【正文】 北京理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘要控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性包括時(shí)域特性和頻域特性，頻率特性測(cè)試在控制的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試和建模中具有重要意義。本課題研究了伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試中在進(jìn)行頻域特性測(cè)試時(shí)所采用的激勵(lì)信號(hào)類型及其相應(yīng)算法對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生的影響，并針對(duì)伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)，用DELPHI語(yǔ)言編寫相關(guān)軟件，然后在嵌入式工控機(jī)硬件平臺(tái)上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能測(cè)試。首先，在Matlab上仿真，本課題著重研究三種激勵(lì)信號(hào)，分別為正弦信號(hào)、Chirp信號(hào)以及Multitone信號(hào)，將此三種信號(hào)作為輸入信號(hào)，分別加入到某伺服系統(tǒng)中，得到輸出信號(hào)，然后，在Matlab上運(yùn)用包括相關(guān)分析算法、FFT算法以及功率譜算法的數(shù)據(jù)處理算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到伺服系統(tǒng)的頻率特性仿真結(jié)果，并以正弦掃描信號(hào)采用相關(guān)分析算法為基準(zhǔn)，觀察其余測(cè)試信號(hào)在對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)的測(cè)試精度問(wèn)題。然后，編寫系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能測(cè)試軟件，包括信號(hào)的產(chǎn)生、采集以及數(shù)據(jù)處理算法的編程實(shí)現(xiàn)，利用該軟件，可以得到在實(shí)際系統(tǒng)中，伺服系統(tǒng)的頻率特性，該軟件界面友好、功能完善。能夠完成本課題所需的相關(guān)功能。最后，將在實(shí)際系統(tǒng)測(cè)試得到的結(jié)果與在Matlab仿真上得到的結(jié)果進(jìn)行比較，觀察理論與實(shí)際的區(qū)別，并得到相關(guān)的結(jié)論。關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，激勵(lì)信號(hào)類型，數(shù)據(jù)處理算法，頻域特性AbstractThe Dynamic performance of Control system including Time Domain performance and Frequency domain performance, It’s meaningful in the Dynamic performance test and modeling based on the test of the characteristics on the frequency domain. In this subject, the author discussed the influence on the frequency domain caused by the type of Input signal and Algorithm when we test the Dynamic performance about the servo system, and then, programmed related software under Delphi Language and run on in the embedded control puter according to the characteristics of the servo system, in this way, we plete the servo system’s Dynamic performance test.Firstly, I simulated on the Matlab,produce three kind of necessary singles cared about in this subject,including sinusoidal signal、Chirp signal and Multitone signal, and made these signals as input signals to a servo system, Then we obtained the output signal. After that, applied data processing algorithms including Correlation Analysis、FFT algorithm and Power Spectrum algorithm on the Matlab to get the characteristics on the frequency domain. We assume the Correlation Analysis which applied on the sinusoidal signal is perfectly then we get the accuracy about other signals appiled for different data processing altorithms.Secondly, piled the dynamic performance test software, including gererator signals, collect signals and data processing algorithms. This software friendly and functional to both of us, it can fulfilled all kind of function we need in this subject.Lastly,pared the experimental results with simulated reslut, and then we observe the differences between the theory and actual.Key words: dynamic performance test, Matlab simulation, data processing algorithms, characteristics on the frequency domain.摘要 I第1章 緒論 1 課題背景及研究意義 1 伺服系統(tǒng)概述 1 3 現(xiàn)代動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù) 3 頻率特性測(cè)試研究現(xiàn)狀 5 本課題主要研究?jī)?nèi)容 6第2章 傳統(tǒng)頻率特性測(cè)試概述 8 引言 8 頻率特性概念與原理 8 頻率特性測(cè)試概念 8 頻率特性測(cè)試信號(hào) 9 10 FFT算法（Fast Fourier Transform） 10 相關(guān)分析法 10 互功率譜 12 各種算法優(yōu)劣點(diǎn)評(píng) 12 頻率特性測(cè)試綜述 13 傳統(tǒng)正弦信號(hào)測(cè)試 13 正弦掃描信號(hào)測(cè)試原理 13 正弦信號(hào)頻譜分析 14 正弦測(cè)試仿真結(jié)果 16 仿真結(jié)論 18 小結(jié) 20第3章 Chirp信號(hào)仿真研究 21 引言 21 Chirp信號(hào)測(cè)試 21 Chirp信號(hào)特性及其測(cè)試原理 21 Chirp信號(hào)仿真結(jié)果 22 22 Chirp仿真結(jié)論 24 小結(jié) 24第4章 Multitone信號(hào)仿真研究 26 引言 26 Multitone信號(hào)測(cè)試 26 26 Multitone信號(hào)仿真結(jié)果 28 數(shù)據(jù)處理結(jié)果 29 Multitone仿真結(jié)論 29 小結(jié) 30第5章 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹 31 引言 31 硬件平臺(tái) 31 系統(tǒng)組成 31 嵌入式CPU卡 32 任意波形發(fā)生器卡 32 高速采集卡 33 操作系統(tǒng)及其余配置 35 被測(cè)對(duì)象 35 小結(jié) 36第6章 測(cè)試軟件設(shè)計(jì) 37 引言 37 軟件設(shè)計(jì) 37 需求分析 37 可行性分析 37 軟件功能 38 信號(hào)發(fā)生與采集代碼設(shè)計(jì) 39 算法代碼設(shè)計(jì) 40 正弦信號(hào)相關(guān)算法 40 FFT算法 41 小結(jié) 43第7章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果研究 44 引言 44 測(cè)試對(duì)象及結(jié)果 44 正弦測(cè)試結(jié)果 45 Chirp信號(hào)測(cè)試 46 Multitone信號(hào)測(cè)試 47 實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié) 48 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)論比較 48 小結(jié) 49第8章 結(jié)論 50 課題總結(jié) 50 課題展望 50致謝 52參考文獻(xiàn) 5355第1章 緒論 課題背景及研究意義隨著自動(dòng)控制理論的發(fā)展，到20世紀(jì)中期，伺服系統(tǒng)的理論與實(shí)踐均趨于成熟，并廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造行業(yè)、冶金行業(yè)、航天行業(yè)、微電子行業(yè)、軍事工業(yè)、運(yùn)輸行業(yè)、通信工程以及日常生活中。伺服系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)相比，具有相應(yīng)速度快、精度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。頻率響應(yīng)法是在20世紀(jì)30年代和40年代，由奈奎斯特、伯德、尼柯?tīng)査挂约霸S多其他學(xué)者共同研究發(fā)展起來(lái)的，在常規(guī)的控制理論中，頻率響應(yīng)法是最有效的。在伺服系統(tǒng)的自動(dòng)控制過(guò)程當(dāng)中，輸入信號(hào)各種各樣，根據(jù)傅里葉變換，我們知道，任意一個(gè)信號(hào)都可以看作是不同頻率的正弦波的組合，因此，我們對(duì)伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能研究，可以直接轉(zhuǎn)化為研究系統(tǒng)對(duì)不同頻率的輸入信號(hào)的響應(yīng)。頻率響應(yīng)法的優(yōu)點(diǎn)之一，是我們可以利用對(duì)物理系統(tǒng)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，而不必推到出系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，此外，我們可以利用得到的系統(tǒng)頻率特性結(jié)果來(lái)推導(dǎo)伺服系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性是進(jìn)行頻域建模的基礎(chǔ)，因此，對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行頻率特性測(cè)試具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。進(jìn)行控制系統(tǒng)的頻域特性測(cè)試，一個(gè)典型的傳統(tǒng)方法是采用正弦逐點(diǎn)掃描法，即以某一頻率的正弦信號(hào)作為激勵(lì)，通過(guò)采集信號(hào)的輸入和輸出，利用數(shù)據(jù)處理算法，得到傳遞函數(shù)的幅值和相位信息，依此往復(fù)，每進(jìn)行一次頻率特性測(cè)試，輸入一個(gè)不同頻率的正弦信號(hào)，得到在不同頻率點(diǎn)處傳遞函數(shù)的幅值和相位信息，在采集足夠多點(diǎn)的情況下，可以以此為基礎(chǔ)進(jìn)行控制系統(tǒng)的頻域建模。然而，根據(jù)之前的敘述中可以看出，傳統(tǒng)的正弦逐點(diǎn)掃描法測(cè)試速度慢，效率低。因此，研究在頻率特性測(cè)試中采用何種激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，以此來(lái)達(dá)到提高在頻率特性測(cè)試中的測(cè)試效率問(wèn)題，具有重要意義，在本課題中，著重研究正弦信號(hào)、Chirp信號(hào)以及Multitone信號(hào)，觀察這三種激勵(lì)信號(hào)在頻率特性測(cè)試中對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。 伺服系統(tǒng)概述伺服系統(tǒng)是指被控對(duì)象的狀態(tài)能自動(dòng)地、連續(xù)地、精確地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的變化，也稱隨動(dòng)系統(tǒng)，是構(gòu)成自動(dòng)化體系的基本環(huán)節(jié)，它是由若干元件和部件構(gòu)成的，具有功率放大作用的一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，它的輸出量總是精確地跟隨輸入的變化而變化。按照?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)的不同，伺服系統(tǒng)主要分為電液伺服系統(tǒng)、電機(jī)伺服系統(tǒng)和氣動(dòng)伺服系統(tǒng)，比較常見(jiàn)的是前兩種，下面簡(jiǎn)單介紹一下前兩種伺服系統(tǒng)。圖11 電液伺服系統(tǒng)原理圖電液伺服系統(tǒng)的組成原理如圖11所示，電液伺服系統(tǒng)是以電氣信號(hào)為輸入，液壓信號(hào)為輸出構(gòu)成的控制系統(tǒng)。它融合了微電子、信息技術(shù)與液壓技術(shù)的長(zhǎng)處，因此，與其他伺服系統(tǒng)相比，它具有控制精度高、響應(yīng)速度快、信號(hào)處理靈活、輸出功率大、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。但同時(shí)，電液伺服系統(tǒng)也存在漏油、維護(hù)不方便、對(duì)油液污染物比較敏感等缺點(diǎn)。與電液伺服系統(tǒng)相比，電機(jī)伺服系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、低速平穩(wěn)性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此，電機(jī)伺服系統(tǒng)對(duì)電液伺服系統(tǒng)形成了強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)，其應(yīng)用范圍也更廣泛，按照誤差控制的電機(jī)伺服系統(tǒng)的原理圖如圖12所示。圖12 電機(jī)伺服系統(tǒng)原理圖從圖12可以看出，整個(gè)系統(tǒng)由控制器、放大器、電動(dòng)機(jī)、減速器等部分組成。圖中，控制器的功能是將系統(tǒng)的輸入與輸出間的差值測(cè)量出來(lái)，并將誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送入放大器。由放大裝置進(jìn)行必要的變換與功率放大之后，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，使電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器拖動(dòng)被控對(duì)象，按照輸入信號(hào)的規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。按照測(cè)試指標(biāo)來(lái)劃分，伺服系統(tǒng)的性能測(cè)試可以分為靜態(tài)特性測(cè)試和動(dòng)態(tài)特性測(cè)試。靜態(tài)特性指的是當(dāng)信號(hào)為定值或變化緩慢時(shí)，系統(tǒng)的輸出與輸入的關(guān)系，衡量靜態(tài)特性的指標(biāo)有線性度、遲滯、重復(fù)性、分辨力、穩(wěn)定性、抗干擾能力、靜態(tài)誤差等，測(cè)試信號(hào)可以選擇為低頻的三角信號(hào)或正弦信號(hào)等。動(dòng)態(tài)特性是指當(dāng)輸入量隨時(shí)間變化時(shí)，系統(tǒng)輸入與輸出特性。研究動(dòng)態(tài)特性可以從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來(lái)分析。在時(shí)域方面，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)常用時(shí)間常數(shù)、上升時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間、超調(diào)量等參數(shù)表示，在頻域方面，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性包括幅頻特性和相頻特性，其重要指標(biāo)是頻帶寬度，簡(jiǎn)稱帶寬。由于信號(hào)的時(shí)間函數(shù)形式是多種多樣的，而在時(shí)域內(nèi)研究系統(tǒng)的響應(yīng)特性時(shí)，只能研究幾種特定的輸入時(shí)間函數(shù)，如階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)和斜坡函數(shù)等的響應(yīng)特性，而在頻域內(nèi)研究其動(dòng)態(tài)特性則可以采用正弦信號(hào)發(fā)生器和精密測(cè)量設(shè)備很方便地得到頻率響應(yīng)特性。在數(shù)學(xué)中，我們可以將時(shí)域信號(hào)根據(jù)傅里葉變換分解成多個(gè)頻率的正弦波的疊加，因此，與研究伺服系統(tǒng)的時(shí)域特性相比，研究系統(tǒng)的頻域特性更加具有代表性以及精確性。 現(xiàn)代動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)測(cè)試是測(cè)量與試驗(yàn)的概括，包括動(dòng)態(tài)測(cè)試與靜態(tài)測(cè)試，是人們借助于一定的裝置，獲取被測(cè)對(duì)象相關(guān)信息的過(guò)程。測(cè)試包含兩方面的含義：一是測(cè)量，指的是使用測(cè)試裝置通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)獲取被測(cè)量的量值；二是試驗(yàn)，指的是在獲取測(cè)量信息的基礎(chǔ)上，借助于人、計(jì)算機(jī)或一些數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng)，從被測(cè)量中提取被測(cè)量對(duì)象的有關(guān)信息?，F(xiàn)代動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)是應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，研究動(dòng)態(tài)信號(hào)采集、變換、傳輸和實(shí)時(shí)處理的技術(shù)。與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比，現(xiàn)代動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)包括信號(hào)采集、信號(hào)變換與傳輸、信號(hào)處理與分析、信號(hào)記錄與顯示的綜合技術(shù)。它給傳統(tǒng)的測(cè)量學(xué)科帶來(lái)了一系列的觀念、方法和技術(shù)等方面的革新。動(dòng)態(tài)測(cè)試與靜態(tài)測(cè)試的區(qū)別在于:(1)動(dòng)態(tài)測(cè)試測(cè)量的是隨時(shí)間而變化的量，重點(diǎn)研究的是動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，以及輸出與輸入信號(hào)的關(guān)系。而靜態(tài)測(cè)試測(cè)量的是輸入和輸出數(shù)值上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并非對(duì)時(shí)間精確變化的量。靜態(tài)測(cè)量中重點(diǎn)分析測(cè)量數(shù)值的誤差，而在動(dòng)態(tài)測(cè)試中則要求輸出信號(hào)不失真地復(fù)現(xiàn)輸入波形。(2)現(xiàn)代動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)要解決測(cè)試系統(tǒng)工作過(guò)程