陈sir-实验五 典型环节和系统频率特性的测量
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 。
实验五 典型环节和系统频率特性的测量
实验五 典型环节和系统频率特性的测量一、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、实验设备同实验一。
三、实验内容1. 惯性环节的频率特性测试；2. 二阶系统频率特性测试；3. 无源滞后—超前校正网络的频率特性测试；4. 由实验测得的频率特性曲线，求取相应的传递函数；5. 用软件仿真的方法，求取惯性环节和二阶系统的频率特性。
四、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Xm 、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 mmX Y A 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 幅频特性的测试图(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。
系统频率特性地测试
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)()(ωωio 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⨯∆=ΦTt 。
Multisim和MATLAB联合仿真在《自控原理》课程教学中的运用
引言《自动控制原理》是自动化学科各专业共同的重要专业基础课程，也是信息、机电类各专业的主要专业基础课程，该课程涉及到控制系统的模型建立，系统分析，系统设计的基本理论和相关技术，其特点是概念抽象、数学含量大、计算繁杂，导致学生难以理解。
ＭＡＴＬＡＢ在控制系统仿真方面有着广泛的用途，国内外很多高校在讲解自控原理的时候都采用它来做辅助教学，帮助学生理解抽象的理论，但是ＭＡＴＬＡＢ的仿真都是建立在抽象的数学模型基础上，对于刚刚接触自控理论的学生来说不直观。
通常实验室都会采用一些硬件电路来模拟控制系统中的各个环节来帮Ｍｕｌｔｉｓｉｍ和ＭＡＴＬＡＢ联合仿真在《自控原理》课程教学中的运用李兴山 平顶山市工业学校 机电部 ４６７０００助学生理解自控理论，但在实际的操作中，我们发现学生在开始进行实验的时候，对控制系统的模型不了解，面对着复杂的硬件电路，往往不知所措，对于调节控制系统的参数，常常感觉不知如何着手，胡乱地调节电位器、电容等，很容易造成硬件电路的损坏，如果在进行硬件电路实验之前，提供一个软件模拟环境，把控制系统的模型和构成这些模型的硬件电路清晰地展现在学生眼前，将会大大减少他们在自动控制实验中存在的盲目性，而且能让学生了解实验中所应该注意的问题，包括所需调节的参数、电位器的选择、回馈控制的极点配置方法等，从而使学生既可以对所学的内容有较深入的了解，又可避免损坏硬件电路。
１、基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ和ＭＡＴＬＡＢ的联合仿真平台１．１基本思想自动控制原理是较为成熟的经典控制理论，其对控制系统常用的分析方法有时域法、根轨迹法、频域法等，各种方法综合的本质是一种“分析＋图解”的方法。
首先可以设计一些典型环节的模拟电路，让学生将它们绘制在电路仿真环境中，学生可以自由改变各个部分的参数，通过观察各个节点的波形来观察结果，之后让学生从这些电路中找出各个环节的传递函数，绘制在控制系统的仿真环境中，观察控制系统的输出，让他们和电路仿真的结果进行对比，找出差异，分析原因。
频率特性实验报告
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。
频率特性法实验报告
一、实验目的1. 了解频率特性法的基本原理和测试方法。
2. 掌握用频率特性法分析系统性能的方法。
3. 熟悉实验仪器和实验步骤。
二、实验原理频率特性法是控制系统分析和设计的重要方法之一。
它通过研究系统在正弦信号作用下的稳态响应，来分析系统的动态性能和稳态性能。
频率特性主要包括幅频特性和相频特性，它们分别反映了系统在正弦信号作用下的幅值和相位变化规律。
三、实验仪器与设备1. 微型计算机2. 自动控制实验教学系统软件3. 超低频信号发生器4. 示波器5. 信号调理器6. 被测系统（如二阶系统、三阶系统等）四、实验内容与步骤1. 实验内容（1）测量被测系统的幅频特性（2）测量被测系统的相频特性（3）绘制幅频特性曲线和相频特性曲线（4）分析系统性能2. 实验步骤（1）连接实验电路，确保各设备正常工作。
（2）使用超低频信号发生器产生正弦信号，频率范围可根据被测系统特性选择。
（3）将信号发生器的输出信号送入被测系统，同时将信号发生器和被测系统的输出信号送入示波器。
（4）调整信号发生器的频率，记录不同频率下被测系统的输出幅值和相位。
（5）将实验数据输入计算机，利用自动控制实验教学系统软件进行数据处理和绘图。
（6）分析系统性能，包括系统稳定性、动态性能和稳态性能。
五、实验结果与分析1. 幅频特性曲线根据实验数据，绘制被测系统的幅频特性曲线。
从曲线中可以看出，随着频率的增加，系统的幅值逐渐减小，并在一定频率范围内出现峰值。
峰值频率对应系统的谐振频率，峰值幅度对应系统的谐振增益。
2. 相频特性曲线根据实验数据，绘制被测系统的相频特性曲线。
从曲线中可以看出，随着频率的增加，系统的相位逐渐变化，并在一定频率范围内出现相位滞后或相位超前。
3. 系统性能分析根据幅频特性和相频特性曲线，可以分析被测系统的性能。
（1）稳定性分析：通过分析相频特性曲线，可以判断系统是否稳定。
如果系统在所有频率范围内都满足相位裕度和幅值裕度要求，则系统稳定。
系统频率测试实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 了解系统频率特性的基本概念和测试方法。
2. 掌握使用示波器、频谱分析仪等设备进行系统频率测试的操作技巧。
3. 分析测试结果，确定系统的主要频率成分和频率响应特性。
二、实验原理系统频率特性是指系统对正弦输入信号的响应，通常用幅频特性（A(f)）和相频特性（φ(f)）来描述。
幅频特性表示系统输出信号幅度与输入信号幅度之比，相频特性表示系统输出信号相位与输入信号相位之差。
频率测试实验通常包括以下步骤：1. 使用正弦信号发生器产生正弦输入信号；2. 将输入信号输入被测系统，并测量输出信号；3. 使用示波器或频谱分析仪观察和分析输出信号的频率特性。
三、实验设备1. 正弦信号发生器2. 示波器3. 频谱分析仪4. 被测系统（如放大器、滤波器等）5. 连接线四、实验步骤1. 准备实验设备，将正弦信号发生器输出端与被测系统输入端相连；2. 打开正弦信号发生器，设置合适的频率和幅度；3. 使用示波器观察输入信号和输出信号的波形，确保信号正常传输；4. 使用频谱分析仪分析输出信号的频率特性，记录幅频特性和相频特性；5. 改变输入信号的频率，重复步骤4，得到一系列频率特性曲线；6. 分析频率特性曲线，确定系统的主要频率成分和频率响应特性。
五、实验结果与分析1. 幅频特性曲线：观察幅频特性曲线，可以发现系统存在一定频率范围内的增益峰值和谷值。
这些峰值和谷值可能对应系统中的谐振频率或截止频率。
通过分析峰值和谷值的位置，可以了解系统的带宽和选择性。
2. 相频特性曲线：观察相频特性曲线，可以发现系统在不同频率下存在相位滞后或超前。
相位滞后表示系统对输入信号的相位延迟，相位超前表示系统对输入信号的相位提前。
通过分析相位特性，可以了解系统的相位稳定性。
六、实验总结1. 通过本次实验，我们掌握了系统频率特性的基本概念和测试方法。
2. 使用示波器和频谱分析仪等设备，我们成功地分析了被测系统的频率特性。
3. 通过分析频率特性曲线，我们了解了系统的主要频率成分和频率响应特性。
自控理论实验指导书
自动控制理论实验指导书湖南文理学院电气工程系自动控制理论实验指导书前言自动控制理论是一门理论性和实验性均很强的专业基础课。
加强本课程的实验环节，有助于加深对理论知识的理解、培养实际动手能力、以及分析问题和解决问题的能力。
本指导书安排如下几项实验：实验一：典型环节的模拟研究实验二：典型瞬态响应和稳定性实验三：频率特性的测试实验四：系统校正实验五：线性系统的能控性与能观性研究实验须知一、预习实验者应事先预习，以免因准备不充分而影响实验的顺利进行。
预习内容一般包括：1.本次实验所用设备、仪器的使用方法。
2.实验指导书中与本次实验有关的章节。
3.与本次实验有关的原理、计算方法及操作要领。
二、实验要求1.遵守实验室纪律，注意人身、设备安全。
2.照图接线，经教师检查后通电。
3.认真观察，记录实验现象和数据。
4.发生事故，及时断电并报告。
5.实验结束后，将数据、曲线交指导教师检查并同意后方可拆线。
6.照原样整理好实验仪器和设备。
三、有关操作事项1.“复原”键：进行再次运算前，按复原键，使每个积分器的反馈回路中电容通过按键的a、b接点短接，以消除电容器上的残余电荷。
2.“测量选择”拨码盘及电压表：在操作时，面板右方的电压表上所示的电压值为拨码盘数码所选定的运算放大器的输出电压，当拨码盘为0时，电压表的（+）端（既“测量”插座）的“测量”悬空，可用此测量端测量其他电压值。
3.电压量程：双向指针的直接电压表85CL±15V，按“检零”按钮时，电压表量程为±1.5V，用来测量各运算放大器在调零时是否为零。
正常情况下电压表量程为±15V。
实验一典型环节的模拟研究一、实验目的1、了解并掌握XM--1型系统模拟实验仪的使用方法，掌握典型环节模拟电路的构成方法，培养学生实验技能。
2、熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。
3、了解参数变化对典型环节动态特性的影响。
二、实验要求1、观测各种典型环节的阶跃响应曲线。
系统频率特性的测试实验报告
东南大学自动化学院课程名称：自动控制原理实验实验名称：系统频率特性的测试姓名：学号：专业：实验室：实验时间：2013年11月22日同组人员：评定成绩：审阅教师：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)()(ωωio 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⨯∆=ΦTt 。
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。
自动控制原理实验：典型环节及其阶跃响应,二阶系统阶跃响应,统频率特性测量
自动控制原理实验：典型环节及其阶跃响应,二阶系统阶跃响应,统频率特性测量实验一、典型环节及其阶跃响应实验目的1、学习构成典型环节的模拟电路,了解电路参数对环节特性的影响。
2、学习典型环节阶跃响应的测量方法,并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。
实验内容构成下述典型环节的模拟电路,并测量其阶跃响应。
比例环节的模拟电路及其传递函数示图2-1。
G(S)=-R2/R1惯性环节的模拟电路及其传递函数示图2-2。
G(S)=-K/TS+1 K=R2/R1 ,T=R2*C 积分环节的模拟电路及其传递函数示图2-3。
G(S)=1/TS T=RC 微分环节的模拟电路及其传递函数示图2-4。
G(S)=-RCS 比例加微分环节的模拟电路及其传递函数示图2-5。
G(S)=-K(TS+1) K=R2/R1 T=R2C 比例加积分环节的模拟电路及其传递函数示图2-6。
G(S)=K(1+1/TS) K=R2/R1,T=R2C软件使用1、打开实验课题菜单,选中实验课题。
2、在课题参数窗口中,填写相应AD,DA或其它参数。
3、选确认键执行实验操作,选取消键重新设置参数。
实验步骤1、连接被测量典型环节的模拟电路及D/A、A/D连接,检查无误后接通电源。
2、启动应用程序,设置T和N。
参考值,T=0.05秒,N=200。
3、观测计算机屏幕示出的响应曲线及数据记录波形及数据(由实验报告确定)。
实验报告1、画出惯性环节、积分环节、比例加微分环节的模拟电路图,用坐标纸画出所有记录的惯性环节、积分环节、比例加微分环节的响应曲线。
2、由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数,并与由电路计算的结果相比较。
实验二二阶系统阶跃响应一、实验目的1、研究二阶系统的特征参数,阻尼比ζ 和无阻尼自然频ωn 对系统动态性能的影响,定量分析ζ和ωn与最大超调量Mp和调节时间 ts 之间的关系。
2、进一步学习实验仪器的使用方法。
3、学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。
自动控制原理实验报告 (频率特性测试)
自动控制原理实验报告（三）
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3-2-1，观测被测系统的幅频特性和相频特性，填入实验报告。
本实验将正弦波发生器（B4）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3-2-1 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。
（2）构造模拟电路。
三．实验记录：
ω
ω=1
ω=1.6
ω=3.2
ω=4.5
ω=6.4
ω=8
ω=9.6
ω=16
实验分析：
实验中，一阶惯性环节的幅频特性)(ωL ，相频特性)(ωϕ随着输入频率的变化而变化。
惯性环节的时间常数T 是表征响应特性的唯一参数，系统时间常数越小，输出相应上升的越快，同时系统的调节时间越小。
典型环节(或系统)的频率特性测量
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。
自动控制原理实验指导书
目录第一部分使用说明书 (1)第一章系统概述 (1)第二章硬件的组成及使用 (2)第二部分实验指导书 (5)第一章控制理论实验 (5)实验一典型环节的电路模拟 (5)实验二二阶系统的瞬态响应 (11)实验三高阶系统的瞬态响应和稳定性分析 (14)实验五典型环节和系统频率特性的测量 (16)实验七典型非线性环节的静态特性 (21)实验十三采样控制系统的分析 (26)附录上位机软件使用流程 (29)第一部分使用说明书第一章系统概述“THKKL-6”型控制理论及计算机控制技术实验箱是我公司结合教学和实践的需要而进行精心设计的实验系统。
适用于高校的控制原理、计算机控制技术等课程的实验教学。
该实验箱具有实验功能全、资源丰富、使用灵活、接线可靠、操作快捷、维护简单等优点。
实验箱的硬件部分主要由直流稳压电源、低频信号发生器、阶跃信号发生器、交/直流数字电压表、电阻测量单元、示波器接口、CPU（51单片机）模块、单片机接口、步进电机单元、直流电机单元、温度控制单元、通用单元电路、电位器组等单元组成。
数据采集部分采用USB2.0接口，它可直接插在IBM-PC/AT 或与之兼容的计算机USB通讯口上，有4路单端A/D模拟量输入，转换精度为12位；2路D/A模拟量输出，转换精度为12位；上位机软件则集中了虚拟示波器、信号发生器、Bode图等多种功能于一体。
在实验设计上，控制理论既有模拟部分的实验，又有离散部分实验；既有经典控制理论实验，又有现代控制理论实验；计算机控制系统除了常规的实验外，还增加了当前工业上应用广泛、效果卓著的模糊控制、神经元控制、二次型最优控制等实验；第二章硬件的组成及使用一、直流稳压电源直流稳压电源主要用于给实验箱提供电源。
有+5V/0.5A、±15V/0.5A及+24V/2.0A四路，每路均有短路保护自恢复功能。
它们的开关分别由相关的钮子开关控制，并由相应发光二极管指示。
其中+24V主要用于温度控制单元。
实验五 控制系统的频率特性
实验五控制系统的频率特性
实验日期：必填实验项目：必填实验指导老师：孙歆钰（必填）
一、实验目的：
主要研究数学典型环节比例单元，积分单元，惯性单元串联而成的典型二阶系统。
二、实验内容
完成二阶系统频率特性的分析。
三、实验仪器
1.自动控制原理实验箱
2.示波器
3.数字万用表
四、实验原理
1.被测系统的方框图：
2.被测系统的模拟电路图见图：
五、实验步骤
（1）按模拟电路图连接电路。
（2）输入不同频率的正弦波，用示波器测量系统误差信号的幅值和相位，测量反馈信
号的幅值和相位，并记录测量结果，用示波器观察各环节的波形，避免系统进入
非线性状态。
（3）根据实验测的的数据，就算出对数频率特性，对比理论值和实测值。
六、实验结果
表5-1。
典型环节频率特性课件
二、典型环节频率特性的伯德图
伯德（Bode）图又称对数频率特性曲线，是将幅频特 性和相频特性分别绘制在两个不同的坐标平面上，前者叫 对数幅频特性，后者叫对数相频特性。
两个坐标平面横轴（ω轴）用对数分度，对数幅频特 性的纵轴用线性分度，表示幅值的分贝数
L() 20lg G( j) (dB)
对数相频特性的纵轴也是线性分度，表示相角的度数
ω=1（弧度/秒）处穿过零分贝线 40 （ω轴），且以每增加十倍频降 20
20dB / dec
低20分贝的速度（-20dB/dec ）
0
0.01 0.1
1
变化的直线。
20
10
积分环节的相频特性是
度 （）
900
G( j) 900 是一条与ω无关，值为-900且平行于
00 0.01
0.1
1
10
900
20 lg 1 T 2 2
当 1 时，20lg G( j) 20lg 1 T 2 2 0(dB)
T
当 1 时，20lg G( j) 20lg 1 T 2 2 20lg T(dB)
T
用两条直线近似描述惯性环节的对数幅频特性，
两条直线在 1 处相交， 1 称为转折频率，由这两条直线 构成的折线称为对T 数幅频特性的T 渐近线。
() G( j（) 度）
L() dB
40
20
0
0.01 0.1
1
10 100
两个图形上下放置（幅
-20
频特性在上，相频特性
-40
在下），且将纵轴对齐，
便于求出同一频率的幅
( )
值和相角的大小，同时 90o
为求取系统相角裕度带
45o 0
频率特性的测量实验报告
频率特性的测量实验报告课程名称：控制理论⼄指导⽼师：成绩：实验名称：频率特性的测量实验类型：冋组学⽣姓名：⼀、实验⽬的和要求（必填）⼆、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作⽅法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、⼼得、实验⽬的和要求1掌握⽤李沙育图形法，测量各典型环节的频率特性；2 ?根据所测得的频率特性，作出伯德图，据此求得环节的传递函数。
、实验内容和原理1. 实验内容（1） R-C ⽹络的频率特性。
图 5-2为滞后--超前校正⽹络的接线图，分别测试其幅频特性和相频特性。
1（2）闭环频率特性的测试2. 实验原理对于稳定的线性定常系统或环节，当其输⼊端加⼊⼀正弦信号X （t ）⼆X m sin ?，t ，它的稳态输出是T---------110K1O-QIuFI RJCi1DKUrUc被测的⼆阶系统如图5-3所⽰，图5-4为它的模拟电路图。
取参考值 R 。
=51K , R i 接470K 的电位器，R^510K , 200K与输⼊信号同频率的正弦信号，但其幅值和相位随着输⼊信号频率统)的幅频特性和相频特性。
本实验采⽤李沙育图形法，图 5-1为测试的⽅框图在表(1)中列出了超前于滞后时相位的计算公式和光点的转向。
相⾓9前超丄J虽/计算公式in 1m)-1 zE盹z / 1 o) X SI :2 抄n m) &=si(2x⼀3k (2=s (2-V XJ光点转向针 fl ?针时慣针时逆逆表中2Y 。
为椭圆与Y 轴交点之间的长度，2X 0为椭圆与X 轴交点之间的距离， X m 和Y m 分别为X (t)和.的改变⽽改变。
输出信号为其中G(j 时) Y m X m：(,)=arg G (j ■.)G ( ^)和它们的相位差1控制理论电⼦模拟实验箱⼀台; 2 ?慢扫描⽰波器⼀台； 3. 任意函数信号发⽣器⼀台； 4. 万⽤表⼀只。
四、操作⽅法和实验步骤1?实验⼀(1) 根据连接图，将导线连接好(2)由于⽰波器的CH1已经与函数发⽣器的正极相连，所以接下来就要将 CH2接在串联电阻电容上，将函数发⽣器的正极接⼊总电路两端，并且⽰波器和函数发⽣器的⿊表笔连接在⼀起接地。
实验二系统的频率响应特性测试
一、实验目的:
1、掌握频率响应特性的测量方法； 2、研究典型网络的频率响应特性。
二、实验原理：
1、系统的频率响应特性是指系统在正弦信号激励下系统 的稳态响应随激励信号频率变化的情况。用矢量形式表示：
Y ( j) H ( j) X ( j) H ( j) H ( j) e j()
Vi(v) 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
f(Hz)
Vo(v)
φ (ω )
表二
３、双TRC带阻滤波器的频响特性的测量： 将实验板上的两输入端IN1与IN2短接，输出端OUT1与OUT2 短接；并将信号源的输出 (A)接实验板输入(IN1 )或 (IN2 )，滤波后的输出OUT1或OUT2接示波器的输入(B) 。 根据被测电路的参数及系统的幅频特性，将输入信号的频 率从低到高逐次改变二十 次以上(幅度保持Vipp=10v) ， 逐个测量输出信号的峰峰值大小(Vopp)及Φ (ω ) ，并将 测量数据填入表三：
。
() 2
T
当响应超前激励时为 () 正，当响应落后激励时 ()源自为负。三、实验原理图：
A IN1 C
函 数 CH1 发 生
R IN2
2C
器
GND
C R
R/2
OUT1 B
INPUT
OUT2
示
波
器
GND
图中：R=38kΩ ，C=3900pF，红色框内为实验板上的电路。
四、实验前预习内容：
Vi(v) 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 …
f(Hz)
Vo(v)
φ(ω)
表三
五、实验仪器：
系统频率特性的测试实验报告
东南大学自动化学院课程名称：自动控制原理实验实验名称：系统频率特性的测试姓名：学号：专业：实验室：实验时间：2013年11月22日同组人员：评定成绩：审阅教师：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)()(ωωio 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⨯∆=ΦTt 。
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）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。
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学院
实验课程名称
实验项目名称
机电
年级、 专业、
班
广州大学学生实验报告
自控原理实验
实验五 系统频率特性的测量与分析
一、实验目的 二、实验内容
三、使用仪器、材料 四、实验过程原始记录（程序、数据、图表、计算等） 五、实验结果及分析
对全部高中资料试卷电气设备，在安装过程中以及安装结束后进行高中资料试卷调整试验；通电检查所有设备高中资料电试力卷保相护互装作置用调与试相技互术关，系电通，力1根保过据护管生高线产中0不工资仅艺料可高试以中卷解资配决料置吊试技顶卷术层要是配求指置，机不对组规电在范气进高设行中备继资进电料行保试空护卷载高问与中题带资2负料2，荷试而下卷且高总可中体保资配障料置2试时32卷，3各调需类控要管试在路验最习；大题对限到设度位备内。进来在行确管调保路整机敷使组设其高过在中程正资1常料中工试，况卷要下安加与全强过，看度并25工且52作尽22下可护都能1关可地于以缩管正小路常故高工障中作高资；中料对资试于料卷继试连电卷接保破管护坏口进范处行围理整，高核或中对者资定对料值某试，些卷审异弯核常扁与高度校中固对资定图料盒纸试位，卷置编工.写况保复进护杂行层设自防备动腐与处跨装理接置，地高尤线中其弯资要曲料避半试免径卷错标调误高试高等方中，案资要，料求编试技5写、卷术重电保交要气护底设设装。备备置管4高调、动线中试电作敷资高气，设料中课并技3试资件且、术卷料中拒管试试调绝路包验卷试动敷含方技作设线案术，技槽以来术、及避管系免架统不等启必多动要项方高方案中式；资，对料为整试解套卷决启突高动然中过停语程机文中。电高因气中此课资，件料电中试力管卷高壁电中薄气资、设料接备试口进卷不行保严调护等试装问工置题作调，并试合且技理进术利行，用过要管关求线运电敷行力设高保技中护术资装。料置线试做缆卷到敷技准设术确原指灵则导活：。。在对对分于于线调差盒试动处过保，程护当中装不高置同中高电资中压料资回试料路卷试交技卷叉术调时问试，题技应，术采作是用为指金调发属试电隔人机板员一进，变行需压隔要器开在组处事在理前发；掌生同握内一图部线纸故槽资障内料时，、，强设需电备要回制进路造行须厂外同家部时出电切具源断高高习中中题资资电料料源试试，卷卷线试切缆验除敷报从设告而完与采毕相用，关高要技中进术资行资料检料试查，卷和并主检且要测了保处解护理现装。场置设。备高中资料试卷布置情况与有关高中资料试卷电气系统接线等情况，然后根据规范与规程规定，制定设备调试高中资料试卷方案。
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姓名：陈，H 学号：XXXXXXXX 班级：电气实验五 典型环节和系统频率特性的测量一、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、实验设备1．THBDC-1型 控制理论·计算机控制技术实验平台；2．PC 机一台(含“THBDC-1”软件)、USB 数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、USB 接口线。
三、实验内容1．惯性环节的频率特性测试； 2．二阶系统频率特性测试；3．无源滞后—超前校正网络的频率特性测试；4．由实验测得的频率特性曲线，求取相应的传递函数； 5．用软件仿真的方法，求取惯性环节和二阶系统的频率特性。
四、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 XmYm ==(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 mm mm 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 Y A L 22l o g20)(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 )s i n ()(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 )s i n ()0(φm Y Y = 于是有 mmY Y Y Y 2)0(2sin)0(sin )(11--==ωφ (5-3)同理可得mXX 2)0(2s i n )(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。
式(5-3)、(5-4)适用于椭圆的长轴在一、三象限；当椭圆的长轴在二、四时相位φ的计算公式变为mY Y 2)0(2sin180)(1--=ωφ或mXX 2)0(2s i n180)(1--=ωφ下表列出了超前与滞后时相位的计算公式和光点的转向。
=Sin -12Y 0/(2Y m )=180°-Sin -12Y 0/(2Y m ) =180°-=Sin -12Y 0/(2Y m =Sin -12X /(2X =180︒-Sin -12Y 0/(2Y m ) =180°-2.2 用虚拟示波器测试（利用上位机提供的虚拟示波器和信号发生器）图5-3用虚拟示波器测试系统(环节)的频率特性可直接用软件测试出系统(环节)的频率特性，其中U i 信号由虚拟示波器的信号发生器产生，并由采集卡DA1通道输出。
测量频率特性时，被测环节或系统的输出信号接采集卡的AD1通道，而DA1通道的信号同时接到采集卡的AD2通道。
3．惯性环节 传递函数和电路图为11.011)()()(+=+==s TS K s u s u s G i o其幅频的近似图如图5-5所示。
图5-4 惯性环节的电路图 图5-5 惯性环节的幅频特性 若图5-4中取C=1uF ，R 1=100K ，R 2=100K ，R 0=200K 则系统的转折频率为Tf T ⨯=π21=1.66Hz4．二阶系统由图5-6(Rx=100K)可得系统的传递函数和方框图为：22222255512.01)(nn nS S S S S S S W ωξωω++=++=++=5=n ω，12.125525===ξ（过阻尼）图5-6 典型二阶系统的方框图其模拟电路图为图5-7 典型二阶系统的电路图其中Rx 可调。
这里可取100K )1(>ξ、10K )707.00(<<ξ两个典型值。
当 Rx=100K 时的幅频近似图如图5-8所示。
图5-8 典型二阶系统的幅频特性)1(>ξ5．无源滞后—超前校正网络 其模拟电路图为图5-9无源滞后—超前校正网络其中R 1=100K ，R 2=100K ，C 1=0.1uF ，C 2=1uF 其传递函数为 1)()1)(1()1)(1()1)(1()(12212212112*********++++++=+++++=S T T T S T T S T S T SC R S C R S C R S C R S C R S G C (5-5)式中 T 1＝R 1C 1，T 2＝R 2C 2，T 12＝R 1C 2 将上式改为)1)(1()1)(1()(2121++++=S S S T S T S G ττ (5-6)对比式(5-5)、(5-6)得 τ1·τ2＝T 1T 2 τ1+τ2＝T 1+T 2+T 12由给定的R 1、C 1和R 2、C 2，求得T 1＝0.01s ，T 2＝0.1s ，T 12＝0.1s 。
代入上述二式，解得τ1＝4.87×10-3s ，τ2＝0.2051s 。
于是得22211≈==βττT T ，这样式(5-6)又可改等为β)1)(1()1)(1()(1221++++=S T S T S T S T S G ββ (5-7)其幅频的近似图如图5-10所示。
图5-10无源滞后—超前校正网络的幅频特性五、实验步骤1．惯性环节1.1 根据图5-11 惯性环节的电路图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路。
其中电路的输入端接实验台上信号源的输出端，电路的输出端接数据采集接口单元的AD2输入端；同时将信号源的输出端接数据采集接口单元的AD1输入端。
图5-11 惯性环节的电路图1.2 点击“BodeChart ”软件的“开始采集”；1.3 调节“低频函数信号发生器”正弦波输出起始频率至0.2Hz ，并用交流电压测得其压电有效值为4V 左右，等待到电路输出信号稳定后，点击“手动单采”，等待，软件即会自动完成该频率点的幅值特性，并单点显示在波形窗口上。
1.4 继续增加并调节正弦波输出频率（如0.3Hz ，本实验终至频率5Hz 即可），等输出信号稳定后，点击“手动单采”，等待，软件即会自动完成该频率点的幅值特性，并单点显示在波形窗口上。
1.5 继续第1.2、1.3步骤，一直到关键频率点都完成。
1.6 点击停止采集，结束硬件采集任务。
1.7 点击“折线连接”，完成波特图的幅频特性图。
实验曲线如下图：注意事项：正弦波的频率在0.2Hz 到2Hz 的时，采样频率设为1000Hz ； 正弦波的频率在2Hz 到50Hz 的时，采样频率设为5000Hz 。
1.7 保存波形到画图板。
2．二阶系统根据图5-7所示二阶系统的电路图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如图5-12所示。
图5-12 典型二阶系统的电路图（电路参考单元为：U7、U9、U6）2.1 当K R X 100 时具体步骤请参考惯性环节的相关操作，最后的终至频率2Hz 即可。
实验曲线如下图：2.2当K R X 10 时具体步骤请参考惯性环节的相关操作，最后的终至频率5Hz 即可。
实验曲线如下图：3. 无源滞后—超前校正网络根据图5-9无源滞后—超前校正网络的电路图，选择实验台上的U2通用电路单元设计并组建其模拟电路，如图5-13所示。
图5-13无源滞后—超前校正网络（电路参考单元为：U2）具体步骤请参考惯性环节的相关操作，最后的终至频率100Hz 即可。
实验曲线如下图：4．根据实验存储的波形，完成实验报告。
六、实验报告要求1．写出被测环节和系统的传递函数，并画出相应的模拟电路图；2．把实验测得的数据和理论计算数据列表，绘出它们的Bode图，并分析实测的Bode 图产生误差的原因；3．用上位机实验时，根据由实验测得二阶系统闭环幅频特性曲线，据此写出该系统的传递函数，并把计算所得的谐振峰值和谐振频率与实验结果相比较；4．绘出被测环节和系统的幅频特性。
七、实验心得在实验过程中，我们遇到了很多的问题，如线路接线问题、波形问题、输出问题等等，这就要求我们需要更加仔细地阅读实验材料，认真地做好实验中的每一步，对实验目的和内容有更加深刻的认识与熟悉，能够发现问题并能迅速解决问题，在不断的解决问题的过程中逐步提升自己的实践动手能力以及对知识的熟悉掌握程度。
通过此次实验，我们学到了很多平日在理论课堂上所不能学到的知识与经验，如实验前对实验仪器的检查，对电脑软件THBDC-1的实际操作，对输出波形的分析等等。
这些经验对我们以后的学习将有着一定的帮助与启示，使我们对自己的专业和以后将从事的工作拥有更加全面的了解和认识。
通过这次的实验，我们深刻认识到了自身动手实践能力的不足。
从小学开始，学校的教育就一直以高考为最终目标，理论学习成为了学习的全部。
进入大学后，实验课增加了很多，但长久以来的惯性思维使得我们仍是将理论学习作为重点，对实际操作不大重视。
作为工程学科来说，应用才是最终目的，不论对于理论有多么熟悉，疏于实际操作的话将永远也成为不了一名合格的工科生。
这次实验使得我们更加坚定了不断提高实践能力的决心。
在今后的学习中，我们会合理安排，在学习理论知识的同时加强对自身实践动手能力的锻炼。
在这次实验中过程中，我们发现事先做好实验的预习及准备工作是非常必要的，否则在实验室当中或实验过程当中出现问题后才回过头来一个个检查是非常浪费时间的，而且还比较容易把自己弄混淆。