典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性

1、物理與電子信息學(xué)院電子信息工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱設(shè)計(jì)題目專業(yè)名稱班級(jí)學(xué)號(hào)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師完成時(shí)間自動(dòng)控制原理典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性電子信息工程13電子（1）班、（2）班2016年6月11日目錄摘要與關(guān)鍵詞31設(shè)計(jì)目的42設(shè)計(jì)原理52.1 具有繼電特性的非線性環(huán)節(jié)52.2 具有飽和特性的非線性環(huán)節(jié)52.3 具有死區(qū)特性的非線性環(huán)節(jié)52.4 具有間隙特性的非線性環(huán)節(jié)63操作步驟73.1 試驗(yàn)箱電路測(cè)試73.1.1 繼電型非線性環(huán)節(jié)的模擬電路73.1.2 飽和型非線性環(huán)節(jié)的模擬電路83.1.3 具有死區(qū)特性的非線性環(huán)節(jié)的模擬電路83.1.4 具有間隙特性的非線性環(huán)節(jié)的模擬電路83.2 MAT

2、LABmultisim電路仿真83.2.1 利用Multisim繪制電路原理圖83.2.2 電路仿真94實(shí)驗(yàn)結(jié)果104.1 試驗(yàn)箱測(cè)試結(jié)果104.1.1 繼電型非線性環(huán)節(jié)的模擬電路104.1.2 飽和型非線性環(huán)節(jié)的模擬電路104.1.3 具有死區(qū)特性和間隙特性的非線性環(huán)節(jié)的模擬電路114.2 Multisim仿真結(jié)果125總結(jié)14參考文獻(xiàn)14摘要與關(guān)鍵詞摘要：非線性環(huán)節(jié)指狀態(tài)變量和輸出變量相對(duì)于輸入變量的運(yùn)動(dòng)特性不能用線性關(guān)系描述的控制系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)主要研究典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性，利用自控理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱完成對(duì)繼電型非線性環(huán)節(jié)靜特性、飽和型非線性環(huán)節(jié)靜特性、完成具有死區(qū)特性的非線性環(huán)

3、節(jié)靜特性、具有間隙特性的非線性環(huán)節(jié)靜特性的電路模擬研究。同時(shí)通過(guò)Multisim對(duì)電路進(jìn)行仿真，深入研究電路特性及原理。關(guān)鍵詞：非線性環(huán)節(jié)；電路仿真；正弦信號(hào)1設(shè)計(jì)目的了解并掌握典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性、典型非線性環(huán)節(jié)的電路模擬研究方法。學(xué)會(huì)使用MATLAB寸電路進(jìn)行仿真并模擬電路特性，掌握Multisim軟件的基本操作方法能夠使用Multisim繪制電路原理圖并仿真驗(yàn)證結(jié)果。學(xué)會(huì)使用模電中所學(xué)知識(shí)計(jì)算電路參數(shù)，會(huì)求傳遞函數(shù)，并驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果。Uoj御乩ill2.2具有飽和特性的非線性環(huán)節(jié)具有飽和特性非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性,理想飽和特性如圖2-2-1所示:該環(huán)節(jié)的模擬電路如圖2-2-2所示:特性飽

4、和部分的飽和值M等于穩(wěn)壓管的10k豳2-11222設(shè)計(jì)原理2.1具有繼電特性的非線性環(huán)節(jié)具有繼電特性非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性，即理想繼電特性如圖2-1-1所示。該環(huán)節(jié)的模擬電路如圖2-1-2所示。繼電特性參數(shù)M由雙向穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值與后一級(jí)運(yùn)放放大倍數(shù)之積決定。故改變圖2-1-2中電位器接入電阻的數(shù)值即可改變M當(dāng)阻值減小時(shí)，M也隨之減小。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以用周期斜坡或正弦信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)進(jìn)行靜態(tài)特性觀測(cè)。注意信號(hào)頻率的選擇應(yīng)足夠低，如1Hz。通常選用周期斜坡信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)時(shí)，選擇在X-Y顯示模式下觀測(cè)；選用正弦信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)時(shí)，選擇在X-t顯示模式下觀測(cè)。穩(wěn)壓值與后一級(jí)放大倍數(shù)的積，特性線性部分的斜率

5、K等于兩級(jí)運(yùn)放放大倍數(shù)之積。故改變圖2-2-2中的電位器接入電阻值時(shí)將同時(shí)改變M和K,它們隨阻值增大而增大。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以用周期斜坡或正弦信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)進(jìn)行靜態(tài)特性觀測(cè)。注意信號(hào)頻率的選擇應(yīng)足夠低，如1Hz。選用周期斜坡信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)時(shí)，可在X-Y顯示模式下觀測(cè)；選用正弦信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)時(shí)，可在X-t顯示模式下觀測(cè)。圖5.2.1圖2-2-1圖5.2.2圖2-2-22.3具有死區(qū)特性的非線性環(huán)節(jié)具有死區(qū)特性非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性，即理想死區(qū)特性如圖2-3-1所示:該環(huán)節(jié)的模擬電路如圖2-3-2所示:斜率K為:k=Rf/Ro死區(qū)15(v)=0.5R2v30:式中R2的單位為kQ,且R2=R1（實(shí)際

6、死區(qū)還要考慮二極管的壓降值）。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以用周期斜坡或正弦信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)進(jìn)行靜態(tài)特性觀測(cè)。注意信號(hào)頻率的選擇應(yīng)足夠低，如1Hz選用周期斜坡信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)時(shí)，可在X-Y顯示模式下觀測(cè)；選顯示模式下觀測(cè)。Uo用正弦信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)時(shí)，可在X-t2.4具有間隙特性的非線性環(huán)節(jié)具有間隙特性非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性，即理想間隙特性如圖2-4-1所示:該環(huán)節(jié)的模擬電路如圖2-4-2所示:圖中間隙特性的寬度，J2M15（v）H.5R2（v）（實(shí)際死30tgG區(qū)還要考慮二極管的壓降值），特性斜率，gCfCiC因此改變R1與R2可改變間隙特性的寬度，改變Cf可以調(diào)節(jié)特性斜率。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以用正弦信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)進(jìn)

7、行靜態(tài)特性觀測(cè)。UoCB注意信號(hào)頻率的選擇應(yīng)足夠低，如1Hz。選用正弦信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)時(shí)，可在X-t顯示模式下觀測(cè)。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(duì)稱，因而引起電容上電荷累積，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，故每次實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)前，需對(duì)電容進(jìn)行短接放電。怪52-4-13操作步驟3.1 試驗(yàn)箱電路測(cè)試3.1.1 繼電型非線性環(huán)節(jié)的模擬電路從圖2-1-1和圖2-1-2可知，利用實(shí)驗(yàn)箱上的單元U6即可獲得實(shí)驗(yàn)所需繼電型非線性環(huán)節(jié)的模擬電路。單元電路中雙向穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為5.1V,改變U6中的電位器的電阻接入值，即可改變繼電特性參數(shù)M,M隨阻值減小而減小?？衫弥芷谛逼禄蛘倚盘?hào)測(cè)試非線性環(huán)節(jié)的靜

8、態(tài)特性，下面分兩種情況說(shuō)明測(cè)試方法。無(wú)上位機(jī)時(shí)，利用實(shí)驗(yàn)箱上的信號(hào)源單元U2所輸出的正弦信號(hào)（或周期斜坡信號(hào)）作為環(huán)節(jié)輸入，即連接箱上U2的“正弦波”與環(huán)節(jié)的輸入端（對(duì)應(yīng)圖2-1-2的Ui）。然后用示波器觀測(cè)該環(huán)節(jié)的輸入與輸出（對(duì)應(yīng)圖2-1-2的Ui和Uo）。注意調(diào)節(jié)U2的正弦波信號(hào)“頻率”電位器RP5與“幅值”電位器RP6,以保證觀測(cè)到完整的波形。有上位機(jī)時(shí)，必須在熟悉上位機(jī)界面操作的基礎(chǔ)上，充分利用上位機(jī)提供的虛擬示波器與信號(hào)發(fā)生器功能。為了利用上位機(jī)提供的虛擬示波器與信號(hào)發(fā)生器功能，接線方式將不同于上述無(wú)上位機(jī)情況。此時(shí)將Ui連到實(shí)驗(yàn)箱U3單元的O1（D/A通道的輸出端）和I1（A/D通

9、道的輸入端），將Uo連到實(shí)驗(yàn)箱U3單元的I2（A/D通道的輸入端），并連好U3單元至上位機(jī)的USB2.0通信線。接線完成，經(jīng)檢查無(wú)誤，再給實(shí)驗(yàn)箱上電后，啟動(dòng)上位機(jī)程序，進(jìn)入主界面。界面上的操作步驟如下：按通道接線情況：選擇任一路A/D輸入作為環(huán)節(jié)的輸出，選擇任一路D/A作為環(huán)節(jié)的輸入.不同的通道，圖形顯示控件中波形的顏色將不同；將另一輸出通道直接送倒輸入通道（顯示示波器信號(hào)源發(fā)出的輸入波形）。硬件接線完畢后，檢查USB口通訊連線和實(shí)驗(yàn)箱電源后，運(yùn)行上位機(jī)軟件程序，如果有問(wèn)題請(qǐng)求指導(dǎo)教師幫助。進(jìn)入LabVIEW實(shí)驗(yàn)界面后，先對(duì)顯示進(jìn)行設(shè)置：選擇顯示模式（在LabVIEW圖形控件的右邊），可先選擇

10、“X-t模式”，或選擇“X-Y模式”，或同時(shí)顯示兩種模式.在兩種不同顯示方式下都觀察一下非線性的特性；選擇“T/DIV量程”（在實(shí)驗(yàn)界面的右邊框里）為1HZ/1S。在選擇顯示模式為“X-t模式”時(shí)。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)置，先選擇“測(cè)試信號(hào)”為正弦波，然后設(shè)置信號(hào)的幅值5（不是唯一的，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)曲線調(diào)整大小），“測(cè)試信號(hào)”也可以為周期斜坡信號(hào)，顯示模式可以同時(shí)用兩種顯示模式顯示非線性靜特性，也可以按照需要選擇任一種顯示模式，如“X-T模式”或者是“X-Y模式”。對(duì)“正弦波”：選才i“幅值”為“5V”，選擇“偏移”為0V,選才i"T/DIV”為“1HZ/1S”。對(duì)“周期斜坡信號(hào)”：選擇“幅值”為“

11、10V,選擇“偏移”為5V,選擇“T/DIV”為“1HZ/1S”。以上設(shè)置完成后，按照上面的步驟設(shè)置好信號(hào)后，點(diǎn)擊“下載數(shù)據(jù)”按鈕，將設(shè)置的測(cè)試信號(hào)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。按“開(kāi)始”按鈕啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，動(dòng)態(tài)波形得到顯示，直至周期反應(yīng)過(guò)程結(jié)束，實(shí)驗(yàn)也自動(dòng)結(jié)束，如設(shè)置合理就可以在主界面中間得到反映該非線性環(huán)節(jié)靜態(tài)特性的波形。注意，采用不同測(cè)試信號(hào)看到的波形或曲線是不同的。改變環(huán)節(jié)參數(shù)，按“開(kāi)始”啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，動(dòng)態(tài)波形得到顯示，直至周期反應(yīng)過(guò)程結(jié)束，實(shí)驗(yàn)也自動(dòng)結(jié)束，如設(shè)置合理就可以在主界面中間得到反映參數(shù)改變對(duì)該非線性環(huán)節(jié)靜態(tài)特性影響的波形。，按實(shí)驗(yàn)報(bào)告需要，將圖形結(jié)果保存為位圖文件，操作方法參閱軟件使用說(shuō)明書(shū)。

12、3.1.2 飽和型非線性環(huán)節(jié)的模擬電路從圖2-2-1和圖2-2-2可知，利用實(shí)驗(yàn)箱上的單元U7即可獲得實(shí)驗(yàn)所需飽和型非線性環(huán)節(jié)的模擬電路。單元電路中雙向穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為2.4V,改變U7中的電位器的電阻接入值，即可改變飽和特性參數(shù)K與MK與M隨阻值減小而減小?？衫弥芷谛逼禄蛘倚盘?hào)測(cè)試非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性，具體操作方法請(qǐng)參閱本實(shí)驗(yàn)步驟1,這里不再贅述。3.1.3 具有死區(qū)特性的非線性環(huán)節(jié)的模擬電路從圖2-3-1和圖2-3-2可知，利用實(shí)驗(yàn)箱上的單元U5,將該單元中的撥鍵S4撥向上方即可獲得實(shí)驗(yàn)所需具有死區(qū)特性的非線性環(huán)節(jié)的模擬電路。改變U5中的電阻Rf的阻值，即可改變死區(qū)特性線性部分斜率K,

13、K隨Rf增大而增大。改變U5中的電阻R1(=R2)的阻值，即可改變死區(qū)特性死區(qū)的寬度A,A隨R1增大而增大?？衫弥芷谛逼禄蛘倚盘?hào)測(cè)試非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性，具體操作方法請(qǐng)參閱本實(shí)驗(yàn)步驟1,這里不再贅述。3.1.4 具有間隙特性的非線性環(huán)節(jié)的模擬電路參閱本實(shí)驗(yàn)附錄4,從圖2-4-1和圖2-4-2可知，利用實(shí)驗(yàn)箱上的單元U5,將該單元中的撥鍵S4撥向下方即可獲得實(shí)驗(yàn)所需具有間隙特性的非線性環(huán)節(jié)的模擬電路。改變U5中的電容Cf的阻值,即可改變間隙特性線性部分斜率KK隨Cf增大而減小。改變U5中的電阻R1(=R2)的阻值，即可改變死區(qū)特性死區(qū)的寬度A,A隨R1增大而增大?？衫弥芷谛逼禄蛘倚盘?hào)測(cè)試

14、非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性，具體操作方法請(qǐng)參閱本實(shí)驗(yàn)步驟1,這里不再贅述。3.2 MATLABmultisim電路仿真3.2.1 利用Multisim繪制電路原理圖單擊placebasic彈出命令窗，在目錄下搜索resistor,使用10K電阻，放置于繪圖區(qū)；在菜單欄單擊placeTTL放置opamp_3t_virtual運(yùn)放；在右側(cè)菜單欄點(diǎn)擊functiongenerator放置信號(hào)源，選中正弦波信號(hào)，選才ioscilloscope放置示波器；用兩個(gè)相對(duì)的穩(wěn)壓管串聯(lián)代替原理圖中的電位器，按圖3-2-1鏈接導(dǎo)線。圖3-2-1multisim原理圖3.2.2 電路仿真點(diǎn)擊simulate,打開(kāi)下拉菜單

15、，單擊run,雙擊示波器，查看仿真結(jié)果。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果4.1 試驗(yàn)箱測(cè)試結(jié)果參數(shù)位置一位置二位置三Ui(V)6.56.56.5Uo(v)810.515f(Hz)0.80.80.84.1.2 飽和型非線性環(huán)節(jié)的模擬電路參數(shù)位置一位置二位置三Ui(V)6.56.56.5Uo(v)246.5f(Hz)1.51.51.5K2/34/313/74.1.3 具有死區(qū)特性和間隙特性的非線性環(huán)節(jié)的模擬電路參數(shù)具后死區(qū)特性的非線性劃、節(jié)具有間隙特性的非線性劃、節(jié)Ui(V)12.512.5Uo(v)7.56.25K(理論值)=Rf/R1K=Rf/R1=3.9K=C"Cf=1K(實(shí)驗(yàn)值)2.50.73圖4-1

16、-3a)具有死區(qū)特性的非線性環(huán)節(jié)X-YX-Y圖4-1-3b)具有死區(qū)特性的非線性環(huán)節(jié)X-t圖4-1-3c)具有間隙特性的非線性環(huán)節(jié)X-Y圖4-1-3d)具有間隙特性的非線性環(huán)節(jié)X-t4.2 Multisim仿真結(jié)果圖4-2-1a)繼電型非線性特性QsHIIgzope-X5clTttiMmXOfa'DMI|uAdd|BAIAjBIChyptiA¥pMAOfl|Q匹。31圖4-2-1b)飽和型非線性特性參數(shù)繼電型非線性飽和型非線性Uo(v)10105總結(jié)嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，任何一個(gè)實(shí)際控制系統(tǒng)，其元部件都或多或少的帶有非線性，當(dāng)能夠采用小偏差法將非線性系統(tǒng)線性化時(shí)，稱為非本質(zhì)線性。非線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型時(shí)非線性微分方程，故不能采用線性系統(tǒng)的研究方法來(lái)研究。典型非線性環(huán)節(jié)的應(yīng)用十分廣泛，非線性補(bǔ)償在流量精確測(cè)量、節(jié)能降耗、節(jié)能減排和穩(wěn)定調(diào)節(jié)系統(tǒng)中理論結(jié)合實(shí)際而發(fā)揮的作用日益明顯。在本次課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，我組利用試驗(yàn)箱對(duì)典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)電路的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，研究電路原理與構(gòu)成，及各個(gè)原件參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。同時(shí)為了加深對(duì)典型非線性系統(tǒng)原理的理解，我組成員自學(xué)了MATLABMultisim的電路仿真方法，并在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建實(shí)驗(yàn)原理圖，反復(fù)改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，得到了理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)本次的課程設(shè)計(jì)，我們收獲了很多在課堂上沒(méi)有學(xué)到的專