测试系统的基本特性-动态特性.ppt

在对动态物理量进行测试时，测试系统的输出变化是否能真实地反映输入变化，则取决于测试系统的动态响应特性。,测试系统的动态特性,动态特性:输入量随时间作快速变化时，测试系统的输出随输入而变化的关系。,传递函数： 描述系统动态特性,输入量,输出量,1. 传递函数 (Transfer function),拉普拉斯变换,定义系统的传递函数H(s)为输出量和输入量的拉普拉斯变换之比,H(S)只反映系统对输入的响应特性，与测量信号无关。,传递函数的特点,H(S)是实际物理系统抽象为数学模型后的拉普拉斯变换，因此，物理性质不同的系统或元件，可以具有相同类型的传递函数H(S)。,H(S) 描述了测试系统的传输特性，对任一具体的输入x(t)都明确的给出了相应的输出y(t)。,分母中s的幂次n代表系统微分方程的阶数，如当n=1或n=2时，分别称为一阶系统或二阶系统。,系统串联,系统并联,2. 频率响应函数 (Frequency response function),以 代入H(s)得：,频率响应函数是传递函数的特例。,传递函数H(s)是在复数域中描述和考察系统的特性；频率响应函数H()是在频域中描述和考察系统特性。,H(j)一般为复数，写成实部和虚部的形式：,其中：,一阶系统的幅频特性曲线,一阶系统的相频特性曲线,A()称为系统的幅频特性，为H()的模，是给定频率点输出信号幅值与输入信号幅值之比，反映测试系统对信号中频率为的信号分量在幅值上的缩放程度。,()-相频特性,例 :,某测试系统传递函数,，当输入信号,信号,信号,练习,求周期信号 通过传递函数为 的装置后得到的稳态响应?,3. 脉冲响应函数 (Weight function),称h(t)为测试装置的脉冲响应函数,若x(t)=(t)，则：,进行拉氏逆变换：,系统特性在时域可以用h(t)来描述，在频域可以用H()来描述，在复数域可以用H(s)来描述。三者的关系是一一对应的。,三种函数的关系,数学表述：,典型系统的频率响应特性,1. 一阶系统(First-order System),传递函数：,为一阶系统的时间常数,K为灵敏度,负值表示相角的滞后,频率响应函数,A(),() ,幅频特性曲线图,相频特性曲线图,一阶系统的幅相频特性,一阶系统频率特性的特征 当1/5时，A()1(误差不超过2%)； 当1/ 时，系统相当于积分环节，幅值衰减成线性，相位滞后接近90； 当=1/时，A()=0.707，相角滞后45；,例,用一个一阶系统作100Hz正弦信号测量。(1)如果要求限制振幅误差在-5%以内，则时间常数 应取多少？(2)若用具有该时间常数的同一系统作50Hz信号的测试，此时的振幅误差和相角差各是多少？,一温度传感器为一阶系统，其时间常数=0.001s，求当测量频率f=100Hz信号时的幅值误差和相位误差。,练习,练习,求周期信号 通过传递函数为 的装置后得到的稳态响应?,一阶系统在典型输入下的响应 脉冲响应,阶跃响应,练习,对某一阶装置输入一阶跃信号,其输出在2S内达到输入信号最大值的20%,试求: 1 装置的时间常数 2 经过40S后,输出幅值达到多少?,练习,用一个具有一阶动态特性的测量仪表( =0.35s ),测量阶跃信号,输入由25单位跳变到240单位,求当t=0.35s, 0.7s, 2s 时的仪表示值分别为多少?,微分方程,2. 二阶系统（Second-order system）,频率响应函数,幅频特性和相频特性,传递函数,1) 、/n2， A()近似水平直线，() =-180。,2)、当n， 即/n 1时， A() 1；() 近似线性。,3)、当n时， n越大，系统工作频率范围越大。,4)、当=n时，,A()=1/(2)， () =-90，,幅值剧增，共振。,二阶系统的幅相频特性, 0.7, A() 水平近似线性较长， () 近似线性较长。,例：一动圈式记录仪为二阶系统，其固有频率n=6280(rad/s)，阻尼比=0.7。求当测量频率f=500Hz信号时的幅值误差和相位误差。 解：,幅值误差 相位误差,练习,设一力传感器可作为二阶环节处理,已知传感器的固有频率fn=800Hz,阻尼比= 0.14,用其测量正弦变化的外力,频率f=400Hz,求振幅比A(w)及相角差()是多少?若=0.7,则A(w)及() 将改变为何值?,练习,某测力传感器(二阶测试系统)，其固有角频率 ,阻尼比 ，当测量信号 时，求输出信号(已知： )。,设测试系统的输出y(t)与输入x(t)满足关系 y(t)=A0x(t-t0),系统不失真测量的条件,该测试系统的输出波形与输入信号的波形精确地一致，只是幅值放大了A0倍，在时间上延迟了t0而已。这种情况下，认为测试系统具有不失真的特性。,y(t)=A0x(t- t0),H()=A()ej(),则其幅频和相频特性应分别满足：,A()=A0=const,()=-t0,即为实现不失真测试的条件。,x(t) x() y(t) y(),A()=A0=const,()=-t0,不失真测试的幅频和相频曲线,物理意义:,1)系统对输入信号中所含各频率成分的幅值进行常数倍数放缩，也就是说，幅频特性曲线是一与横轴平行的直线。,2)输入信号中各频率成分的相角在通过该系统时作与频率成正比的滞后移动，也就是说，相频特性曲线是一通过原点并且有负斜率的直线。,1)如果A()不等于常数