-0.7666 + 1.9227i -0.7666 - 1.9227i -0.4668图4-1 开环极点的显示结果及Nyquist图若上例要求绘制??(10?2,103)间的Nyquist图，则对应的MATLAB语句为：num=[2 6]; den=[1 2 5 2];w=logspace(-1,1,100); 即在10-1和101之间，产生100个等距离的点nyquist(num,den,w)2）Bode图的绘制与分析系统的Bode图又称为系统频率特性的对数坐标图。
Bode图有两张图，分别绘制开环频率特性的幅值和相位与角频率?的关系曲线，称为对数幅频特性曲线和对数相频特性曲线。
自控实验报告----频率响应测试
自动控制原理实验报告（II）一、实验名称：频率响应测试二、画出系统模拟运算电路图，并标出电阻、电容的取值1、模拟电路图各电阻、电容取值：R1=100KΩ R2=1MΩ R3=1MΩ R4=1MΩC1=0.1μF C2=0.1μF2、系统结构图系统理论传递函数为：R=100KΩ时G(s)=100s2+10s+100R=200KΩ时G(s)=200s2+10s+200三、画出两组李沙育图形图表 1 R=100KΩ w=9.5rad/s图表 2 R=200KΩ w=13.5rad/s四、实验数据记录表格五、根据实验数据计算两种系统的传递函数的参数并确定传递函数1、R=100KΩ时取第五组数据：由ω=9.5rad/s 时相角Ψ= 90°，所以有ωn=ω=9.5rad/s 又M=A cA r =12ξ= 1.025ξ=0.4878 故，系统传递函数为:G(s)= ωn 2S2+2ξωn S+ωn2=90.25S2+9.76S+90.252、R=200KΩ时取第五组数据：由ω=13.5rad/s 时相角Ψ= 90°，所以有ωn=ω=13.5rad/s 又M=A cA r =12ξ= 1.44ξ=0.3472 故，系统传递函数为:G(s)= ωn 2S2+2ξωn S+ωn2=182.25S2+6.9S+182.25六、误差分析1、R=100KΩ时ξ的误差为ξ%=0.4878−0.50.5×100%=−2.44%2、R=200KΩ时ξ的误差为ξ%=0.3472−0.50.5×100%=−30.56%从误差数据可以看出，相对误差值较小，在实验允许误差范围内，分析可知，误差来源有以下原因：温度引起电阻值的变化；接触部分接触电阻的影响；取点精确度影响等因素造成的扰动误差。
中南大学自动控制原理实验报告
装订线信息科学与工程学院本科生实验报告实验名称1.2 典型系统的时域响应和稳定性分析预定时间实验时间姓名学号严玉琮0904140213 授课教师实验台号专业班级测控1402订线系订线五、内容步骤订1．将信号源单元的“ST”端插针与“S”端插针用“短路块”短接。
由于每个运放单元均设线臵了锁零场效应管，所以运放具有锁零功能。
将开关设在“方波”档，分别调节调幅和调频电位器，使得“OUT”端输出的方波幅值为1V，周期为10s 左右。
2. 典型二阶系统瞬态性能指标的测试(1) 按模拟电路图1.2-2 接线，将1 中的方波信号接至输入端，取R = 10K。
(2) 用示波器观察系统响应曲线C(t)，测量并记录超调MP、峰值时间tp 和调节时间tS。
(3) 分别按R = 50K；160K；200K；改变系统开环增益，观察响应曲线C(t)，测量并记录性能指标MP、tp 和tS，及系统的稳定性。
并将测量值和计算值进行比较(实验前必须按公式计算出)。
将实验结果填入表1.2-1 中。
表1.2-2中已填入了一组参考测量值，供参照。
3．典型三阶系统的性能(1) 按图1.2-4 接线，将1 中的方波信号接至输入端，取R = 30K。
(2) 观察系统的响应曲线，并记录波形。
(3) 减小开环增益(R = 41.7K；100K)，观察响应曲线，并将实验结果填入表1.2-3 中。
表1.2-4 中已填入了一组参考测量值，供参照。
六、数据处理当R>160时系统处于过阻尼状态订线当R>160时，由可知道该系统的自然频率和阻尼比均与R值大小有关，当R处于160左右处于临界阻尼状态，则R>160时阻尼比增大，系统则应处于过阻尼状态，输出波形如上图所示。
同理当R的阻值减小时，系统应该趋于欠阻尼状态；如R=50时，系统处于欠阻尼状态，其输出波形如下图所示：欠阻尼欠阻尼状态，是我们所期望的一种状态，相比于过阻尼，系统响应时间比较短，相比于临界阻尼，系统的超调量比较小。
中南大学自动控制原理实验—线性系统的频率响应分析
点击极坐标图按钮 ，可以得到对象的闭环极坐标。
(5)根据所测图形可适当修改正弦波信号的角频率和幅值重新测量，达到满意的效果。
3．间接测量方法：(测对象的开环频率特性)将示波器的“CH1”接至3＃运放的输出端，“CH2”接至1＃运放的输出端。按直接测量的参数将参数设臵好，将测量方式改为“间接”测量。此时相位差是反馈信号和误差信号的相位差，应将两根游标放在反馈和误差信号上。测得对象的开环波特图和开环极坐标图。
3．频率特性的表达式(1)对数频率特性：又称波特图，它包括对数幅频和对数相频两条曲线，是频率响应法中广泛使用的一组曲线。这两组曲线连同它们的坐标组成了对数坐标图。对数频率特性图的优点：①它把各串联环节幅值的乘除化为加减运算，简化了开环频率特性的计算与作图。②利用渐近直线来绘制近似的对数幅频特性曲线，而且对数相频特性曲线具有奇对称于转折频率点的性质，这些可使作图大为简化。③通过对数的表达式，可以在一张图上既能绘制出频率特性的中、高频率特性，又能清晰地画出其低频特性。(2)极坐标图(或称为奈奎斯特图) (3)对数幅相图(或称为尼柯尔斯图)本次实验中，采用对数频率特性图来进行频域响应的分析研究。实验中提供了两种实验测试方法：直接测量和间接测量。
六、数据处理
七、分析讨论
由波特图来确定开环传递函数：
1.用±20ndb/dec的直线段去近似实验所得对数幅频特性。
2.开环增益K的确定。
(1)ω=1时,20lgK=L K=
(2)利用对数幅频特性与稳态误差的关系。
(3)利用直线方程,根据已知条件推算。
3.确定积分环节的个数:由最低频率段的斜率确定。
自控实验3--线性控制系统的频域分析
北京XX大学实验报告课程（项目）名称：线性控制系统的频域分析学院：专业：姓名：学号：指导教师：成绩：2013年12 月12 日实验三 线性控制系统的频域分析3. 1 频率特性测试一．实验目的1．了解线性系统频率特性的基本概念。
2．了解和掌握对数幅频曲线和相频曲线（波德图）的构造及绘制方法。
二．实验内容及步骤被测系统是一阶惯性的模拟电路图见图3-1，观测被测系统的幅频特性和相频特性，填入实验报告，並在对数座标纸上画出幅频特性和相频特性曲线。
本实验将正弦波发生器（B5）单元的正弦波加于被测系统的输入端，用虚拟示波器观测被测系统的幅频特性和相频特性，了解各种正弦波输入频率的被测系统的幅频特性和相频特性。
图3-1 被测系统的模拟电路图实验步骤：（1）将函数发生器（B5）单元的正弦波输出作为系统输入。
① 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘正弦波’（正弦波指示灯亮）。
② 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器2”，使之正弦波频率为8Hz （D1单元右显示）。
③ 调节B5单元的“正弦波调幅”电位器，使之正弦波振幅值输出为2V 左右（D1单元左显示）。
（2）构造模拟电路：按图3-1安置短路套及测孔联线，表如下。
（a ）安置短路套 （b ）测孔联线（3）运行、观察、记录：① 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，选择时域分析，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观察波形，应避免系统进入非线性状态。
②点击停止键后，可拖动时间量程（在运行过程中，时间量程无法改变），以满足观察要求。
示波器的截图详见虚拟示波器的使用。
三．实验报告要求：按下表改变实验被测系统正弦波输入频率：（输入振幅为2V）。
实验截图：频率为1Hz时：频率为1.6Hz时：频率为3.2Hz时：频率为4.5Hz时：频率为8Hz时：3.2 一阶惯性环节的频率特性曲线一．实验目的1．了解和掌握一阶惯性环节的对数幅频特性)(ωL 和相频特性)(ωϕ，实频特性)Re(ω和虚频特性)Im(ω的计算。
第5章 线性系统的频率响应分析法
0
X
（2）求取G(jω)与负实轴的交点
K G( j ) 2 (T1 T2 ) j (1 2T1T2 ) 1 KT1T2 x G( jx ) T1 T2 T1T2
2014年10月16日星期四 第5章 线性系统的频率响应分析法
绘制G(jω) 奈氏曲线
2014年10月16日星期四
第5章 线性系统的频率响应分析法
6
虚轴上含有G(s)极点的情况
考虑v(≠0)型系统的情况奈奎斯特周线应该避开使 G(s)奇异的点(即S平面坐标原点)。
j
D1 {s : s j , 0 } j D2 {s : s e , 90 90} D D3 {s : s j , 0} D {s : s 0e j , 90 90} 4 G ( j ), ( s D1 ) G (), ( s D ) 2 G ( s) G ( j ), ( s D3 ) G (0), ( s D4 )
◆系统相位裕度为正，表明系统进一步滞后的相角 在Pm内时，系统仍然能够保持稳定；系统相位裕度 为负，表明至少需要超前-Pm相角才能使系统稳定。
2014年10月16日星期四 第5章 线性系统的频率响应分析法 14
稳定程度度量指标-幅值裕度
定义：对于最小相位系统，开环频率特性G(jω)的 相角等于-180°时的频率ωg称为相角穿越频率
线性系统的频率分析
jw
A()
k
()21 (2)21)
Re -1 -0.5
5.3 系统的开环频率特性
开环频率特性（极坐标图）2
() a ta n () a ta n (2)
G(j) k j(2j1)
A()
k
(2)2 1)
()900atan(2)
Im
jw Re
5.3 系统的开环频率特性
开环频率特性（极坐标图）3
终点： .G k(j )0 1800
相频特性 () 1 8 0 0 a ta n T a ta n
5.3 系统的开环频率特性
画出下列开环频率特性（极坐标图）7
Gk
(s)
(s 1) (s 2)
相频特性 （线性分度）
12
3
4
5 6 7 8 9 10
l g 0 0.301 0.477 0.602 0.699 … 0.903 … 1
十倍频程
十倍频程
124 一倍频程
8 10
100
5.1.2 频率特性的定义
例如：画出积分环节 1/s的bode图
G(j) 1 1ej900 j
L ( )
十倍频程
问题：求图示系统在 r(t)=2sin2t 作用下的稳定输 出和稳态误差。
R(s) E(s) 1
C(s)
s1
G(s)s12,r02,21n G (j)2j21 2212 450
css(t)
2sin(2t450) 2
ess(t)r(t) css(t)2sin2 t2 2sin (2 t4 5 0)
5.1.2 频率特性的定义
Im
S平面 -1/T
jw Re
G( j) 100 0
中南大学自动控制原理—线性系统的校正实验报告
七、分析讨9.53,t(s)=3.844s
2.校正系统的性能指标
由图知，Mp(%)=18.12,t(s)=0.422s
六、数据处理
由系统的开环传递函数 及闭环传递函数 知，系统的特征参量：ωn＝6.32,ξ＝0.158，系统的性能指标：Mp＝60％，tS＝4s，静态误差系数Kv＝20(1/s)。要求采用串联校正的方法，使系统满足下述性能指标：Mp≤25％，tS≤1s，静态误差系数Kv≥20(1/s)。由Mp≤25%，ts≤1s得：ξ≥0.4，ωn≥10,设校正后的系统开环传函为： ,由期望值得： ≥20，K≥20。取ξ＝0.5，则T＝0.05s，ωn＝20满足ωn≥10，得校正后开环传函为： .
三、仪器设备
PC机一台，TD-ACC+(或TD-ACS)教学实验系统一套。
四、线路示图
1．原系统的结构框图及模拟电路图
2.加校正环节后的系统结构框图及模拟电路图
五、内容步骤
1.将信号源单元的“ST”端插针与“S”端插针用“短路块”短接。由于每个运放单元均设臵了锁零场效应管，所以运放具有锁零功能。将开关设在“方波”档，分别调节调幅和调频电位器，使得“OUT”端输出的方波幅值为1V，周期为10s左右。
实验报告
实验名称线性系统的校正
系
专业
测控
班
姓名
学号
授课老师
夏利民
预定时间
2013-5-20
实验时间
2013-5-20
实验台号
19
一、目的要求
1．掌握系统校正的方法，重点了解串联校正。
2．根据期望的时域性能指标推导出二阶系统的串联校正环节的传递函数。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
实验名称线性系统的频率响应分析
系
专业
班
姓名
学号
授课老师
夏利民
预定时间
2013-5-6
实验时间
2013-5-6
实验台号
19
一、目的要求
1．掌握波特图的绘制方法及由波特图来确定系统开环传函。
2．掌握实验方法测量系统的波特图。
二、原理简述
1．频率特性：当输入正弦信号时，线性系统的稳态响应具有随频率(ω由0变至∞)而变化的特性。频率响应法的基本思想是：尽管控制系统的输入信号不是正弦函数，而是其它形式的周期函数或非周期函数，但是，实际上的周期信号，都能满足狄利克莱条件，可以用富氏级数展开为各种谐波分量；而非周期信号也可以使用富氏积分表示为连续的频谱函数。因此，根据控制系统对正弦输入信号的响应，可推算出系统在任意周期信号或非周期信号作用下的运动情况。
3．频率特性的表达式(1)对数频率特性：又称波特图，它包括对数幅频和对数相频两条曲线，是频率响应法中广泛使用的一组曲线。这两组曲线连同它们的坐标组成了对数坐标图。对数频率特性图的优点：①它把各串联环节幅值的乘除化为加减运算，简化了开环频率特性的计算与作图。②利用渐近直线来绘制近似的对数幅频特性曲线，而且对数相频特性曲线具有奇对称于转折频率点的性质，这些可使作图大为简化。③通过对数的表达式，可以在一张图上既能绘制出频率特性的中、高频率特性，又能清晰地画出其低频特性。(2)极坐标图(或称为奈奎斯特图) (3)对数幅相图(或称为尼柯尔斯图)本次实验中，采用对数频率特性图来进行频域响应的分析研究。实验中提供了两种实验测试方法：直接测量和间接测量。
2．线性系统的频率特性：系统的正弦稳态响应具有和正弦输入信号的幅值比|Φ(jω)|和相位差∠Φ(jω)随角频率(ω由0变到∞)变化的特性。而幅值比|Φ(jω)|和相位差∠Φ(jω)恰好是函数Φ(jω)的模和幅角。所以只要把系统的传递函数Φ(s)，令s=jω,即可得到Φ(jω)。当ω由0到∞变化时，|Φ(jω)|随频率ω的变化特性成为幅频特性，∠Φ(jω)随频率ω的变化特性称为相频特性。幅频特性和相频特性结合在一起时称为频率特性。
(2)打开集成软件中的频率特性测量界面，弹出时域窗口，点击按钮，在弹出的窗口中根据需要设臵好几组正弦波信号的角频率和幅值，选择测量方式为“直接”测量，每组参数应选择合适的波形比例系数，具体如下图所示:
(3)确认设臵的各项参数后，点击 按钮，发送一组参数，待测试完毕，显示时域波形，此时需要用户自行移动游标，将两路游标同时放臵在两路信号的相邻的波峰(波谷)处，或零点处，来确定两路信号的相位移。两路信号的幅值系统将自动读出。重复操作(3)，直到所有参数测量完毕。
三、仪器设备
PC机一台，TD-ACC+(或TD-ACS)教学实验系统一套。
四、线路示图
结构框图：如图所示
模拟电路图
五、内容步骤
此次实验，采用直接测量方法测量对象的闭环频率特性及间接测量方法测量对象的频率特性。1．实验接线：按模拟电路图3.1-5接线，TD-ACC+的接线：将信号源单元的“ST”插针分别与“S”插针和“+5V”插针断开，运放的锁零控制端“ST”此时接至示波器单元的“SL”插针处，锁零端受“SL”来控制。将示波器单元的“SIN”接至图3.1-5中的信号输入端，TD-ACS的接线：将信号源单元的“ST”插针分别与“S”插针和“+5V”插针断开，运放的锁零控制端“ST”此时接至控制计算机单元的“DOUT0”插针处，锁零端受“DOUT0”来控制。将数模转换单元的“/CS”接至控制计算机的“/IOY1”，数模转换单元的“OUT1”，接至图3.1-5中的信号输入端. 2．直接测量方法(测对象的闭环频率特性) (1)“CH1”路表笔插至图3.1-5中的4＃运放的输出端。
(4)待所有参数测量完毕后，点击 按钮，弹出波特图窗口，观察所测得的波特图，该图由若干点构成，幅频和相频上同一角频率下两个点对应一组参数下的测量结果。
点击极坐标图按钮 ，可以得到对象的闭环极坐标。
(5)根据所测图形可适当修改正弦波信号的角频率和幅值重新测量，达到满意的效果。
3．间接测量方法：(测对象的开环频率特性)将示波器的“CH1”接至3＃运放的输出端，“CH2”接至1＃运放的输出端。按直接测量的参数将参数设臵好，将测量方式改为“间接”测量。此时相位差是反馈信号和误差信号的相位差，应将两根游标放在反馈和误差信号上。测得对象的开环波特图和开环极坐标图。
六、数据处理
七、分析讨论
由波特图来确定开环传递函数：
1.用±20ndb/dec的直线段去近似实验所得对数幅频特性。
2.开环增益K的确定。
(1)ω=1时,20lgK=L K=
(2)利用对数幅频特性与稳态误差的关系。
(3)利用直线方程,根据已知条件推算。
3.确定积分环节的个数:由最低频率段的斜率确定。
确定各典型环节:遇转折频率即根据斜率的变化来确定。