系统频域响应 频域响应 怎么用实验方法确定系统的频域响应

每每经典的自动控制原理课上,讲到频域法的时候,老师喜欢说:“频域法有着重要的意义,因为频域法可以使用实验的方法来确定。”然后,然后就没有然后了。。。然后就是开始讲让s=jw,如何画bode图,如何画nyquist图,如何判定闭环系统的稳定裕量,跟实验是一毛钱关系都没了。所以这次我来简单说说在实践当中,如何使用频域法来确定和绘制一个系统的频域响应图。
系统频域响应 频域响应 怎么用实验方法确定系统的频域响应

首先回顾下何为频域响应:

如果对于一个线性被控对象,输入的是一个单一频率 [omega] 的正弦波,那么输出也是一个正弦波,频率不变,但是幅值和相位可能会有变化。那么把 [omega] 从0变到无穷,每一个对应的幅值和相位的变化都记录下来画成曲线,就得到了频域响应图。

对于一个电路系统是比较容易的,大部分情况下只需要一个数据分析仪就可以,产生一路电信号给电路做输入激励,同时把这一路信号反馈给数据分析仪,在把被激励后的输出信号也反馈给数据分析仪,数据分析仪大都是自带频域响应分析功能的,让仪器自己算就可以了。大家都是只有电信号的,彼此之间交流愉快~

这里有一个问题是输入的激励信号是怎么选择。有两个方案:

(1)让输入信号从0开始,然后慢慢增长,变化一点,就记录下幅值和相位的变化;然后再增长,再记录。这样不停地重复,就得到了一长串的点,把这些点描出来就可以了。这个叫扫频法。

(2)输入信号直接使用随机噪声。这样系统在所有的频段上都会有激励,不停的做滑动平均,就可以得到频域响应图。
如果测试对象是机械系统,那就麻烦一点了,因为很多机械系统本身的输入不是电信号啊,是力或者位移啊。。。

这时候,想产生激励信号也好,想把这个激励信号,还有输出信号给只认电的数据WWw.aIhUaU.COM分析仪,就需要点别的东西了。如下图,一个测机械系统频域响应图的典型配置,激励信号来自于振动器(shaker),其实是一种精密的上下摆动的电机,把从信号源来的电信号变为机械信号;被测物体被固定在振动台上面;输入的位移和输出的位移均使用激光传感器,或者叫激光测振仪(laser vibrometer)再把机械位移信号转化为电信号。

来晒一晒我实验室里的各种振动器:

一个手掌大的mini shaker

一个比较常用的中型的

一个巨无霸级别的,振台差不多有一个多平米这么大,也是我老板的镇lab之宝了,功率非常凶残,振动的能量能做到25G的加速度,美帝对这种东西可是对天朝禁运的!然。。。并卵,我天朝已经有国产40G的振动台了,美帝需要这么大功率的还得需要向天朝进口,然而天朝似乎并不对美帝禁运。。。而且振动台上面还带了个可调温度和湿度的chamber,可以测试电子设备在有振动、潮湿、各种温度下的工况。

台子上放的是我的一个东西,是一个电磁的螺线管作为执行器,带了一套机械悬挂的东西。我和我同学要测这套机械悬挂的频域响应。

下图做测试的时候的全貌。左下角那俩东西就是两个激光测振仪了,最高精确度有0.2微米。人在旁边走路造成的振动,都能测出来。

一阵咣当之后,拿一张老旧的3.5寸软盘,从用了差不多二十年的老爷子数据分析仪里面拿出来了结果(哎,美帝经济不发达,再把金坷垃藏着掖着,我们奥村这种三流大学里就没funding了),然后用matlab把图画出来。

谐振频率大概在16.4Hz,Q值在2.4,有这两个数,再加上另外测的悬臂梁的刚度,可以算出机械系统的等效质量和衰减系数了。值得注意的是:

(1)在峰值对应的相位上,有着接近等于-180度的相位变化。没有这个变化就不能说这个点上是谐振频率。

(2)DC数值是不对的。这是因为激光传感器的电压输出是有偏移的,这个DC值并没有意义

好了,有了这个频域响应图,如果执行器也比较理想,什么根据频域法的lead,lag,设计法,就往上上就行了(作者:李崇)
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