线性系统频率特性测量

实验二 系统频率特性的测定一、 实验目的1、掌握系统频率的测试方法、原理。

2、学会由开环系统对数频率特性，确定系统传递函数的方法。

二、 实验设备硬件设备：微机一台，示波器一台，AEDK-ACT 实验系统一套。

软件设备：Windows 2000操作平台，AEDK-ACT 系统集成操作软件。

三、 实验原理图1被测系统方框图系统（或环节）的频率特性G(j ω)是一个复变量，可以表示成以角频率ω为参数的幅值和相角：G(j ω)=︱G(j ω)︱∠G(j ω)（1）本实验应用频率特性测试仪测量系统或环节的频率特性。

图1所示系统的开环频率特性为：G 1(j ω) G 2(j ω) H(j ω)= )E(j )B(j ωω=︱)E(j )B(j ωω︱∠)E(j )B(j ωω （2） 采用对数幅频特性和相频特性表示，则式（3—2）表示为：20lg ︱G 1(j ω) G 2(j ω) H(j ω) ︱= 20lg )E(j )B(j ωω=20lg ︱)B(j ω︱-20lg ︱)E (j ω︱ （3）G 1(j ω) G 2(j ω) H(j ω) = ∠)E(j )B(j ωω=∠)B(j ω- ∠)E (j ω （4）将频率特性测试仪内信号发生器产生的超低频正弦信号的频率从低到高变化，并施加于被测系统的输入端[r （t ）]，然后分别测量相应的反馈信号[b （t ）]和误差信号[e （t ）]的对数幅值和相位。

频率特性测试仪测试数据经相关运算后在显示器中显示。

根据式（3）和式（4）分别计算出各个频率下的开环对数幅值和相位，在半对数坐标纸上做出实验曲线：开环对数幅频曲线和相频曲线。

根据实验开环对数幅频曲线画出开环对数幅频曲线的渐近线，再根据渐近线的斜率和转角确定频率特性（或传递函数）。

所确定的频率特性（或传递函数）的正确性可以由测量的相频曲线来检验，对最小相位系统而言，实际测量所得的相频曲线必须与确定的频率特性（或传递函数）所画出的理论相频曲线在一定程度上相符。

线性系统的频率特性一、实验原理我们讨论的确定性输入信号作用下的集总参数线性非时变系统，又简称线性非时变系统。

线性非时变系统的基本特性是其次性、叠加性、时不变性、微分性以及因果性。

线性非时变系统的分析，是对系统的数学模型的求解，可分为时间域方法和变换域方法。

这里主要讨论以频率特性为主要研究对象，通过傅里叶变换以频率为独立变量。

设输入信号为()in v t ，其频谱为()in V j ω；系统的单位冲激响应为()h t ，系统的频率特性为()H j ω；输出信号为()out v t ，其频谱为()out V j ω，则时间域中输入与输出的关系为 ()()()out in v t v t h t =*频率域中输入与输出的关系为()()()out in V j V j H j ωωω=*时间域方法和变换域方法并没有本质区别，两种方法都是将输入信号分解为某种基本单元，在这些基本单元的作用下求得系统的响应，然后再叠加。

变换域方法可以将时域分析中的微分、积分运算转化为代数运算，将卷积积分变换为乘法；在信号处理时，将输入时间信号用一组变换系数（谱线）来表示，根据信号占有的频带与系统通带间的关系来分析信号传输，判别信号中带有特征性的分量，比时域法更简便和直接。

二、实验方法简述1、输入信号的选取这里输入信号选取周期矩形信号，并且要求Kτ不为整数。

这是因为周期矩形信号具有丰富的谐波分量，可通过观察系统的输入、输出波形的谐波的变化，分析系统滤波特性。

周期矩形信号可以分解为直流分量和许多谐波分量，由于测量频率点的数目有限，因此需要排除谐波幅度为零的频率点，周期矩形信号谐波幅度为零的频率点是K TτΩ，其中K=1、2、3……。

2、线性系统的系统函数幅度频率特性分析通过傅里叶变换将信号由时域变换为频域来观察研究，用波特计研究当输入交流信号时高通电路与低通电路不同的过滤特性，研究输入方波信号时输出的频域响应。

1）低通网络的系统函数的频率特性为()()()out in RV j L H j R V j j Lωωωω==+2）高通网络的系统函数的频率特性为()()1()out in V j j H j V j j RL ωωωωω==+三、实验方法1、 用傅里叶分析法，画出周期s T μ200=脉冲宽度s μτ60=脉冲幅度V V p 5= 方波的频谱。

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。

课程名称： 控制理论乙 指导成绩：实验名称： 频率特性的测量 实验类型：同组学生__ 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 一、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. 二、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. 〔2〕闭环频率特性的测试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051R K =,1R 接470K 的电位器,2510R K =,3200R K =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()sin m X t X t ω=,它的稳态输出是一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ω的改变而改变.输出信号为其中()mmY G j X ω=,()arg ()G j ϕωω= 只要改变输入信号的频率,就可以测得输出信号与输入信号的幅值比()G j ω和它们的相位差()ϕω.不断改变()x t 的频率,就可测得被测环节〔系统〕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.表中 02Y 为椭圆与Y 轴交点之间的长度,02X 为椭圆与X 轴交点之间的距离,m X 和m Y 分别为()X t 和()Y t 的幅值.三、主要仪器设备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.〔3〕调整适当的扫描时间,将函数发生器的幅值定为5V 不变,然后摁下扫描时间框中的menu,点击从Y-t变为X-Y显示.〔4〕改变函数发生器的频率,记录数据与波形.2.实验二：基本与实验一的实验步骤相同.五、实验数据记录和处理1.实验结果分析〔1〕实验一根据测得的数据,并经过一系列计算之后,得到的实验一幅频相频特性曲线如图所示：实验一幅频特性曲线〔实验〕实验一相频特性曲线〔实验〕通过运用公式理论计算得到的曲线如下图所示：实验一幅频特性曲线〔计算〕实验一相频特性曲线〔计算〕通过matlab仿真所得实验一中的幅频相频特性曲线如下图所示：由此可以看出,所测并计算之后得到的幅频特性曲线与相频特性曲线和公式计算结果所得到的曲线非常相近,并且与通过matlab仿真得到的波特图之间的差距很小,但仍然存在一定误差.（2）实验二根据测得的实验结果,在matlab上绘制幅频特性曲线图如下图所示：实验二幅频特性曲线〔实验〕实验二相频特性曲线〔实验〕根据计算结果,在matlab上绘制幅频曲线如下图所示实验二幅频特性曲线〔计算〕实验二相频特性曲线〔计算〕通过matlab程序仿真得到的幅频与相频曲线如下图所示：由上图分析可以得到,实验所测得到的幅频特性曲线与计算结果得到的曲线几乎一样,并且与matlab仿真的波特图非常相近.但是实验所测得到的相频特性曲线虽然和计算结果得到的曲线较为温和,但是却与matlab 仿真得到的相频曲线有着非常大的差别.这一点的主要原因为：...2.实验误差分析本次实验的误差相对于其他实验的误差而言比较大,主要原因有以下几点：（1）示波器读取幅值的时候,由于是用光标测量,观测到的误差相对来说非常大,尤其是当李萨如图像与x 轴的交点接近于零的时候,示波器的光标测量读数就非常困难了.（2）在调整函数发生器的频率过程中,由于示波器的李萨如图像模型对于横坐标扫描时间的要求,导致当频率增加的时候,可观测的点寥寥无几.只能用display里面的连续记录显示功能来记录波形.这样记录下来的波形,由于本身点走动的时候带有一定厚度,导致记录波形的宽度非常大,并且亮度基本一致,无法判断曲线边界的具体值,造成的误差也是非常大的.（3）在绘制曲线过程中,由于测量数据点有限,而造成绘制曲线与计算值存在一定误差.（4）本次实验的计算量非常繁琐且冗杂,对于实验误差的影响也是非常大的.（5）电阻和电容等非理想元件造成的误差3.思考题（1）在实验中如何选择输入的正弦信号的幅值？解：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,令示波器显示方式为信号-时间模式,然后观测输出信号,调节频率,观察在各个频段是否失真.（2）测试频率特性时,示波器Y轴输入开关为什么选择直流？便于读取数据,使测量结果更加准确.（3）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入X轴,则根据椭圆光点的转动方向,如何确定相位的超前和迟后？若将输入和输出信号所在的坐标轴变换,则判断超前和滞后的办法也要反过来,即顺时针为滞后,逆时针为超前.七、讨论、心得1.在实验过程中,一定要耐心仔细,因为可能会出现李萨如图像与光轴的两个交点非常接近于原点,由于曲线本身的宽度,造成的视觉误差会非常大.所以在用光标测量数据的时候,一定要非常仔细耐心,尽可能让误差降到最小.2.在实验过程中,随着频率的增加,李萨如图像的显示光点也会随之减少,这个时候一定要适当调节扫描时间,尽量往小调,让扫描光点增加,形成比较完整的曲线,以便于测量与观察.3.在做第二个实验的时候,即使扫描时间已经调到了最小,仍然无法看见完整的曲线,这时,需要摁下示波器上display按钮,然后点击是否记录轨迹,然后就可以让点完整清晰地将曲线还原回来,从而减小误差.4.在计算过程中,注意认真仔细.计算量繁杂,容易导致计算错误,可以多设几个变量来解决.5.在绘制曲线过程中,如果直接用角速度w的话,有可能会出现小频率的点比较密集,大频率的点比较疏松,得到的曲线误差比较大,并且并不美观.当数据相差较大时,我采用了将横坐标求对数之后,再将新得到的数据作为横坐标绘制图像,则实验图像变得非常美观和清晰,并且具有说服力.6.通过本次实验,我了解到了频率特性测量的方法以与怎样求幅频特性|G<w>|和相频特性φ<w>的值,并且通过将自己实验所得曲线、实际计算曲线与matlab仿真之间的对比,将理论、实践、仿真融为一体,使我更加加深了频率响应曲线的认识.这样的方法,在以后的学习过程中,会应用的更加广泛,并且具有非常深远的意义.。

实验四 控制系统频率特性的测试一． 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。

二．实验装置（1）微型计算机。

（2）自动控制实验教学系统软件。

三．实验原理及方法（1）基本概念一个稳定的线性定常系统，在正弦信号的作用下，输出稳态与输入信号关系如下： 幅频特性相频特性（2）实验方法 设有两个正弦信号：若以)(t x ω为横轴，以)(y t ω为纵轴，而以t ω作为参变量，则随t ω的变化，)(t x ω和)(y t ω所确定的点的轨迹，将在 x--y 平面上描绘出一条封闭的曲线（通常是一个椭圆）。

这就是所谓“李沙育图形”。

由李沙育图形可求出Xm ，Ym ，φ，四．实验步骤（1）根据前面的实验步骤点击实验七、控制系统频率特性测试菜单。

（2）首先确定被测对象模型的传递函数, 预先设置好参数 T1、T2、ξ、K（3）设置好各项参数后，开始仿真分析，首先做幅频测试，按所得的频率范围由低到高，及ω由小到大慢慢改变，特别是在转折频率处更应该多取几个点五.数据处理（一）第一种处理方法：（1）得表格如下：（2）作图如下：（二）第二种方法： 由实验模型即，由实验设置模型根据理论计算结果绘制bode 图，绘制Bode 图。

（三）误差分析两图形的大体趋势一直，从而验证了理论的正确性。

在拐点处有一定的差距，在某些点处也存在较大的误差。

分析：（1）在读取数据上存在较大的误差，而使得理论结果和实验结果之间存在。

（2）在数值应选取上太合适，而使得所画出的bode图形之间存在较大的差距。

（3）在实验计算相角和幅值方面本来就存在着近似，从而使得误差存在，而使得两个图形之间有差异六.思考讨论（1）是否可以用“李沙育”图形同时测量幅频特性和想频特性答：可以。

在实验过程中一个频率可同时记录2Xm，2Ym，2y0。

（2）讨论用“李沙育图形”测量频率特性的精度，即误差分析（说明误差的主要来源）答：用“李沙育图形”测量频率特性的精度从上面的分析处理上也可以看出是比较高的，但是在实验结果和理论的结果之间还是存在一定的差距，这些误差主要来自于从“李沙育图形”上读取数据的时候存在的误差，也可能是计算机精度方面的误差。

·145·第5章 线性系统的频域分析法重点与难点一、基本概念 1. 频率特性的定义设某稳定的线性定常系统，在正弦信号作用下，系统输出的稳态分量为同频率的正弦函数，其振幅与输入正弦信号的振幅之比)(ωA 称为幅频特性，其相位与输入正弦信号的相位之差)(ωϕ称为相频特性。

系统频率特性与传递函数之间有着以下重要关系：ωωj s s G j G ==|)()(2. 频率特性的几何表示用曲线来表示系统的频率特性，常使用以下几种方法：（1）幅相频率特性曲线：又称奈奎斯特（Nyquist ）曲线或极坐标图。

它是以ω为参变量，以复平面上的矢量表示)(ωj G 的一种方法。

（2）对数频率特性曲线：又称伯德（Bode ）图。

这种方法用两条曲线分别表示幅频特性和相频特性。

横坐标为ω，按常用对数lg ω分度。

对数相频特性的纵坐标表示)(ωϕ，单位为“°”（度）。

而对数幅频特性的纵坐标为)(lg 20)(ωωA L =，单位为dB 。

（3）对数幅相频率特性曲线：又称尼柯尔斯曲线。

该方法以ω为参变量，)(ωϕ为横坐标，)(ωL 为纵坐标。

3. 典型环节的频率特性及最小相位系统 （1）惯性环节：惯性环节的传递函数为11)(+=Ts s G 其频率特性 11)()(+===j T s G j G j s ωωω·146·对数幅频特性 2211lg20)(ωωT L +=(5.1)其渐近线为⎩⎨⎧≥-<=1 )lg(2010)(ωωωωT T T L a (5.2) 在ωT =1处，渐近线与实际幅频特性曲线相差最大，为3dB 。

对数相频特性)(arctg )(ωωϕT -= (5.3)其渐近线为⎪⎩⎪⎨⎧≥︒-<≤+<=10 90101.0 )lg(1.0 0)(ωωωωωϕT T T b a T a (5.4)当ωT =0.1时，有b a b a -=+=1.0lg 0 (5.5)当ωT =10时，有b a b a +=+=︒-10lg 90 (5.6)由式（5.5）、式（5.6）得︒=︒-=45 45b a因此：⎪⎩⎪⎨⎧≥︒-<≤︒-<=10 90101.0 )10lg(451.0 0)(ωωωωωϕT T T T a (5.7)（2）振荡环节：振荡环节的传递函数为10 121)(22<<++=ξξTs S T s G·147·其频率特性)1(21|)()(22ωωξωωT j Ts s G j G j s -+=== 对数幅频特性2222224)1(lg 20)(ωξωωT T L +--= (5.8)其渐近线为⎩⎨⎧≥-<=1)lg(4010)(ωωωωT T T L a (5.9) 当707.0<ξ时，在221ξω-=T 处渐近线与实际幅频特性曲线相差最大，为2121lg20ξξ-。

线性系统的频率响应实验报告1. 实验目的本实验旨在通过测量线性系统的频率响应来分析系统的特性，并进一步理解系统的频率响应对输入信号的影响。

2. 实验原理线性系统的频率响应描述了系统对不同频率输入信号的响应情况。

在频域中，系统的频率响应可以用复数形式表示，包括幅频特性和相频特性。

实验中我们采用了输入信号为正弦信号，通过测量输入信号和输出信号的幅值和相位差，可以得到线性系统的频率响应。

具体的测量方法如下： 1. 选择一定范围内的频率，设置正弦信号发生器的频率输出。

2. 将正弦信号输入线性系统，同时测量输入信号和输出信号的幅值。

3. 通过测量输入信号和输出信号的相位差，计算得出系统的相位频率特性。

3. 实验步骤3.1 实验准备1.连接正弦信号发生器的输出端和线性系统的输入端。

2.连接线性系统的输出端和示波器的输入端。

3.打开正弦信号发生器、线性系统和示波器，确保它们正常工作。

3.2 测量幅频特性1.设置正弦信号发生器的频率范围，并选择一定的频率间隔。

2.将正弦信号发生器的输出幅值调至合适的范围。

3.逐渐调整正弦信号的频率，同时测量输入信号和输出信号的幅值。

4.记录下每个频率点上的输入信号和输出信号的幅值。

3.3 计算幅频特性1.将测得的输入信号和输出信号的幅值数据进行归一化处理。

2.绘制幅频特性曲线，横轴为频率，纵轴为幅值。

3.4 测量相频特性1.设置正弦信号发生器的频率为一个特定值。

2.测量输入信号和输出信号的相位差。

3.记录下每个频率点上的输入信号和输出信号的相位差。

3.5 计算相频特性1.将测得的输入信号和输出信号的相位差转换为弧度制。

2.绘制相频特性曲线，横轴为频率，纵轴为相位差。

4. 实验结果与分析由测得的数据绘制的幅频特性曲线如下图所示：幅频特性曲线幅频特性曲线从图中可以看出，系统在低频时幅值较大，随着频率的增加逐渐减小，最终趋于0。

这说明系统对低频输入信号具有较好的增益放大作用，而对高频输入信号则产生一定的衰减。

实验四线性系统的频率特性一、实验目的：1 •测量线性系统的幅频特性2 •复习巩固周期信号的频谱测量二、实验方法：1 •输入信号的选取这里输入信号选取周期矩形信号，并且要求T不为整数。

这是因为周期矩形信号具有丰富的谐波分量，通过观察系统的输入、输出波形的谐波的变化，分析系统滤波特性。

周期矩形信号可以分解为直流分量和许多谐波分量；由于测量频率点的数目有限，因此需要排除谐波幅度为零的频率点，周期矩形信号谐波幅度为零的频率点是竺门，其中K=1、2、3、…。

一KII'■'■111 - \ T-泊卜、0 Q3^ 4Q 5Q E M 血 1.0图11.2输入的周期矩形信号幅度频谱2 •线性系统的系统函数幅度频率特性分析(1) RL低通网络L-- ------ —V n j) R V°ut(j叭(a) RL电路v o (t) R 畔*)R dt输入周期矩形信号，通过 RL 低通网络的输出波形如下:对比输入、输出信号，可以看到输出信号的跳变部分被平滑，说明输入信号 通过RL 低通网络后，滤除高频分量。

R三、实验实验设备与器件1 •函数信号发生器2 •选频电平表3 •双踪示波器4 •实验箱5.电阻、电感、电容若干四、实验内容1 .仪器使用与调试（参见实验一）输入信号选取：周期方波信号，周期T =200 ・S ，脉冲宽度.=60=s ，脉冲幅度 V p =5V 。

2. RL 低通网络在实验箱上连接成RL 电路（4.7mH 电感、220"电阻）。

分别测量输入、输 出的时域波形；分别测量 RL 低通电路的输入、输出信号的基波到第十次谐波，描述RL 低通网络的系统函数的频率特性为 H(j)V o (j )V i (j)并记录测量的各次谐波频率f (KHz)及对应谐波频率的幅度V(dB) 测量图如下：频率f(kHz)5 10 15 20 25 30 35 40 45 50实测电压V i (dB)6.4 1.6 -12.0 -8.5 -6.0 -12.7 -18.6 -10.7 -13.6 -39.9电压V o (dB)3.6-3.4-19.2-17.3-16.4-24.4-31.3-24.6 -28.4-54.5H ( j 3) (dB)/V )-V -2.8 -5 -7.2 -8.8 -10.5 -11.7 -12.7 -13.9 -14.8 -14.6 H ( j 3)0.716 0.550 0.432 0.359 0.299 0.257 0.232 0.200 0.180 0.151 仿真H ( j 3)0.8360.5940.4080.3690.2860.2230.2650.1880.1540.0040 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■102030405060频率f/kHz3. RC 高通网络在实验箱上连接成 RC 电路(47nF 电容、220 Q 电阻)。