结

课

论

文

题 目 名 称 动态分析仪

课 程 名 称 现代检测技术

专 业

学 号

学 生 姓 名

年 月 日

一、 研究内容

(1)：设计一个典型系统的动态响应的过度过程的分析仪。

(2)：输入为：单位阶跃、单位斜坡、单位加速度、脉冲输入、正弦。

(3)：系统为典型的一阶系统和二阶系统。相关参数可调

(4)：当用户在主界面输入不同的输入及系统时，要求输出其动态响应的时域及频域分析。

(5)：如果在上述系统中加入延时环节(延时时间可调)，对应的动态响应应如何？

二、 研究方案

设计一个典型系统的动态响应的过度过程的分析仪，典型一阶连续系统的传递函数为：，典型二阶连续系统的传递函数为： ，试对该系统建立模型，并分别绘出系统的以下不同的输入时，其动态响应的时域及频域分析：(1)脉冲响应曲线；(2)阶跃响应曲线；(3)单位斜坡；(4)单位加速度；(5)正弦激励下的响应曲线。

本设计是基于LabVIEW的典型系统的动态响应的过度过程的分析仪，根据从总体到局部的设计原则，通过对系统功能的分析，将整个系统分解为实现不同功能的几个部分，然后分别对每个部分进行设计，其中要用到控制设计与仿真 (Control Design and Simulation) 模块(需要自己下载)。

在求取斜坡响应时，通常利用阶跃响应的指令。基于单位阶跃信号的拉氏变换为，而单位斜坡信号的拉氏变换为。因此，当求系统G(s)的单位斜坡响应时，可以先用s除G(s)，再利用阶跃响应命令，就能求出系统的斜坡响应。

例如，试求下列闭环系统的单位斜坡响应：

对于单位斜坡输入量， ，因此

同理：当求系统G(s)的单位加速度响应时，可以先用s除G(s)，再利用阶跃响应命令，就能求出系统的单位加速度响应

对于单位加速度输入量， ，因此

从而对于研究单位斜坡和单位加速度输入时，转化为在单位阶跃输入条件下传递函数的研究。

三、 系统实现

前面板是LabVIEW的图形用户界面，在LabVIEW环境中可以对这些对象的外观和属性进行设计，LabVIEW提供了非常丰富的界面对象，可以方便地设计出生动、直观、操作方便的用户界面。

本实验中前面板显示程序的输入和输出对象，即，控件和显示器。前面板设计如图一所示：

图1前面板

程序框图设计

1：新建“典型系统的动态响应的过度过程的分析仪.VI”，首先对上述几个单元的传递函数进行建模，添加若干个“CD Construct Transfer Function Model.VI”并输入恰当的参数就可实现这些单元的传递函数模型。在此使用符号化变量的表达式，以便对固有频率和阻尼系数赋值。以及对Ts进行赋值来确定系统是一阶还是二阶系统。

2： 再对建好的模型调用“CD Impulse Response.VI”、“CD Step Response.VI”、和“CD Linear Simulation.VI”分别绘出系统的脉冲响应曲线、阶跃响应曲线和正弦激励下的响应曲线。

3：添加“CD Bode.VI”，并将建好的模型连接至该VI，以绘出系统Bode图。为了保留多次绘制的结果，在程序中将每次的绘制数据添加至一个历史数据组中，在传给波形图进行绘制。

4：按图2所示连线。

图2程序面板

四、 结果分析

当Tz=0时，系统是一阶系统，参数zeta变化时的0.2，0.5，0.8时的结果如图中白(频率图中为黑色)、红、绿三线所示，其中幅频图2和相频图2的输入是斜坡函数，幅频图2和相频图2的输入是加速度函数。

由图可以看出：随着时间常数的变化响应过程越快。

时间常数 T 反映系统的惯性，所以一阶系统的惯性越小，其响应过程越快；反之，惯性越大，响应越慢。斜坡响应的瞬态分量为衰减非周期函数。一阶系统不能实现对加速度输入函数的跟踪。

当Tz=0时，系统是二阶系统。Zeta是阻尼系数，w是固有频率。

当Tz=1，zeta=0.2，w=5时如白线，改变zeta = 1时如红线，改变zeta=1.8时如绿线。

当Tz=1，zeta=1，w=5时如白线，改变w = 1.5时如红线，改变w=9.5时如绿线。

其中幅频图2和相频图2的输入是斜坡函数，幅频图2和相频图2的输入是加速度函数。

由图可以看出：阻尼系数和固有频率对二阶系统的响应时间有影响。

过阻尼和临界阻尼响应曲线都是非周期地趋于稳态输出，但临界阻尼响应具有更短的上升时间,响应速度更快。

如果在上述系统中加入延时环节(延时时间可调)，对应的动态响应应如何？

动态响应的时域上会出现向后平移，频域上在系统中加入延迟环节后，不仅改变幅频特性的形状，还会使系统的相角滞后显著增大。

五、 实验总结

通过现代检测技术课程的学习，初步学习和掌握了LabVIEW的使用方法，它有区别与其他编程语言，使用图形化的语言来进行逻辑控制，其中信号流向如同C语言中语句被依次执行一样，而许多控件节点如同子函数一样，可以按照其定义的端点来连接，就和按函数形式调用函数一个道理，其中的循环结构更加的形象易懂，容易上手。

在这个试验过程中，我学习了LabVIEW的基本编程思路，可以同过任务所需要的结果来创建控件外观(前面板)，再深入到它的框图界面去设计算法和程序。由于LabVIEW的数据类型是考颜色来区分的，一开始用得很生疏，同时各种不同的控件和节点所能连接的数据类型也各不相同，很多控件节点只允许某种特定的数据类型传输，需要慢慢学习掌握和理解消化。

本实验基本完成了典型系统的动态响应的过度过程的分析仪所提出的指标。实现了对于典型一阶连续系统和典型二阶连续系统在以下不同的输入时：(1)脉冲响应曲线，(2)阶跃响应曲线，(3)单位斜坡，(4)单位加速度，(5)正弦信号；其动态响应的时域及频域分析。

从实验结果中可以看出，虚拟动态分析仪可以实现典型一阶和二阶系统对于在不同条件的输入下，动态响应时域的输出的波形图可以实时同步显示，还可以观察不同信号输入信号下的幅度-频率响应和相位-频率响应。

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