頻率特性的測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc

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課程名稱(chēng)： 控制理論乙 指導(dǎo)老師： 成績(jī)： 實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)： 頻率特性的測(cè)量 實(shí)驗(yàn)類(lèi)型： 同組學(xué)生姓名： 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅ū靥睿? 二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理（必填） 三、主要儀器設(shè)備（必填） 四、操作方法和實(shí)驗(yàn)步驟 五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理 六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析（必填） 七、討論、心得 1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵? 1．掌握用李沙育圖形法，測(cè)量各典型環(huán)節(jié)的頻率特性； 2．根據(jù)所測(cè)得的頻率特性，作出伯德圖，據(jù)此求得環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。 二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理 1.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 （1）R-C網(wǎng)絡(luò)的頻率特性。圖5-2為滯后--超前校正網(wǎng)絡(luò)的接線圖，分別測(cè)試其幅頻特性和相頻特性。 （2）閉環(huán)頻率特性的測(cè)試 被測(cè)的二階系統(tǒng)如圖5-3所示，圖5-4為它的模擬電路圖。 取參考值,接470K的電位器，， 2.實(shí)驗(yàn)原理 對(duì)于穩(wěn)定的線性定常系統(tǒng)或環(huán)節(jié)，當(dāng)其輸入端加入一正弦信號(hào)，它的穩(wěn)態(tài)輸出是一與輸入信號(hào)同頻率的正弦信號(hào)，但其幅值和相位隨著輸入信號(hào)頻率的改變而改變。輸出信號(hào)為 其中， 只要改變輸入信號(hào)的頻率，就可以測(cè)得輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的幅值比和它們的相位差。不斷改變的頻率，就可測(cè)得被測(cè)環(huán)節(jié)（系統(tǒng)）的幅頻特性和相頻特性。 本實(shí)驗(yàn)采用李沙育圖形法，圖5-1為測(cè)試的方框圖 在表（1）中列出了超前于滯后時(shí)相位的計(jì)算公式和光點(diǎn)的轉(zhuǎn)向。 表中 為橢圓與軸交點(diǎn)之間的長(zhǎng)度，為橢圓與軸交點(diǎn)之間的距離，和分別為和的幅值。 3、 主要儀器設(shè)備 1．控制理論電子模擬實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)； 2．慢掃描示波器一臺(tái)； 3. 任意函數(shù)信號(hào)發(fā)生器一臺(tái)； 4．萬(wàn)用表一只。 四、操作方法和實(shí)驗(yàn)步驟 1.實(shí)驗(yàn)一 （1）根據(jù)連接圖，將導(dǎo)線連接好 （2）由于示波器的CH1已經(jīng)與函數(shù)發(fā)生器的正極相連，所以接下來(lái)就要將CH2接在串聯(lián)電阻電容上，將函數(shù)發(fā)生器的正極接入總電路兩端，并且示波器和函數(shù)發(fā)生器的黑表筆連接在一起接地。 （3）調(diào)整適當(dāng)?shù)膾呙钑r(shí)間，將函數(shù)發(fā)生器的幅值定為5V不變，然后摁下掃描時(shí)間框中的menu，點(diǎn)擊從Y-t變?yōu)閄-Y顯示。 （4）改變函數(shù)發(fā)生器的頻率，記錄數(shù)據(jù)及波形。 2.實(shí)驗(yàn)二：基本與實(shí)驗(yàn)一的實(shí)驗(yàn)步驟相同。 5、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理 實(shí)驗(yàn)一：求計(jì)算的相頻特性與幅頻特性的公式為： (V) (V) (V) 實(shí)測(cè) 計(jì)算 實(shí)測(cè) 計(jì)算 94.25 15 0.48 5.12 4.96 -0.094 -0.092 0.969 -0.276 -0.121 314.16 50 1.4 5.12 4.48 -0.277 -0.252 0.875 -1.160 -1.096 628.32 100 1.6 5.12 3.76 -0.318 -0.318 0.734 -2.682 -2.793 1256.64 200 1.24 5.12 3.04 -0.245 -0.238 0.594 -4.528 -4.667 1884.96 300 0.84 5.12 2.8 -0.165 -0.140 0.547 -5.242 -5.329 2513.27 400 0.36 5.12 2.8 -0.070 -0.063 0.547 -5.242 -5.561 3141.59 500 0.08 5.16 2.68 -0.016 -0.002 0.519 -5.690 -5.616 4398.23 700 0.56 5.16 2.68 0.109 0.090 0.519 -5.690 -5.502 5026.55 800 0.8 5.08 2.84 0.158 0.126 0.559 -5.051 -5.387 6283.19 1000 1.08 5.08 2.84 0.214 0.183 0.559 -5.051 -5.102 12566.37 2000 1.64 5.2 3.44 0.321 0.308 0.662 -3.589 -3.489 18849.56 3000 1.44 5.16 3.8 0.283 0.313 0.736 -2.657 -2.307 31415.93 5000 1.36 5.12 4.36 0.269 0.254 0.852 -1.396 -1.120 43982.30 7000 0.96 5.12 4.76 0.189 0.201 0.930 -0.633 -0.634 62831.85 10000 0.8 5.12 4.94 0.157 0.150 0.965 -0.311 -0.330 125663.71 20000 0.4 5.08 5 0.079 0.078 0.984 -0.138 -0.087 251327.41 40000 0.2 5.08 5.04 0.039 0.040 0.992 -0.069 -0.022 628318.53 100000 0.28 5.08 5.06 0.055 0.016 0.996 -0.034 -0.004 實(shí)驗(yàn)二：求計(jì)算的幅頻特性與相頻特性的公式為： (V) (V) (V) 實(shí)測(cè) 計(jì)算 實(shí)測(cè) 計(jì)算 1.88 0.3 1 5.08 5.24 -0.198 -0.200 1.031 0.269 0.465 3.14 0.5 1.92 5.24 5.84 -0.375 -0.373 1.115 0.942 1.291 4.40 0.7 3.04 5.04 6.8 -0.647 -0.622 1.349 2.602 2.446 5.03 0.8 3.52 5.04 7.2 -0.773 -0.793 1.429 3.098 3.033 5.65 0.9 4.32 5.12 7.36 -1.004 -1.003 1.438 3.152 3.471 6.28 1 4.72 5.12 7.52 -1.173 -1.248 1.469 3.339 3.575 6.91 1.1 5.04 5.04 7.04 -1.571 -1.506 1.397 2.903 3.190 7.54 1.2 4.72 5.04 6.48 1.213 1.391 1.286 2.183 2.312 8.17 1.3 4.46 5.2 5.84 1.031 1.182 1.123 1.008 1.085 10.05 1.6 3.38 5.12 3.52 0.721 0.778 0.688 -3.255 -3.125 12.57 2 2.64 5.04 2.08 0.551 0.527 0.413 -7.687 -7.950 31.42 5 0.82 5.04 0.4 0.163 0.166 0.079 -22.007 -25.575 43.98 7 0.52 5.16 0.2 0.101 0.116 0.039 -28.232 -31.583 六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 1.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 （1）實(shí)驗(yàn)一 根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算之后，得到的實(shí)驗(yàn)一幅頻相頻特性曲線如圖所示： 實(shí)驗(yàn)一幅頻特性曲線（實(shí)驗(yàn)） 實(shí)驗(yàn)一相頻特性曲線（實(shí)驗(yàn)） 通過(guò)運(yùn)用公式理論計(jì)算得到的曲線如下圖所示： 實(shí)驗(yàn)一幅頻特性曲線（計(jì)算） 實(shí)驗(yàn)一相頻特性曲線（計(jì)算） 通過(guò)matlab仿真所得實(shí)驗(yàn)一中的幅頻相頻特性曲線如下圖所示： 由此可以看出，所測(cè)并計(jì)算之后得到的幅頻特性曲線與相頻特性曲線和公式計(jì)算結(jié)果所得到的曲線非常相近，并且與通過(guò)matlab仿真得到的波特圖之間的差距很小，但仍然存在一定誤差。 （2） 實(shí)驗(yàn)二 根據(jù)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在matlab上繪制幅頻特性曲線圖如下圖所示： 實(shí)驗(yàn)二幅頻特性曲線（實(shí)驗(yàn)） 實(shí)驗(yàn)二相頻特性曲線（實(shí)驗(yàn)） 根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在matlab上繪制幅頻曲線如下圖所示 實(shí)驗(yàn)二幅頻特性曲線（計(jì)算） 實(shí)驗(yàn)二相頻特性曲線（計(jì)算） 通過(guò)matlab程序仿真得到的幅頻與相頻曲線如下圖所示： 由上圖分析可以得到，實(shí)驗(yàn)所測(cè)得到的幅頻特性曲線與計(jì)算結(jié)果得到的曲線幾乎一樣，并且與matlab仿真的波特圖非常相近。但是實(shí)驗(yàn)所測(cè)得到的相頻特性曲線雖然和計(jì)算結(jié)果得到的曲線較為溫和，但是卻與matlab仿真得到的相頻曲線有著非常大的差別。這一點(diǎn)的主要原因?yàn)椋?。?！? 2. 實(shí)驗(yàn)誤差分析 本次實(shí)驗(yàn)的誤差相對(duì)于其他實(shí)驗(yàn)的誤差而言比較大，主要原因有以下幾點(diǎn)： （1） 示波器讀取幅值的時(shí)候，由于是用光標(biāo)測(cè)量，觀測(cè)到的誤差相對(duì)來(lái)說(shuō)非常大，尤其是當(dāng)李薩如圖像與x軸的交點(diǎn)接近于零的時(shí)候，示波器的光標(biāo)測(cè)量讀數(shù)就非常困難了。 （2） 在調(diào)整函數(shù)發(fā)生器的頻率過(guò)程中，由于示波器的李薩如圖像模型對(duì)于橫坐標(biāo)掃描時(shí)間的要求，導(dǎo)致當(dāng)頻率增加的時(shí)候，可觀測(cè)的點(diǎn)寥寥無(wú)幾。只能用display里面的連續(xù)記錄顯示功能來(lái)記錄波形。這樣記錄下來(lái)的波形，由于本身點(diǎn)走動(dòng)的時(shí)候帶有一定厚度，導(dǎo)致記錄波形的寬度非常大，并且亮度基本一致，無(wú)法判斷曲線邊界的具體值，造成的誤差也是非常大的。 （3） 在繪制曲線過(guò)程中，由于測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)有限，而造成繪制曲線與計(jì)算值存在一定誤差。 （4） 本次實(shí)驗(yàn)的計(jì)算量非常繁瑣且冗雜，對(duì)于實(shí)驗(yàn)誤差的影響也是非常大的。 （5） 電阻和電容等非理想元件造成的誤差 3. 思考題 （1） 在實(shí)驗(yàn)中如何選擇輸入的正弦信號(hào)的幅值？ 解：先將頻率調(diào)到很大，再是信號(hào)幅值應(yīng)該調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)增益按鈕，令示波器顯示方式為信號(hào)-時(shí)間模式，然后觀測(cè)輸出信號(hào)，調(diào)節(jié)頻率，觀察在各個(gè)頻段是否失真。 （2） 測(cè)試頻率特性時(shí)，示波器Y軸輸入開(kāi)關(guān)為什么選擇直流？ 便于讀取數(shù)據(jù)，使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。 （3） 測(cè)試相頻特性時(shí)，若把信號(hào)發(fā)生器的正弦信號(hào)送入Y軸，被測(cè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)送入X軸，則根據(jù)橢圓光點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，如何確定相位的超前和遲后？ 若將輸入和輸出信號(hào)所在的坐標(biāo)軸變換，則判斷超前和滯后的辦法也要反過(guò)來(lái)，即順時(shí)針為滯后，逆時(shí)針為超前。 7、 討論、心得 1. 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，一定要耐心仔細(xì)，因?yàn)榭赡軙?huì)出現(xiàn)李薩如圖像與光軸的兩個(gè)交點(diǎn)非常接近于原點(diǎn)，由于曲線本身的寬度，造成的視覺(jué)誤差會(huì)非常大。所以在用光標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)候，一定要非常仔細(xì)耐心，盡可能讓誤差降到最小。 2. 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，隨著頻率的增加，李薩如圖像的顯示光點(diǎn)也會(huì)隨之減少，這個(gè)時(shí)候一定要適當(dāng)調(diào)節(jié)掃描時(shí)間，盡量往小調(diào)，讓掃描光點(diǎn)增加，形成比較完整的曲線，以便于測(cè)量與觀察。 3. 在做第二個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，即使掃描時(shí)間已經(jīng)調(diào)到了最小，仍然無(wú)法看見(jiàn)完整的曲線，這時(shí)，需要摁下示波器上display按鈕，然后點(diǎn)擊是否記錄軌跡，然后就可以讓點(diǎn)完整清晰地將曲線還原回來(lái)，從而減小誤差。 4. 在計(jì)算過(guò)程中，注意認(rèn)真仔細(xì)。計(jì)算量繁雜，容易導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤，可以多設(shè)幾個(gè)變量來(lái)解決。 5. 在繪制曲線過(guò)程中，如果直接用角速度w的話，有可能會(huì)出現(xiàn)小頻率的點(diǎn)比較密集，大頻率的點(diǎn)比較疏松，得到的曲線誤差比較大，并且并不美觀。當(dāng)數(shù)據(jù)相差較大時(shí)，我采用了將橫坐標(biāo)求對(duì)數(shù)之后，再將新得到的數(shù)據(jù)作為橫坐標(biāo)繪制圖像，則實(shí)驗(yàn)圖像變得非常美觀和清晰，并且具有說(shuō)服力。 6. 通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，我了解到了頻率特性測(cè)量的方法以及怎樣求幅頻特性|G(w)|和相頻特性φ(w)的值，并且通過(guò)將自己實(shí)驗(yàn)所得曲線、實(shí)際計(jì)算曲線與matlab仿真之間的對(duì)比，將理論、實(shí)踐、仿真融為一體，使我更加加深了頻率響應(yīng)曲線的認(rèn)識(shí)。這樣的方法，在以后的學(xué)習(xí)過(guò)程中，會(huì)應(yīng)用的更加廣泛，并且具有非常深遠(yuǎn)的意義。