自動控制理論實驗項目 實驗十二 典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性_第1頁
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文檔簡介

1、實驗十二 典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性一、實驗?zāi)康?. 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(guān)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、實驗設(shè)備同實驗一。三、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。四、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12-1為繼電器

2、型非線性特性的模擬電路和靜態(tài)特性。 圖12-1 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12-2為飽和型非線性環(huán)節(jié)的模擬電路及其靜態(tài)特性。圖12-2 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。

3、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(yīng)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12-3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12-3 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(dāng)二極管D1(或D2)導(dǎo)通時的臨界電壓Uio為 (在臨界狀態(tài)時: ) (12.1)其中,。當(dāng)時,二極管D1(或D2)導(dǎo)通,此時電路的輸出電壓為 令,則上式變?yōu)?

4、(12.2)反之,當(dāng)時,二極管D1(或D2)均不導(dǎo)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(yīng)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12-4所示。由圖12-4可知,當(dāng)時,二極管D1和D2均不導(dǎo)通,電容C1上沒有電壓,即UC(C1兩端的電壓)=0,u0=0;當(dāng)時,二極管D2導(dǎo)通,ui向C1充電,其電壓為 令,則上式變?yōu)?圖12-4 間隙特性非線性環(huán)節(jié)的模擬電路及其靜態(tài)特性當(dāng)時,

5、開始減小,由于D1和D2都處于截止?fàn)顟B(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(dāng)時,二極管D1處于臨界導(dǎo)通狀態(tài),若繼續(xù)減小,則二極管D1導(dǎo)通,此時C1放電,UC和U0都將隨著減小而下降,即 當(dāng)時,電容C1放電完畢,輸出電壓。同理,可分析當(dāng)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12-5 繼電型非線性環(huán)節(jié)模擬電路(電路單元:U5和電位器組)在ui輸入端輸入一個低頻率的正弦波,正弦波的Vp-Vp值大于1

6、2V,頻率為10Hz。在下列幾種情況下用示波器的X-Y(虛擬示波器上的Plot XY模式,本實驗中其它部分相同)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) 當(dāng)47K可調(diào)電位器調(diào)節(jié)至約1.8K(M=1)時;2) 當(dāng)47K可調(diào)電位器調(diào)節(jié)至約3. 6K(M=2)時;3) 當(dāng)47K可調(diào)電位器調(diào)節(jié)至約5.4K(M=3)時;4) 當(dāng)47K可調(diào)電位器調(diào)節(jié)至約10K(M=6左右)時;注:本實驗中所采用的正弦波最好用實驗臺上的“低頻函數(shù)信號發(fā)生器”提供。2. 飽和型非線性環(huán)節(jié) 圖12-6 飽和型非線性環(huán)節(jié)模擬電路(電路單元:U5和電位器組)在ui輸入端輸

7、入一個低頻率的正弦波,正弦波的Vp-Vp值大于12V,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。1) 當(dāng)后一級運放中的電位器值調(diào)至約1.8K(M=1)時;2) 當(dāng)后一級運放中的電位器值調(diào)至約3.6K(M=2)時;3) 當(dāng)后一級運放中的電位器值調(diào)至約5.4K(M=3)時;4) 當(dāng)后一級運放中的電位器值調(diào)至約10K時;注:為了更好的觀察實驗效果,“THBDC-1”軟件的時基最好設(shè)為-10+10或自動。3. 死區(qū)特性非線性環(huán)節(jié)圖12-7 死

8、區(qū)特性非線性環(huán)節(jié)模擬電路(電路單元:U5、U6和電位器組)在ui輸入端輸入一個低頻率的正弦波,正弦波的Vp-Vp值大于12V,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。1)調(diào)節(jié)兩個可變電位器,當(dāng)兩個R1=2.0K,R2=8.0K時;2)調(diào)節(jié)兩個可變電位器,當(dāng)兩個R1=2.5K,R2=7.5K時;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12-8 間隙特性非線性環(huán)節(jié)模擬電路(電路單元:U5、U9、U17和電位器組)在ui輸入端輸入一個低頻率的正弦波,正弦波的Vp-Vp值大于12V,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。1)調(diào)節(jié)兩個可變電位器,當(dāng)兩個R1=2.0K,R2=8.0K時;2)調(diào)節(jié)兩個可變電位器,當(dāng)兩個R1=2.5K,R2=7.5K時;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(jié)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、實驗報告要求1. 畫出各典型非線性環(huán)

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