《自动控制原理》教学参考-第五章.doc

第5章 频域分析教学要求掌握系统频率特性分析与系统幅角之间的关系，掌握乃奎斯特图和伯德图的绘制方法，根据系统的乃奎斯特图和伯德图分析系统的性质。教学重点了解频率特性的基本概念，掌握其不同的表示方法；了解典型环节的频率特性；熟练掌握伯德图和乃奎斯特图的绘制方法；理解和掌握乃奎斯特稳定判据，会用乃奎斯特判据判断系统的稳定性；熟练掌握系统稳定裕量的物理含义和计算方法；建立开环频率特性和系统瞬态特性之间的对应关系，能够定性地分析系统的瞬态性能；了解闭环系统频率特性及其和系统瞬态特性的关系。教学难点频率特性的绘制，频率特性与系统时域指标之间的关系，频域指标。课时安排本章安排理论讲授12课时，实验4课时。教学大纲一频率特性的基本概念1频率特性的定义2频率特性的图形表示方法二典型环节的频率特性1比例环节2积分环节3惯性环节4微分环节5振荡环节6滞后环节三开环系统频率特性图的绘制1开环幅相频率特性的特点2系统伯德图的绘制3最小相位系统和非最小相位系统四频域稳定性判据1乃奎斯特稳定性判据2对数频率特性判据3系统的稳定裕量五开环频率特性与系统性能的关系1开环对数频率特性的基本性质 2系统特性和闭环频率特性的关系主要概念1频率特性2幅频特性3相频特性4乃奎斯特图5伯德图6最小相位系统7非最小相位系统8乃奎斯特稳定性判据9幅角原理10辅助函数11对数频率特性判据12相位裕量13增益裕量14截止频率15转折频率16带宽17低频段、中频段、高频段实验典型系统的频率特性测试一实验目的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用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。三实验步骤在实验中观测实验结果时，可选用普通示波器，也可选用本实验台上的虚拟示波器。如果选用虚拟示波器，只要运行ACES程序，选择菜单列表中的相应实验项目，再选择“开始实验”，就会打开虚拟示波器的界面，单击“开始”即可使用本实验台上的虚拟示波器CH1、CH2两通道观察被测波形。具体用法参见用户手册中的示波器部分。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实5-1所示，惯性环节的传递函数为： 图实5-1（1） 设置信号源：将信号源区的正弦波端子与实验电路A1的“IN13”端子相连接，可根据需求拨动频率选择开关，选择不同频率段“8Hz0.16Hz”或“400Hz6Hz”。（2） 搭建一阶惯性环节模拟电路：A将实验电路A1的“OUT1”端子与实验电路A2的“IN23”端子相连接；B按照图实5-1选择拨动开关：图实5-1中：R1=50k，R2=50k，R3=100k，R4=100k，C1=0.1F，将A1的S7、S8、S15，A2的S7、S11拨至开的位置。（3） 连接虚拟示波器：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。（4） 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。（5） 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实5-2所示，二阶环节的传递函数为：图实5-2（1） 设置信号源：将信号源区的正弦波端子与实验电路A1的“IN13”端子相连接，可根据需求拨动频率选择开关，选择不同频率段“8Hz0.16Hz”或“400Hz6Hz”。（2） 搭建二阶环节模拟电路：A将A3的“OUT3”与A1的“IN13”相连接，将A1的“OUT1”与A2的“IN21”相连接，将A2的“OUT2”与A3的“IN33”相连接；B按照图实5-2选择拨动开关：图实5-2中，R1=200k，R2=200k，R3=200k，R4=50k，R5=100k，R6=100k，R7=10k，R8=10k，C1=1.0F，C2=1.0F。（3） 连接虚拟示波器：将正弦波端子与示波器通道CH1相连接，将实验电路A2的“”与示波器通道CH2相连接。（4） 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。（5） 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，填写表实5-1。表实5-1f（Hz）20logUi（dB）20logUo（dB）20logUi/Uo2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，填写表实5-2。表实5-2f（Hz）20logUi（dB）20logUo（dB）20logUi/Uo4根据实验结果绘制二阶环节的频率特性曲线。