实验四 系统的频率特性实验

一．实验目的

1．掌握测量典型一阶系统和二阶系统频率特性曲线的方法； 2．掌握软件仿真求取一阶和二阶系统开环频率特性的方法。 二．实验仪器--、设备、工具及材料

名称 教学实验系统 计算机 型号或规格 数量 1 1 备注 三．实验原理和设计

1．一阶惯性环节的频率特性 实验中所用到的功能区域：

信号源、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A2。 一阶惯性环节模拟电路如图1-7-1所示，惯性环节的传递函数为：

U0(s)K Ui(s)TS1

图1-4-1一阶惯性环节模拟电路

2．二阶环节的频率特性曲线 实验中所用到的功能区域：

信号源、虚拟示波器、实验电路A1、实验电路A2、实验电路A3。

二阶振荡环节模拟电路如图1-4-2所示，二阶环节的传递函数为：

U0(s)n2 Ui(s)S22nSn2

图1-4-2二阶环节模拟电路

四．实验内容和步骤

1．内容

（1）搭建一阶惯性环节，绘制其频率特性曲线； （2）搭建典型二阶环节，绘制其频率特性曲线； （3）尝试用matlab软件仿真求取一阶和二阶系统频率特性曲线，跟实验结果加以比较。 2．步骤

选择信号发生器的正弦波端子与实验电路输入端子相连接，可根据需设置不同频率。观察输出频率-幅值、频率-相位关系可以选用虚拟示波器，也可以用BodePlotter。

1）一阶惯性环节频率特性

（1） 搭建一阶惯性环节模拟电路：

A．将实验电路图1-4-1连接线路； B．按照图设置参数：

图中：R1=50K、R2=50K、R3=100K、R4=100K、C1=0.1uF

（2） 连接虚拟示波器（或BodePlotter）和选择信号发生器：

信号发生器正弦波端子与实验电路输入端子相连接，可根据需设置不同频率。将正弦波端子与示波器通道CH1相连接，实验电路A2的“OUT2”与示波器通道CH2相连接。

（3） 输入正弦波信号，通过虚拟示波器观测输入输出正弦波曲线并调节正弦波频率和

幅值，绘制该一阶惯性环节的幅频曲线和相频曲线。

（4） 运行软件仿真一阶惯性环节频率特性曲线，记录理想幅频曲线和相频曲线，并与

实验结果相比较。

2）二阶环节，绘制其频率特性

（1） 搭建二阶环节模拟电路：

按照图1-4-2选择电路参数： 图中：R1=200K、R2=200K、R3=200K、R4=50K、R5=100K、R6=100K、R7=10K、R8=10K、C1=1.0uF、C2=1.0uF

（2） 连接虚拟示波器（或BodePlotter），设置信号源：

将正弦波端子与示波器通道CH1相连接，将实验电路A2的输出与示波器通道CH2相连接。将信号源的正弦波端子与实验电路A1的输入端子相连接，设置信号源不同频率“8Hz～0.16Hz”或“400Hz～6Hz”等。

（3） 输入正弦波信号，通过虚拟示波器观测输入输出正弦波曲线并调节正弦波频率和

幅值，绘制该二阶环节的幅频曲线和相频曲线。

（4） 运行软件仿真二阶环节频率特性曲线，记录理想幅频曲线和相频曲线，并与实验

结果相比较。

四．实验结果

1．根据一阶环节的理论计算，选择频率测试点ω，填写下表： ω f（Hz） 20logUi（db） 20logUo（db） 20logUi/Uo φ 2．根据实验结果绘制一阶环节的频率特性曲线

3．根据二阶环节的理论计算，选择频率测试点ω，填写下表： ω f（Hz） 20logUi（db） 20logUo（db） 20logUi/Uo φ 4．根据实验结果绘制二阶环节的频率特性曲线

五 实验报告要求

1) 2) 3) 4)

列表记录系统和环节频率响应的幅值和相位测量数据。

由测量数据做出惯性环节的bode图，二阶系统的开环bode图和闭环bode图。 理论分析系统和环节的bode图，与实验结果进行分析比较。 实验的体会和建议。

六 思考题

1）在测量二阶系统的开环频率特性时，为什么要在闭环状态下测量。

2）在二阶系统频率特性实验中，根据e(t)=r(t)-c(t)关系，可以计算出e(t)的相角和幅值，其结果和直接测量相比有什么不同。

七 注意事项

1）实验中，系统输入正弦信号的幅值不能太大，否则反馈幅值更大，不易读出，同理，太小也不易读出。

2）实验中，由于传递函数是经拉氏变换推导出来的，而拉氏变换是一种线性积分运算，因此它适用于线性定常系统，所以必须用示波器观察系统各环节波形，避免系统进入非线性状态。