实验五 典型环节和系统频率特性的测量_系统频率特性测量实验

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黄倩

0907020102 电力系统

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

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的正弦信号，则系统的稳态输出为

yYmsin(t)XmG(j)sin(t)

①

由式①得出系统输出，输入信号的幅值比

YmXmG(j)

G(j)

②

XmXm显然，G(j)是输入X(t)频率的函数，故称其为幅频特性。如用db（分贝）表示幅频值的大小，则式②可改写为

L()20LgG(j)20lgYm

③ Xm在实验时，只需改变输入信号频率的大小（幅值不变），就能测得相应输出信号的幅值Ym，代入上式，就可计算出该频率下的对数幅频值。根据实验作出被测系统(环节)的对数幅频曲线，就能对该系统（环节）的数学模型作出估计。

关于被测环节和系统的模拟电路图，请参见附录。

五、实验步骤

1．利用实验平台上的通用电路单元，设计一个惯性环节（可参考本实验附录的图4-4）的模拟电路。待检查电路接线无误后，接通实验平台的电源总开关，并开启±5V，±15V直流稳压电源。

2．把采集卡接口单元的输出端DA1、输入端AD2与电路的输入端相连，电路的输出端则与采集卡接口单元中的输入端AD1相连。连接好采集卡接口单元与PC上位机的通信线。待接线完成并检查无误后，在PC机上启动“THBDC-1”软件。具体操作步骤如下：

① 点击“通道设置”按钮，选择相应的数据采集通道（双通道），然后点击“开始采集”按钮，进行数据采集。

② 点击“虚拟示波器”按钮，选择“Bode”图显示模式，然后点击 “开始”按钮。③ 点击“信号发生器”按钮，选择“正弦波信号”，并设置好信号幅值，然后点击“变频输出（频率范围为0.1～30Hz）”及“开始”按钮，即可观测环节的幅频特性。

注：②与③操作顺序不可颠倒。

④ 点击“暂停”及“存储”按钮”，保存实验波形。

3．利用实验平台上的通用电路单元，设计一个二阶闭环系统（可参考本实验附录的图4-7）的模拟电路。完成二阶系统闭环频率特性曲线的测试，并求取其传递函数。具体操作步骤请参考本实验步骤2。

4．点击“仿真平台”按钮，根据环节的传递函数在“传递函数”栏中填入该电路实际传递函数的参数，观测该电路的仿真曲线（Bode图），并与电路模拟研究的结果相比较。

5．根据实验时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闭环频率特性曲线，写出该系统的传递函数。

七、实验思考题

1．在实验中如何选择输入正弦信号的幅值？

2．用示波器测试相频特性时，若把信号发生器的正弦信号送入Y轴，被测系统的输出信号送至X轴，则根据椭圆光点的转动方向，如何确定相位的超前和滞后？

3．根据上位机测得的Bode图的幅频特性，就能确定系统（或环节）的相频特性，试问这在什么系统时才能实现？

八、附录

1．Bode图的测试方法 1)用示波器测量幅频特性

G(j)Ym2Ym Xm2Xm改变输入信号的频率，测出相应的幅值比，并计算

L()20logA()20log其测试框图如下所示：

图4-2 幅频特性的测试图

2）用PC机（利用上位机提供的虚拟示波器和信号发生器）

图4-3 用虚拟示波器测幅频特性的方框图

2Ym

（db）2Xm2．惯性环节

传递函数和电路图为

G(s)

uo(s)Kui(s)TS10.1s1图4-4 惯性环节的电路图

其中

C=1uF，R1=100K，R2=100K，R0=200K 其幅频特性为

图4-5 惯性环节的幅频特性

实验台上的参考单元：U7、U5 3．二阶系统

传递函数和方框图为：

2n15 W(S)22220.2SS1S5S5S2nSnn5，551.12（过阻尼）

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图4-6 典型二阶系统的方框图

其模拟电路图为

图4-7 典型二阶系统的电路图

其中Rx可调。这里可取100K(1)、10K(00.707)两个典型值。其幅频特性为

图4-8 典型二阶系统的幅频特性(1)

实验台上的参考单元：U6、U10、U5 4．无源滞后—超前校正网络 其模拟电路图为

图4-9无源滞后—超前校正网络

其中R1=100K，R2=100K，C1=0.1uF，C2=1uF 其传递函数为

GC(S)(1T2S)(1T1S)(1T2S)(1T1S/)

其幅频特性为

图4-10无源滞后—超前校正网络的幅频特性

实验台上的参考单元：U2

实验记录：

思考题： 在实验中如何选择输入正弦信号的幅值? 答：先将频率调到很大，再是信号幅值应该调节信号发生器的信号增益按钮，根据需要进行选择