自控原理實驗8VIP

實驗八 典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性一、實驗目的1. 了解典型非線性環(huán)節(jié)輸出輸入的靜態(tài)特性及其相關的特征參數(shù)；2. 掌握典型非線性環(huán)節(jié)用模擬電路實現(xiàn)的方法。二、實驗內(nèi)容 1. 繼電器型非線性環(huán)節(jié)靜特性的電路模擬；2. 飽和型非線性環(huán)節(jié)靜特性的電路模擬；3. 具有死區(qū)特性非線性環(huán)節(jié)靜特性的電路模擬；4. 具有間隙特性非線性環(huán)節(jié)靜特性的電路模擬。三、實驗原理控制系統(tǒng)中的非線性環(huán)節(jié)有很多種，最常見的有飽和特性、死區(qū)特性、繼電器特性和間隙特性?；谶@些特性對系統(tǒng)的影響是各不相同的，因而了解它們輸出輸入的靜態(tài)特性將有助于對非線性系統(tǒng)的分析研究。1. 繼電型非線性環(huán)節(jié)圖7-1為繼電器型非線性特性的模擬電路和靜態(tài)特性。 圖8-1 繼電器型非線性環(huán)節(jié)模擬電路及其靜態(tài)特性繼電器特性參數(shù)M是由雙向穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值(4.96V)和后級運放的放大倍數(shù)(RX/R1)決定的，調(diào)節(jié)可變電位器RX的阻值，就能很方便的改變M值的大小。輸入ui信號用正弦信號或周期性的斜坡信號（頻率一般均小于10Hz）作為測試信號。實驗時，用示波器的X-Y顯示模式進行觀測。2. 飽和型非線性環(huán)節(jié)圖7-2為飽和型非線性環(huán)節(jié)的模擬電路及其靜態(tài)特性。圖8-2 飽和型非線性環(huán)節(jié)模擬電路及其靜態(tài)特性圖中飽和型非線性特性的飽和值M等于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值(4.96V)與后一級放大倍數(shù)的乘積。線性部分斜率k等于兩級運放增益之積。在實驗時若改變前一級運放中電位器的阻值可改變k值的大小，而改變后一級運放中電位器的阻值則可同時改變M和k值的大小。實驗時，可以用周期性的斜坡或正弦信號作為測試信號，注意信號頻率的選擇應足夠低（一般小于10Hz）。實驗時，用示波器的X-Y顯示模式進行觀測。3. 具有死區(qū)特性的非線性環(huán)節(jié)圖7-3為死區(qū)特性非線性環(huán)節(jié)的模擬電路及其靜態(tài)特性。圖8-3 死區(qū)特性非線性環(huán)節(jié)的模擬電路及其靜態(tài)特性圖中后一運放為反相器。由圖中輸入端的限幅電路可知，當二極管D1（或D2）導通時的臨界電壓Uio為 (在臨界狀態(tài)時: ) (7-1)其中，。當時，二極管D1（或D2）導通，此時電路的輸出電壓為 令，則上式變?yōu)?(7-2)反之，當時，二極管D1（或D2）均不導通，電路的輸出電壓為零。顯然，該非線性電路的特征參數(shù)為和。只要調(diào)節(jié)，就能實現(xiàn)改變和的大小。實驗時，可以用周期性的斜坡或正弦信號作為測試信號，注意信號頻率的選擇應足夠低（一般小于10Hz）。實驗時，用示波器的X-Y顯示模式進行觀測。4. 具有間隙特性的非線性環(huán)節(jié)間隙特性非線性環(huán)節(jié)的模擬電路圖及靜態(tài)特性如圖7-4所示。由圖7-4可知，當時，二極管D1和D2均不導通，電容C1上沒有電壓，即UC（C1兩端的電壓）=0，u0=0；當時，二極管D2導通，ui向C1充電，其電壓為 令，則上式變?yōu)?圖7-4 間隙特性非線性環(huán)節(jié)的模擬電路及其靜態(tài)特性當時，開始減小，由于D1和D2都處于截止狀態(tài)，電容C1端電壓保持不變，此時C1上的端電壓和電路的輸出電壓分別為 當時，二極管D1處于臨界導通狀態(tài)，若繼續(xù)減小，則二極管D1導通，此時C1放電，UC和U0都將隨著減小而下降，即 當時，電容C1放電完畢，輸出電壓。同理，可分析當向負方向變化時的情況。在實驗中，主要改變值，就可改變和的值。實驗時，可以用周期性的斜坡或正弦信號作為測試信號，注意信號頻率的選擇。實驗時，用示波器的X-Y顯示模式進行觀測。五、實驗步驟1. 繼電器型非線性環(huán)節(jié)圖8-5 繼電型非線性環(huán)節(jié)模擬電路在ui輸入端輸入一個低頻率的正弦波，正弦波的Vp-Vp值為16V，頻率為10Hz。在下列幾種情況下用示波器的X-Y顯示方式(ui端接至示波器的第一通道，uo端接至示波器的第二通道)測量靜態(tài)特性M值的大小并記錄。1.1 當47K可調(diào)電位器調(diào)節(jié)至約1.8K(M=1)時； 模擬電路圖 波形圖注意選擇示波器顯示通道的選擇，此處選擇B/A 理論值 M=1 實際值M=1.04 符合1.2 當47K可調(diào)電位器調(diào)節(jié)至約3. 6K(M=2)時； 模擬電路圖波形圖理論值M=2 實際值M=2.081.3 當47K可調(diào)電位器調(diào)節(jié)至約5.4K(M=3)時； 模擬電路圖 波形圖理論值M=3 實際值M=3.1211.4 當47K可調(diào)電位器調(diào)節(jié)至約10K(M=6左右)時； 模擬電路圖 波形圖理論值M=6 實際值M=5.7962. 飽和型非線性環(huán)節(jié) 圖7-6 飽和型非線性環(huán)節(jié)模擬電路在ui輸入端輸入一個低頻率的正弦波，正弦波的Vp-Vp值為16V，頻率為10Hz。將前一級運放中的電位器值調(diào)至10K (此時k=1)，然后在下列幾種情況下用示波器的X-Y顯示方式(ui端接至示波器的第一通道，uo端接至示波器的第二通道)測量靜態(tài)特性M和k值的大小并記錄。2.1 當后一級運放中的電位器值調(diào)至約1.8K(M=1)時； 模擬電路圖 波形圖理論值M=1 實際值M=1.0322.2 當后一級運放中的電位器值調(diào)至約3.6K(M=2)時； 模擬電路圖 波形圖理論值M=2 實際值M=2.062.3 當后一級運放中的電位器值調(diào)至約5.4K(M=3)時；模擬電路圖 波形圖理論值M=3 實際值M=3.092.4 當后一級運放中的電位器值調(diào)至約10K時； 模擬電路圖 波形圖理論值M=6 實際值M=5.7553. 死區(qū)特性非線性環(huán)節(jié)圖7-7 死區(qū)特性非線性環(huán)節(jié)模擬電路在ui輸入端輸入一個低頻率的正弦波，正弦波的Vp-Vp值為16V，頻率為10Hz。在下列幾種情況下用示波器的X-Y顯示方式(ui端接至示波器的第一通道，uo端接至示波器的第二通道)測量靜態(tài)特性uio和k值的大小并記錄。3.1調(diào)節(jié)兩個可變電位器，當兩個R1=2.0K，R2=8.0K時； 模擬電路圖 波形圖理論值 Uio=1.25V K=0.8 實際值Uio=3.2調(diào)節(jié)兩個可變電位器，當兩個R1=2.5K，R2=7.5K時； 模擬電路圖 波形圖理論值 Uio=1.25V K=0.8 實際值Uio=3.3調(diào)節(jié)兩個可變電位器，當兩個R1=3.3K，R2=6.6K時；模擬電路圖 波形圖理論值 Uio=1.25V K=0.8 實際值Uio=注：本實驗的E值也可采用5V。4. 具有間隙特性非線性環(huán)節(jié)圖7-8 間隙特性非線性環(huán)節(jié)模擬電路在ui輸入端輸入一個低頻率的正弦波，正弦波的Vp-Vp值為16V，頻率為10Hz。在下列幾種情況下用示波器的X-Y顯示方式(ui端接至示波器的第一通道，uo端接至示波器的第二通道)測量靜態(tài)特性uio和k值的大小并記錄。4.1調(diào)節(jié)兩個可變電位器，當兩個R1=2.0K，R2=8.0K時； 模擬電路圖 波形圖4.2調(diào)節(jié)兩個可變電位器，當兩個R1=2.5K，R2=7.5K時； 模擬電路圖 波形圖4.3調(diào)節(jié)兩個可變電位器，當兩個R1=3.3K，R2=6.6K時；模擬電路圖 波形圖注意由于元件（二極管、電阻等）參數(shù)數(shù)值的分散性，造成電路不對稱，因而引起電容上電荷累積，影響實驗結果，故每次實驗啟動前，需對電容進行短接放電。注：本實驗的E值也可采用5V。六、實驗思考題1. 模擬繼電型電路的特性與理想特性有何不同？為什么？在ui的值在零附近一個較小的范圍內(nèi)變化時，模擬繼電型電路的理想特性是uo隨ui極性躍變成+M或者-M；但是在試驗中可以看出在這個小