自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 實(shí)驗(yàn)十二 典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性

1、實(shí)驗(yàn)十二 典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性一、實(shí)驗(yàn)?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(shí)現(xiàn)的方法。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備同實(shí)驗(yàn)一。三、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)原理控制系統(tǒng)中的非線性環(huán)節(jié)有很多種，最常見(jiàn)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(duì)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(duì)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(jí)運(yùn)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(hào)用正弦信號(hào)或周期性的斜坡信號(hào)（頻率一般均小于10Hz）作為測(cè)試信號(hào)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，用示波器的X-Y顯示模式進(jìn)行觀測(cè)。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(jí)放大倍數(shù)的乘積。線性部分斜率k等于兩級(jí)運(yùn)放增益之積。

3、在實(shí)驗(yàn)時(shí)若改變前一級(jí)運(yùn)放中電位器的阻值可改變k值的大小，而改變后一級(jí)運(yùn)放中電位器的阻值則可同時(shí)改變M和k值的大小。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以用周期性的斜坡或正弦信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)，注意信號(hào)頻率的選擇應(yīng)足夠低（一般小于10Hz）。實(shí)驗(yàn)時(shí)，用示波器的X-Y顯示模式進(jìn)行觀測(cè)。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(yùn)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(shí)的臨界電壓Uio為 (在臨界狀態(tài)時(shí): ) (12.1)其中，。當(dāng)時(shí)，二極管D1（或D2）導(dǎo)通，此時(shí)電路的輸出電壓為 令，則上式變?yōu)?

4、(12.2)反之，當(dāng)時(shí)，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(shí)現(xiàn)改變和的大小。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以用周期性的斜坡或正弦信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)，注意信號(hào)頻率的選擇應(yīng)足夠低（一般小于10Hz）。實(shí)驗(yàn)時(shí)，用示波器的X-Y顯示模式進(jìn)行觀測(cè)。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(shí)，二極管D1和D2均不導(dǎo)通，電容C1上沒(méi)有電壓，即UC（C1兩端的電壓）=0，u0=0；當(dāng)時(shí)，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(shí)，

5、開(kāi)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(shí)C1上的端電壓和電路的輸出電壓分別為 當(dāng)時(shí)，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(shí)C1放電，UC和U0都將隨著減小而下降，即 當(dāng)時(shí)，電容C1放電完畢，輸出電壓。同理，可分析當(dāng)向負(fù)方向變化時(shí)的情況。在實(shí)驗(yàn)中，主要改變值，就可改變和的值。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以用周期性的斜坡或正弦信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)，注意信號(hào)頻率的選擇。實(shí)驗(yàn)時(shí)，用示波器的X-Y顯示模式進(jìn)行觀測(cè)。五、實(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(cè)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(shí)；2) 當(dāng)47K可調(diào)電位器調(diào)節(jié)至約3. 6K(M=2)時(shí)；3) 當(dāng)47K可調(diào)電位器調(diào)節(jié)至約5.4K(M=3)時(shí)；4) 當(dāng)47K可調(diào)電位器調(diào)節(jié)至約10K(M=6左右)時(shí)；注：本實(shí)驗(yàn)中所采用的正弦波最好用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的“低頻函數(shù)信號(hào)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(gè)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(jí)運(yùn)放中的電位器值調(diào)至10K (此時(shí)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(cè)量靜態(tài)特性M和k值的大小并記錄。1) 當(dāng)后一級(jí)運(yùn)放中的電位器值調(diào)至約1.8K(M=1)時(shí)；2) 當(dāng)后一級(jí)運(yùn)放中的電位器值調(diào)至約3.6K(M=2)時(shí)；3) 當(dāng)后一級(jí)運(yùn)放中的電位器值調(diào)至約5.4K(M=3)時(shí)；4) 當(dāng)后一級(jí)運(yùn)放中的電位器值調(diào)至約10K時(shí)；注：為了更好的觀察實(shí)驗(yàn)效果，“THBDC-1”軟件的時(shí)基最好設(shè)為-10+10或自動(dòng)。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(gè)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(cè)量靜態(tài)特性u(píng)io和k值的大小并記錄。1)調(diào)節(jié)兩個(gè)可變電位器，當(dāng)兩個(gè)R1=2.0K，R2=8.0K時(shí)；2)調(diào)節(jié)兩個(gè)可變電位器，當(dāng)兩個(gè)R1=2.5K，R2=7.5K時(shí)；注：本實(shí)驗(yàn)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(gè)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(cè)量靜態(tài)特性u(píng)io和k值的大小并記錄。1)調(diào)節(jié)兩個(gè)可變電位器，當(dāng)兩個(gè)R1=2.0K，R2=8.0K時(shí)；2)調(diào)節(jié)兩個(gè)可變電位器，當(dāng)兩個(gè)R1=2.5K，R2=7.5K時(shí)；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。注：本實(shí)驗(yàn)的E值也可采用5V。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1. 畫出各典型非線性環(huán)