自动控制原理实验-控制系统频率特性的测试..

实验四控制系统频率特性的测试1、实验目的认识线性定常系统的频率特性，掌握用频率特性法测试被控过程模型的原理和方法，根据开环系统的对数频率特性，确定系统组成环节的参数。2、实验装置（1）PC586微型计算机。（2）自动控制实验教学系统软件。3、实验步骤及数据处理（1）首先确定被测对象模型的传递函数G（S），根据具体情况，先自拟三阶系统的传递函数，)12)(1()(22221sTsTsTKsG，设置好参数KTT,,,21。要求：1T和2T之间相差10倍左右，1T2T或2T1T均可，数值可在0.01秒和10秒之间选择，取0.5左右，K10。设置T1=0.1，T2=1，=0.5，K=5。（3）设置好各项参数后，开始作仿真分析，首先作幅频特性测试。①根据所设置的1T，2T的大小，确定出所需频率范围（低端低于转折频率小者10倍左右，高端高于转折频率高者10倍左右）。所需频率范围是：0.1rad/s到100rad/s。②参考实验模型窗口图，设置输入信号模块正弦信号的参数，首先设置正弦信号幅度Amplitude,例如设置Amplitude=1，然后设置正弦频率Frequency，单位为rads/sec。再设置好X偏移模块的参数，调节Y示波器上Y轴增益，使在所取信号幅度下，使图象达到满刻度。③利用Y示波器上的刻度（最好用XY示波器上的刻度更清楚地观察），测试输入信号的幅值（用2mX表示），也可以参考输入模块中设置的幅度，记录于表7--2中。此后，应不再改变输入信号的幅度。④依次改变输入信号的频率（按所得频率范围由低到高即由小到大慢慢改变，特别是在转折频率处更应多测试几点，注意：每次改变频率后要重新启动Simulation|Start选项，观察“李沙育图形”读出数据），利用Y示波器上的刻度（也可以用XY示波器上的刻度更清楚地观察，把示波器窗口最大化，此时格数增多更加便于观察），测试输出信号的幅值（用2mY表示），并记录于表7--2（本表格不够，可以增加）。注意：在转折频率，特别是11T和21T附近应多测几点。由题意知传递函数的两个转折频率为1rad/s和10rad/s,所以选取的频率为0.5rad/s、0.7rad/s、0.98rad/s、0.99rad/s、1rad/s、1.2rad/s、4rad/s、7rad/s、9rad/s、9.8rad/s、9.9rad/s、10rad/s、10.1rad/s、10.2rad/s、14rad/s、20rad/s、40rad/s、80rad/s、100rad/s以下是在不同频率下李沙育图及幅频特性和相频特性的分析情况(1)当ω=0.5rad/s时，2Xm=22Ym=25.515XmYm22lg20=14.832y0=23.3ψ=2Ym02sin1y=36.75°绕行方向：逆时针如下图图一(2)当ω=0.7rad/s时，2Xm=22Ym=25.727XmYm22lg20=15.162y0=24.879ψ=2Ym02sin1y=58.42°绕行方向：逆时针如下图图二(3)当ω=0.98rad/s时，2Xm=22Ym=25.178XmYm22lg20=14.282y0=25.067ψ=2Ym02sin1y=78.11°绕行方向：逆时针如下图图三(4)当ω=0.99rad/s时，2Xm=22Ym=24.428XmYm22lg20=12.922y0=24.226ψ=2Ym02sin1y=72.627°绕行方向：逆时针如下图图四(5)当ω=1rad/s时，2Xm=22Ym=24.983XmYm22lg20=13.952y0=24.933ψ=180-2Ym02sin1y=98.13°绕行方向：逆时针如下图图五(6)当ω=1.2rad/s时，2Xm=22Ym=23.872XmYm22lg20=11.7592y0=23.434ψ=180-2Ym02sin1y=117.52°绕行方向：逆时针如下图图六(7)当ω=4rad/s时，2Xm=22Ym=20.298XmYm22lg20=-10.522y0=20.03535ψ=180-2Ym02sin1y=173.19°绕行方向：顺时针如下图图七(8)当ω=7rad/s时，2Xm=22Ym=20.0845XmYm22lg20=-21.462y0=20.0377ψ=180-2Ym02sin1y=153.5°绕行方向：顺时针如下图图八(9)当ω=9rad/s时，2Xm=22Ym=20.046XmYm22lg20=-26.742y0=20.0268ψ=180-2Ym02sin1y=144.37°绕行方向：顺时针如下图图九(10)当ω=9.8rad/s时，2Xm=22Ym=20.0373XmYm22lg20=-28.572y0=20.0233ψ=180-2Ym02sin1y=141.34°绕行方向：顺时针如下图图十(11)当ω=9.9rad/s时，2Xm=22Ym=20.0365XmYm22lg20=-28.752y0=20.02263ψ=180-2Ym02sin1y=141.68°绕行方向：顺时针如下图图十一(12)当ω=10rad/s时，2Xm=22Ym=20.03556XmYm22lg20=-28.982y0=20.02236ψ=180-2Ym02sin1y=141.04°绕行方向：顺时针如下图图十二(13)当ω=10.1rad/s时，2Xm=22Ym=20.03461XmYm22lg20=-29.212y0=20.02182ψ=180-2Ym02sin1y=140.92°绕行方向：顺时针如下图图十三(14)当ω=10.2rad/s时，2Xm=22Ym=20.03394XmYm22lg20=-29.392y0=20.02141ψ=180-2Ym02sin1y=140.89°绕行方向：顺时针如下图图十四(15)当ω=14rad/s时，2Xm=22Ym=20.01488XmYm22lg20=-36.552y0=20.01145ψ=180-2Ym02sin1y=129.69°绕行方向：顺时针如下图图十五(16)当ω=20rad/s时，2Xm=22Ym=20.005596XmYm22lg20=-45.042y0=20.004869ψ=180-2Ym02sin1y=119.09°绕行方向：顺时针如下图图十六(17)当ω=40rad/s时，2Xm=22Ym=20.00076XmYm22lg20=-62.382y0=20.00073ψ=180-2Ym02sin1y=106.16°绕行方向：顺时针如下图图十七(18)当ω=80rad/s时，2Xm=22Ym=20.000143XmYm22lg20=-76.892y0=20.000142ψ=180-2Ym02sin1y=96.78°绕行方向：顺时针如下图图十八(19)当ω=100rad/s时，2Xm=22Ym=20.00004916XmYm22lg20=-86.172y0=20.000043ψ=180-2Ym02sin1y=118.99°绕行方向：顺时针如下图图十九由实验模型即：由)12)(1()(22221sTsTsTKsG实验设置模型根据理论计算结果，绘制出Bode图。10-1100101102-150-100-500Frequency(rad/sec)GaindB10-1100101102-90-180-2700Frequency(rad/sec)Phasedeg图二十4、思考题（1）是否可以用“李沙育图形”同时测量幅频特性和相频特性？答：可以，因为能在“李沙育图形”中同时读出2Xm、2Ym、2y0并可以计算出XmYm22lg20和ψ，从而得到幅频特性和相频特性。（2）讨论用“李沙育图形”法测试频率特性的精度，即误差分析（说明误差的主要来源）。答：mmYyYy22sin)0(sin011，仅当00900时，上式才是成立的，所以在其他频率范围时只能用来近似，而且读数时也有人为误差。（3）对用频率特性测试系统数学模型方法的评价。答：频率特性可以用于稳定系统也可以用于不稳定系统。频率特性也是系统数学模型的一种，可用多种形式的曲线表示，因此系统分析和控制器设计可以应用图解法进行。频率特性的物理意义明确，不仅适用于线性定常系统，还可推广至某些非线性控制系统。5、实验总结（1）通过本次实验认识了线性定常系统的频率特性，掌握了用频率特性法测试被控过程模型的原理和方法，根据开环系统的对数频率特性，确定了系统组成环节的参数。（2）进一步了解了频率特性的用途，频率特性可以用于稳定系统也可以用于不稳定系统。频率特性也是系统数学模型的一种，可用多种形式的曲线表示，因此系统分析和控制器设计可以应用图解法进行。频率特性的物理意义明确，不仅适用于线性定常系统，还可推广至某些非线性控制系统。