典型环节(或系统)的频率特性测量
实验三 典型环节的频率特性测量
姓名，班级学号 ； 姓名，班级学号姓名，班级学号 ； 姓名，班级学号姓名，班级学号 ； 姓名，班级学号实验三典型环节（系统）的频率特性测量一．实验目的1．学习和掌握测量典型环节（或系统）频率特性曲线的方法和技能。
2．学习根据所测得频率特性，作出伯德图。
二．实验内容1．用实验方法完成一阶惯性环节的频率特性曲线测试。
2．用实验方法完成比例环节、积分环节、惯性环节及二阶系统的频率特性曲线测试。
三．实验步骤1．熟悉实验设备上的信号源，掌握改变正弦波信号幅值和频率的方法。
2．利用实验设备完成比例环节、积分环节、惯性环节和二阶系统开环频率特性曲线的测试。
3．根据测得的频率特性曲线（或数据）求取各自的传递函数。
4．分析实验结果，完成实验报告。
四．实验线路及原理(一)实验原理对于稳定的线性定常系统或环节，当输入端加入一正弦信号时，它的稳态输出时一与输入信号同频率的正弦信号，但其幅值和相位将随输入信号频率的改变而改变，即：即相频特性即幅频特性,)()()(,)()()(sin )(])(sin[)()(ωωωωωφωωωωωωωj G t j G t j G Aj G A A tA t r j G t j G A t c ∠=-∠+====∠+=只要改变输入信号的频率，就可以测出输出信号与输入信号的幅值比)(ωj G 和它的相位差)(ωφ，不断改变输入信号的频率，就可测得被测环节的幅频特性和相频特性。
（二）实验线路1．比例(P)环节的模拟电路 比例环节的传递函数为：K s U s U i O =)()(，取ωj s =代入，得G(jw)=k, A(w)=k, Φ(w)=0°其模拟电路和阶跃响应，分别如图1.1.2，实验参数取R 0＝100k ，R 1＝200k ，R=10k 。
2．积分(I)环节的模拟电路 积分环节的传递函数为：Tss U s U i O 1)()(=其模拟电路，如图1.2.2所示，实验参数取R 0＝100k ，C ＝1uF ，R=10k 。
自动控制原理3第三节典型环节的频率特性
左图是不同阻尼系数情况下的 对数幅频特性和对数相频特性 图。上图是不同阻尼系数情况 下的对数幅频特性实际曲线与 渐近线之间的误差曲线。
1 2T 1 T 2 T 5 T 10 T
1 5T
Saturday, November 05, 2016
15
微分环节的频率特性
⒌ 微分环节的频率特性： 微分环节有三种：纯微分、一阶微分和二阶微分。传递函 数分别为： G( s) s
05, 2016
12
振荡环节的波德图
2 T ( ) tg 相频特性： 1 T 2 2
1
几个特征点： 0, ( ) 0;
1 , ( ) ; , ( ) 。 T 2
由图可见：
K 10, T 1, 0.3 10 G ( j ) 2 s 0.6s 1 1 o T
1
幅频特性为： 相频特性为：
A( )
(1 T 2 2 )2 (2T )2 2 T ( ) tg 1 1 T 2 2
L( ) 20 log A( ) 20 log (1 T 2 2 ) 2 (2 T ) 2 对数幅频特性为：
低频段渐近线： T 1时，L( ) 0 高频段渐近线： T 1时， L( ) 20 log (T 2 2 ) 2 40 log T 1 两渐进线的交点 o 称为转折频率。斜率为-40dB/Dec。 T Saturday, November
1 2
T
时，无谐振峰值。当
M p A( p )
1 2
1 0.707时， p 0 。 2
时，有谐振峰值。
1 2 1 2
1 当 0 ， A(0 ) ， 。 L ( ) 20 lg 2 0 2
南京理工大学控制工程基础实验报告
《控制工程基础》实验报告姓名欧宇涵 914000720206周竹青 914000720215 学院教育实验学院指导老师蔡晨晓南京理工大学自动化学院2017年1月实验1：典型环节的模拟研究一、实验目的与要求：1、学习构建典型环节的模拟电路；2、研究阻、容参数对典型环节阶跃响应的影响；3、学习典型环节阶跃响应的测量方法，并计算其典型环节的传递函数。
二、实验内容：完成比例环节、积分环节、比例积分环节、惯性环节的电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃响应特性的影响。
三、实验步骤与方法（1）比例环节图1-1 比例环节模拟电路图比例环节的传递函数为：K s U s U i O =)()(，其中12R RK =，参数取R 2=200K ，R 1=100K 。
步骤： 1、连接好实验台，按上图接好线。
2、调节阶跃信号幅值(用万用表测)，此处以1V 为例。
调节完成后恢复初始。
3、Ui 接阶跃信号、Uo 接IN 采集信号。
4、打开上端软件，设置采集速率为“1800uS”，取消“自动采集”选项。
5、点击上端软件“开始”按键，随后向上拨动阶跃信号开关，采集数据如下图。
图1-2 比例环节阶跃响应（2）积分环节图1-3 积分环节模拟电路图积分环节的传递函数为：ST V V I I O 1-=，其中T I =RC ，参数取R=100K ，C=0.1µf 。
步骤：同比例环节，采集数据如下图。
图1-4 积分环节阶跃响应（3）微分环节图1-5 微分环节模拟电路图200KRV IVoC2CR 1V IVo200K微分环节的传递函数为：K S T S T V V D D I O +-=1，其中 T D =R 1C 、K=12R R。
参数取：R 1=100K ，R 2=200K ，C=1µf 。
步骤：同比例环节，采集数据如下图。
图1-6 微分环节阶跃响应（４）惯性环节图1-7 惯性环节模拟电路图惯性环节的传递函数为：1+-=TS K V V I O ，其中2T R C =,21RK R =-。
典型环节和系统频率特性的测量
实验报告课程名称：_________控制理论（甲）实验_______指导老师：_____ ____成绩：__________________ 实验名称：___典型环节和系统频率特性的测量___实验类型：________________同组学生姓名：__________ 一、实验目的 二、实验原理 三、实验接线图 四、实验设备 五、实验步骤 六、实验数据记录 七、实验数据分析 八、实验结果或结论一、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X m 、频率为ω的正弦信号，则系统的稳态输出为)sin()()sin(ϕωωϕω+=+=t j G Xm t Y y m由式①得出系统输出，输入信号的幅值比相位差)()(ωωj G Xmj G Xm Xm Ym == (幅频特性) )()(ωωφj G ∠= (相频特性) 式中)(ωj G 和)(ωφ都是输入信号ω的函数。
2．频率特性的测试方法 2.1 李沙育图形法测试 2.1.1幅频特性的测试 由于 mmm m X Y X Y j G 22)(==ω 改变输入信号的频率，即可测出相应的幅值比，并计算mm X YA L 22log 20)(log 20)(==ωω （dB ）其测试框图如下所示：图5-1 幅频特性的测试图(李沙育图形法)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5-2 相频特性的测试图(李沙育图形法)令系统（环节）的输入信号为：t X t X m ωsin )(= (5-1) 则其输出为 )sin()(φω+=t Y t Y m (5-2)对应的李沙育图形如图5-2所示。
若以t 为参变量，则)(t X 与)(t Y 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，0)0(=X 由式(5-2)得 )sin()0(φm Y Y = 于是有 mm Y Y Y Y 2)0(2sin )0(sin )(11--==ωφ (5-3) 同理可得mX X 2)0(2sin )(1-=ωφ (5-4) 其中：)0(2Y 为椭圆与Y 轴相交点间的长度； )0(2X 为椭圆与X 轴相交点间的长度。
自动控制原理实验指导
要求：电路图要画，其他波形图不用。
电阻电容参数要写实验一和三是2课时实验，实验二是4课时的。
可打印，但是要注意格式，后期结果要手写实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真研究一．实验目的1．通过实验熟悉并掌握实验装置和上位机软件的使用方法。
2．通过实验熟悉各种典型环节的传递函数及其特性，掌握电路模拟和软件仿真研究方法。
二．实验内容1．设计各种典型环节的模拟电路。
2．完成各种典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。
3．在上位机界面上，填入各个环节的实际（非理想）传递函数参数，完成典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。
三．实验线路及步骤1．比例(P)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 比例环节的传递函数为：K s U s U i O =)()( 其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.1.1、图1.1.2和图1.1.3所示，于是01R R K =，实验参数取R 0＝100k ，R 1＝200k ，R=10k 。
图1.1.2R 1P+u iR 0-++RR-+u ou o t图1.1.3t图1.1.1KU i sU o s2．积分(I)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 积分环节的传递函数为：Tss U s U i O 1)()(= 其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.2.1、图1.2.2和图1.2.3所示，于是C R T 0=，实验参数取R 0＝100k ，C ＝1uF ，R=10k 。
3．比例积分(PI)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 比例积分环节的传递函数为：TsK U U i O 1+=其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.3.1、图1.3.2和图1.3.3所示，于是1R R K =，C R T 0= 实验参数取R 0＝200k ，R 1＝200k ，C ＝1uF ，R=10k 。
图1.2.2C I+u iR 0-++RR-+u oTs 图1.2.11U i sU o s图1.2.3u o tt图1.3.3u o ttK Ts图1.3.11U o sU i s图1.3.2PI+u iR 0-R 1++CRR-+u o4．比例微分(PD)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 比例微分环节的传递函数为：)1(Ts K U U iO+= 其方块图和模拟电路分别如图1.4.1、图1.4.2所示。
自控理论实验实验指导书(LABVIEW)
目录一．自动控制理论实验指导1．概述 (1)2．实验一典型环节的电路模拟和软件仿真研究 (5)3．实验二典型系统动态性能和稳定性分三典型环节（或系统）的析 (12)4．实验频率特性测量 (16)5．实验四线性系统串联校正 (21)6．实验五典型非线性环节的静态特性 (26)7．实验六非线性系统相平面法 (31)8．实验七非线性系统描述函数法 (37)9．实验八极点配置全状态反馈控制 (42)10．实验九采样控制系统动态性能和稳定性分析的混合仿真研究 (49)11．实验十采样控制系统串联校正的混合仿真研究 (53)二．自动控制理论对象实验指导1．实验一直流电机转速控制实验 (57)2．实验二温度控制实验 (60)3．实验三水箱液位控制实验 (62)三．自动控制理论软件说明1．概述 (64)2．安装指南及系统要求 (67)3．功能使用说明 (69)4．使用实例 (79)概述一．实验系统功能特点1．系统可以按教学需要组合，满足“自动控制原理”课程初级和高级实验的需要。
只配备ACT-I实验箱，则实验时另需配备示波器，且只能完成部分基本实验。
要完成和软件仿真、混合仿真有关的实验必须配备上位机（包含相应软件）及USB2.0通讯线。
2．ACT-I实验箱内含有实验必要的电源、信号发生器以及非线性和高阶电模拟单元，可根据教学实验需要进行灵活组合，构成各种典型环节和系统。
此外，ACT-I实验箱内还可含有数据处理单元，用于数据采集、输出以及和上位机的通讯。
3．配备PC微机作操作台时，将高效率支持“自动控制原理”的教学实验。
系统提供界面友好、功能丰富的上位机软件。
PC微机在实验中，除了满足软件仿真需要外，又可成为测试所需的虚拟仪器、测试信号发生器以及具有很强柔性的数字控制器。
4．系统的硬件、软件设计，充分考虑了开放型、研究型实验的需要。
除了指导书所提供的10个实验外，还可自行设计实验。
二．系统构成实验系统由上位PC微机（含实验系统上位机软件）、ACT-I实验箱、USB2.0通讯线等组成。
新版自动控制理论实验课程教学大纲.答案
《自动控制理论》实验教学大纲课程名称：自动控制理论课程性质：非独立设课使用教材：自编课程编号：面向专业：自动化课程学分：考核方法：成绩是考核学习效果的重要手段，实验成绩按学生的实验态度，独立动手能力和实验报告综合评定，以20%的比例计入本门课程的总成绩。
实验课总成绩由平时成绩（20%）、实验理论考试成绩（40%）、实验操作考试成绩（40%）三部分组成，满分为100分。
实验理论考试内容包含实验原理、实验操作方法、实验现象解析、实验结果评价、实验方案设计等。
考试题型以填空、判断、选择、问答为主，同时可结合课程特点设计其他题型。
实验操作考试根据课程特点设计若干个考试内容，由学生抽签定题。
平时成绩考核满分为20分，平时成绩= 平时各次实验得分总和÷实验次数（≤20分）。
每次实验得分计算办法为：实验报告满分10分（其中未交实验报告或不合格者0分，合格6分，良好8分，优秀10分）；实验操作满分10分（其中旷课或不合格者0分，合格6分，良好8分，优秀10分）。
撰写人：任鸟飞审核人：胡皓课程简介：自动控制理论是电气工程及其自动化专业最主要的专业基础必修课。
通过本课程的各个教学环节的实践，要求学生能熟练利用模拟电路搭建需要的控制系统、熟练使用虚拟示波器测试系统的各项性能指标，并能根据性能指标的变化分析参数对系统的影响。
实验过程中要求学生熟悉自动控制理论中相关的知识点，可以在教师预设的实验前提下自己设计实验方案，完成实验任务。
教学大纲要求总学时80，其中理论教学68学时、实验12学时，实验个数6个。
9采样控制系统的分析√4选做10采样控制系统的动态校正√4选做合计实验一典型环节的电路模拟一、实验类型：综合性实验二、实验目的：1.熟悉THBCC-1型实验平台及“THBCC-1”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。
三、实验内容与要求：1.设计并组建各典型环节的模拟电路；2.测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响；3.画出各典型环节的实验电路图，并注明参数。
《自动控制原理》实验指导书
目录实验一典型环节的电路模拟 (1)实验二典型二阶系统动态性能和稳定性分析 (3)实验三典型环节（或系统）的频率特性测量 (5)实验四线性系统串联校正 (7)实验五MATLAB控制系统数学模型仿真 (11)实验六SIMULINK环境下典型环节阶跃响应仿真及分析 (14)附录1 ACT-I控制理论实验箱说明 (16)附录2 实验一模拟电路参考及分析 (18)附录3 实验三参考电路及分析 (22)实验一典型环节的电路模拟(设计性)一．实验目的1．通过实验熟悉并掌握实验装置和上位机软件的使用方法。
2．通过实验熟悉各种典型环节的传递函数及其特性，掌握电路模拟和软件仿真研究方法。
二．实验内容1．设计各种典型环节的模拟电路。
2．完成各种典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。
3．在上位机界面上，填入各个环节的实际（非理想）传递函数参数，完成典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。
三．实验步骤1．熟悉实验箱，利用实验箱上的模拟电路单元，参考本实验附录设计并连接各种典型环节（包括比例、积分、比例积分、比例微分、比例积分微分以及惯性环节）的模拟电路。
注意实验接线前必须先将实验箱上电，以对运放仔细调零。
然后断电，再接线。
接线时要注意不同环节、不同测试信号对运放锁零的要求。
在输入阶跃信号时，除比例环节运放可不锁零（G可接-15V）也可锁零外，其余环节都需要考虑运放锁零。
2．利用实验设备完成各典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。
无上位机时，利用实验箱上的信号源单元U2所输出的周期阶跃信号作为环节输入，即连接箱上U2的“阶跃”与环节的输入端（例如对比例环节即图1.1.2的Ui），同时连接U2的“锁零（G）”与运放的锁零G。
然后用示波器观测该环节的输入与输出（例如对比例环节即测试图1.1.2的Ui和Uo）。
注意调节U2的周期阶跃信号的“频率”电位器RP5与“幅值”电位器RP2，以保证观测到完整的阶跃响应过程。
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典型环节（或系统）的频率特性测量
一·实验目的
1．学习和掌握测量典型环节（或系统）频率特性曲线的方法和技能。
2．学习根据实验所得频率特性曲线求取传递函数的方法。
二·实验要求
1．用实验方法完成一阶惯性环节的频率特性曲线测试。
2．用实验方法完成典型二阶系统开环频率特性曲线的测试。
3．根据测得的频率特性曲线求取各自的传递函数。
4．用软件仿真方法求取一阶惯性环节频率特性和典型二阶系统开环频率特性，并与实验所得结果比较。
三·实验原理
掌握改变正弦波信号幅值和频率的方法。
利用实验箱上的模拟电路单元，参考本实验附录设计并连接“一阶惯性环节”模拟电路（如用U9+U8连成）或“两个一阶惯性环节串联”的模拟电路（如用U9+U11连成）。
四·实验所用仪器
PC微机（含实验系统上位机软件）、ACT-I实验箱、USB2.0通讯线
五·实验步骤和方法
1．用实验方法完成一阶惯性环节的频率特性曲线测试。
2．用实验方法完成典型二阶系统开环频率特性曲线的测试。
3．根据测得的频率特性曲线求取各自的传递函数。
4．用软件仿真方法求取一阶惯性环节频率特性和典型二阶系统开环频率特性，并与实验所得结果比较。
具体步骤：
1．熟悉实验箱上的信号源，掌握改变正弦波信号幅值和频率的方法。
利用实验箱上的模拟电路单元，参考本实验附录设计并连接“一阶惯性环节”模拟电路（如用U9+U8连成）或“两个一阶惯性环节串联”的模拟电路（如用U9+U11连成）。
2．利用实验设备完成一阶惯性环节的频率特性曲线测试。
无上位机时，利用实验箱上的信号源单元U2所输出的正弦波信号作为环节输入，即连接箱上U2的“正弦波”与环节的输入端（例如对一阶惯性环节即图1.5.2的Ui）。
然后用示波器观测该环节的输入与输出（例如对一阶惯性环节即测试图1.5.2的Ui和Uo）。
注意调节U2的正弦波信号的“频率”电位器RP5与“幅值”电位器RP6，测取不同频率时环节输出的增益和相移（测相移可用“李沙育”图形），从而画出环节的频率特性。
有上位机时，必须在熟悉上位机界面操作的基础上，充分利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能。
为了利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能，接线方式将不同于上述无上位机情况。
仍以一阶惯性环节为例，此时将Ui连到实验箱 U3单元的O1或O2（D/A通道的输出端,这个是通过上位机选择其中的一路输出），将Uo连到实验箱 U3单元的I1（A/D通道的输入端），然后再将你选择的D/A输出通道测试信号O1(如果选择的是O1)连接到这组A/D输入的另一采集输入端I2，然后连接设备与上位机的USB通信线。
接线完成，
经检查无误，再给实验箱上电后，启动上位机程序，进入主界面。
界面上的操作步骤如下：
①选择任一D/A 输出通道，如“O1”，将其作为环节输入，接到环节输入Ui 端,再将其作为原始测试信号接到A/D 输入的I2（便于观看虚拟示波器发出的原始信号），将环节的输出端Uo 接到A/D 输入通道I1。
②完成上面的硬件接线后，检查USB 连线和实验箱电源，然后打开LabVIEW 软件上位机界面程序。
③进入实验界面后，先对频率特性的测试信号进行设置：“幅值”为5（可以根据实验结果波形来调整），“测试信号”为正弦波。
④完成实验设置，先点击LabVIEW 运行按钮“RUN ”运行界面程序，按照上面的步骤③设置好信号后，点击“下载数据”按钮，将设置的测试信号发送到数据采集系统。
然后点击实验界面右下角的“Start ”按钮来启动频率特性测试。
测试程序将会从低频率计算到高频，界面右下角有个测试进度条，它将显示测试的进度。
最后测试出来频率特性的Bode Plot 、Nyquist Plot 将在相应的图形控件中显示出来,在同一界面中我们可以同时看到频率特性的两种显示模式:一种是伯德图“Bode Plot ”，它包括幅频特性和相频特性；另一种模式就是乃奎斯特图“Nyquist Plot ”，又称极坐标图。
⑤按实验报告需要，将图形结果保存为位图文件，操作方法参阅软件使用说明书 3．利用实验设备完成典型二阶系统开环频率特性曲线的测试。
具体操作方法参阅步骤2。
4．参考附录的提示，根据测得的频率特性曲线（或数据）求取各自的传递函数。
6
附录：
1对于取s =(ωj G C ＝0.1uF 2线：
)(s G (j G
3.2.1r K =k r ω)(其中故有 k
k k tg r r T φωωξ2
1
1)()0(2+=
（3—3）
如已测得二阶环节的幅相频率特性，则(0)r 、k ω、k φ和()k r ω均可从实验曲线得到，于是可按式（3—1）、（3—2）和（3—3）计算K 、T 、ξ，并可根据计算所得T 、ξ 求取T 1和T 2
1(2
1-+=ξξT T 1(22--=ξξT T
实验用典型二阶系统开环传递函数为:
1
3.002.01
)11.0)(12.0(1)()(2++=++=
s s s s s H s G
其电路设计参阅图3.2.2。
3．对数幅频特性和对数相频特性
图3.2.2
上述幅相频率特性也可表达为对数幅频特性和对数相频特性，图3.3.1和图3.3.2分别给出上述一阶惯性环节和二阶环节的对数幅频特性和对数相频特性：
注意：此时横轴 采用了以10为底的对数坐标，纵轴则分别以分贝和度为单位。
六·实验注意事项
在实验过程中，要听从老师的指导，严格按照实验步骤进行，不能任意更改，不熟悉的仪器设备，应先请老师知道后使用，切勿随意乱动。
实验室如有问题发生，应首先用自己学过的知识，独立思考加以解决，努力培养独立分析问题和解决问题的能力，如自己不能解决可与指导老师共同讨论研究，提出解决问题的方法。
七·实验预习要求
每次实验前必须详细预习实验讲义，明了实验目的、原理方法及操作步骤，并在记录本上拟出简单的实验原理、使用方法及操作室的注意事项。
八·实验报告要求
实验进行时，必须随时把观察到的现象和实验数据，如实地记录在实验报告上，不得记在散页纸上，要养成良好的做原始记录的习惯。