典型非线性环节的静态特性

1、物理与电子信息学院电子信息工程专业课程设计报告课程名称自动控制原理设计题目典型非线性环节的静态特性专业名称电子信息工程班级13电子（1）班、（2）班学号学生姓名指导教师完成时间2016年6月11日目录摘要与关键词31设计目的42设计原理52.1具有继电特性的非线性环节52.2具有饱和特性的非线性环节52.3具有死区特性的非线性环节52.4具有间隙特性的非线性环节63操作步骤73.1试验箱电路测试73.1.1继电型非线性环节的模拟电路73.1.2饱和型非线性环节的模拟电路83.1.3具有死区特性的非线性环节的模拟电路83.1.4具有间隙特性的非线性环节的模拟电路83.2MATLAB、multis

2、im电路仿真83.2.1利用Multisim绘制电路原理图83.2.2电路仿真94实验结果104.1试验箱测试结果104.1.1继电型非线性环节的模拟电路104.1.2饱和型非线性环节的模拟电路104.1.3具有死区特性和间隙特性的非线性环节的模拟电路114.2Multisim仿真结果125总结14参考文献1415摘要与关键词摘要：非线性环节指状态变量和输出变量相对于输入变量的运动特性不能用线性关系描述的控制系统。该实验主要研究典型非线性环节的静态特性，利用自控理论及计算机控制技术实验箱完成对继电型非线性环节静特性、饱和型非线性环节静特性、完成具有死区特性的非线性环节静特性、具有间隙特性的非线

3、性环节静特性的电路模拟研究。同时通过Multisim对电路进行仿真，深入研究电路特性及原理。关键词：非线性环节；电路仿真；正弦信号1设计目的了解并掌握典型非线性环节的静态特性、典型非线性环节的电路模拟研究方法。学会使用MATLAB对电路进行仿真并模拟电路特性，掌握Multisim软件的基本操作方法能够使用Multisim绘制电路原理图并仿真验证结果。学会使用模电中所学知识计算电路参数，会求传递函数，并验证计算结果。2设计原理2.1具有继电特性的非线性环节图袒.1具有继电特性非线性环节的静态特性，即理想继电特性如图2-1-1所示。该环节的模拟电路如图2-1-2所示。继电特性参数M,由双向稳压管的

4、稳压值与后一级运放放大倍数之积决定。故改变图2-1-2中电位器接入电阻的数值即可改变M。当阻值减小时，M也随之减小。实验时，可以用周期斜坡或正弦信号作为测试信号进行静态特性观测。注意信号频率的选择应足够低，如1Hz。通常选用周期斜坡信号作为测试信号时，选择在X-Y显示模式下观测；选用正弦信号作为测试信号时，选择在X-t显示模式下观测。2.2具有饱和特性的非线性环节具有饱和特性非线性环节的静态特性，即理想饱和特性如图2-2-1所示：该环节的模拟电路如图2-2-2所示：特性饱和部分的饱和值M等于稳压管的稳压值与后一级放大倍数的积，特性线性部分的斜率K等于两级运放放大倍数之积。故改变图2-2-2中的

5、电位器接入电阻值时将同时改变M和K，它们随阻值增大而增大。图5.2.2图2-2-2即理想死区特性如图2-3-1所示:SF2-3-1实验时，可以用周期斜坡或正弦信号作为测试信号进行静态特性观测。注意信号频率的选择应足够低，如1Hz。选用周期斜坡信号作为测试信号时，可在X-Y显示模式下观测；选用正弦信号作为测试信号时，可在X-t显示模式下观测。2.3具有死区特性的非线性环节具有死区特性非线性环节的静态特性,该环节的模拟电路如图2-3-2所示：斜率K为:死区A=30%15(v)=0-5R2V,式中R2的单位为k°，且R2=R1(实际死区还要考虑二极管的压降值)。实验时，可以用周期斜坡或正弦

6、信号作为测试信号进行静态特性观测。注意信号频率的选择应足够低，如1Hz。选用周期斜坡信号作为测试信号时，可在X-Y显示模式下观测；选15vu30k30kR->u1+o+!>R15vRf少R2-M用正弦信号作为测试信号时，可在x-t显示模式下观测。2.4具有间隙特性的非线性环节具有间隙特性非线性环节的静态特性，即理想间隙特性如图2-4-1所示:该环节的模拟电路如图2-4-2所示:图中间隙特性的宽度，a=R2x15(v)=05R(v)(实际死302C区还要考虑二极管的压降值)，特性斜率，tga=CCfi-因此改变R1与R2可改变间隙特性的宽度，改变Cf可以调节特性斜率。实验时，可以用正

7、弦信号作为测试信号进行静态特性观测。注意信号频率的选择应足够低，如1Hz。选用正弦信号作为测试信号时，可在X-t显示模式下观测。注意由于元件(二极管、电阻等)参数数值的分散性，造成电路不对称，因而引起电容上电荷累积，影响实验结果，故每次实验启动前，需对电容进行短接放电。3操作步骤3.1试验箱电路测试3.1.1继电型非线性环节的模拟电路从图2-1-1和图2-1-2可知，利用实验箱上的单元U6即可获得实验所需继电型非线性环节的模拟电路。单元电路中双向稳压管的稳压值为5.1V，改变U6中的电位器的电阻接入值，即可改变继电特性参数M,M随阻值减小而减小。可利用周期斜坡或正弦信号测试非线性环节的静态特性

8、，下面分两种情况说明测试方法。无上位机时，利用实验箱上的信号源单元U2所输出的正弦信号（或周期斜坡信号）作为环节输入，即连接箱上U2的“正弦波”与环节的输入端（对应图2-1-2的Ui）。然后用示波器观测该环节的输入与输出（对应图2-1-2的Ui和Uo）。注意调节U2的正弦波信号“频率”电位器RP5与“幅值”电位器RP6，以保证观测到完整的波形。有上位机时，必须在熟悉上位机界面操作的基础上，充分利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能。为了利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能，接线方式将不同于上述无上位机情况。此时将Ui连到实验箱U3单元的O1（D/A通道的输出端）和I1（A/D通道的输

9、入端），将Uo连到实验箱U3单元的I2（A/D通道的输入端），并连好U3单元至上位机的USB2.0通信线。接线完成，经检查无误，再给实验箱上电后，启动上位机程序，进入主界面。界面上的操作步骤如下: 按通道接线情况：选择任一路A/D输入作为环节的输出，选择任一路D/A作为环节的输入.不同的通道，图形显示控件中波形的颜色将不同；将另一输出通道直接送倒输入通道（显示示波器信号源发出的输入波形）。 硬件接线完毕后，检查USB口通讯连线和实验箱电源后，运行上位机软件程序,如果有问题请求指导教师帮助。 进入LabVIEW实验界面后，先对显示进行设置：选择显示模式（在LabVIEW图形控件的右边），可先选择

10、“X-t模式”，或选择“X-Y模式”，或同时显示两种模式.在两种不同显示方式下都观察一下非线性的特性；选择“T/DIV量程”（在实验界面的右边框里）为1HZ/1S。在选择显示模式为“X-t模式”时。 进行实验设置，先选择“测试信号”为正弦波，然后设置信号的幅值5（不是唯一的，可根据实验曲线调整大小），“测试信号”也可以为周期斜坡信号，显示模式可以同时用两种显示模式显示非线性静特性，也可以按照需要选择任一种显示模式，如“X-T模式”或者是“X-Y模式”。对“正弦波”：选择“幅值”为“5V”，选择“偏移”为0V,选择“T/DIV”为“1HZ/1S”。对“周期斜坡信号”：选择“幅值”为“10V”，选

11、择“偏移”为一5V，选择“T/DIV”为“1HZ/1S”。 以上设置完成后，按照上面的步骤设置好信号后，点击“下载数据”按钮，将设置的测试信号发送到数据采集系统。按“开始”按钮启动实验，动态波形得到显示，直至周期反应过程结束,实验也自动结束，如设置合理就可以在主界面中间得到反映该非线性环节静态特性的波形。注意，采用不同测试信号看到的波形或曲线是不同的。 改变环节参数，按“开始”启动实验，动态波形得到显示，直至周期反应过程结束，实验也自动结束，如设置合理就可以在主界面中间得到反映参数改变对该非线性环节静态特性影响的波形。， 按实验报告需要，将图形结果保存为位图文件，操作方法参阅软件使用说明书。3

12、.1.2饱和型非线性环节的模拟电路从图2-2-1和图2-2-2可知，利用实验箱上的单元U7即可获得实验所需饱和型非线性环节的模拟电路。单元电路中双向稳压管的稳压值为2.4V，改变U7中的电位器的电阻接入值，即可改变饱和特性参数K与M,K与M随阻值减小而减小。可利用周期斜坡或正弦信号测试非线性环节的静态特性，具体操作方法请参阅本实验步骤1，这里不再赘述。3.1.3具有死区特性的非线性环节的模拟电路从图2-3-1和图2-3-2可知，利用实验箱上的单元U5,将该单元中的拨键S4拨向上方即可获得实验所需具有死区特性的非线性环节的模拟电路。改变U5中的电阻Rf的阻值，即可改变死区特性线性部分斜率K，K随

13、Rf增大而增大。改变U5中的电阻R1(=R2)的阻值，即可改变死区特性死区的宽度，随R1增大而增大。可利用周期斜坡或正弦信号测试非线性环节的静态特性，具体操作方法请参阅本实验步骤1，这里不再赘述。3.1.4具有间隙特性的非线性环节的模拟电路参阅本实验附录4,从图2-4-1和图2-4-2可知，利用实验箱上的单元U5,将该单元中的拨键S4拨向下方即可获得实验所需具有间隙特性的非线性环节的模拟电路。改变U5中的电容Cf的阻值,即可改变间隙特性线性部分斜率K，K随Cf增大而减小。改变U5中的电阻R1(=R2)的阻值，即可改变死区特性死区的宽度，随R1增大而增大。可利用周期斜坡或正弦信号测试非线性环节的

14、静态特性，具体操作方法请参阅本实验步骤1，这里不再赘述。3.2MATLAB、multisim电路仿真3.2.1利用Multisim绘制电路原理图单击placebasic弹出命令窗，在目录下搜索resistor,使用10K电阻，放置于绘图区；在菜单栏单击placeTTL放置opamp_3t_virtual运放；在右侧菜单栏点击functiongenerator放置信号源，选中正弦波信号，选择oscilloscope放置示波器;用两个相对的稳压管串联代替原理图中的电位器,按图3-2-1链接导线。：IMO：；3.2.2电路仿真图3-2-1multisim原理图点击Simulate,打开下拉菜单，单击

15、run,双击示波器，查看仿真结果。4实验结果4.1试验箱测试结果4.1.1继电型非线性环节的模拟电路图4-1-1a）位置一图4TTb）位置二图4-1-1c）位置三参数位置一位置二位置三u(V)6.56.56.5iu(v)810.515Of(Hz)0.80.80.84.1.2饱和型非线性环节的模拟电路参数位置一位置二位置三U(V)6.56.56.5iu(v)246.5Of(Hz)1.51.51.5K2/34/313/7图4-1-2a)位置一图4-1-2b)位置二图4-1-2c)位置三4.1.3具有死区特性和间隙特性的非线性环节的模拟电路参数具有死区特性的非线性环节具有间隙特性的非线性环节U(V)

16、12.512.5iu(v)7.56.25OK（理论值）二R/RK=R/R=3.9K=C/C=1J1K（实验值）丿12.5iJ0.73图4-1-3a）具有死区特性的非线性环节X-Y图4-1-3c）具有间隙特性的非线性环节X-YX-Y图4-1-3b）具有死区特性的非线性环节X-t4.2Multisim仿真结果参数继电型非线性饱和型非线性-o(V)1010Osci11oscope-XSC1Ext.Triggeri|TimeCftannel_ACfianr>el_B136.003ims-10.S4BVrCrrAScab15V/DiwYposition|0：Z>lScale|10V/DivY

17、position厂TimebaseSsate12ms.|!DivXposition|>3y/TAdd|aT0|OC|£(AC0|TriggerEdie孑也pTLevelTypeSir>g.|Nor.|Auto|Nore图4-2-1a）继电型非线性特性图4-2-1b）饱和型非线性特性5总结严格来说，任何一个实际控制系统，其元部件都或多或少的带有非线性，当能够采用小偏差法将非线性系统线性化时，称为非本质线性。非线性系统的数学模型时非线性微分方程，故不能采用线性系统的研究方法来研究。典型非线性环节的应用十分广泛，非线性补偿在流量精确测量、节能降耗、节能减排和稳定调节系统中理论结合实际而发挥的作用日益明显。在本次课程设计实验中，我组利用试验箱对典型非线性环节的静态特性进行了测试，对电路的参数进行设置，研究电路原理与构成，及各个原件参数对实验结果的影响。同时为了加深对典型非线性系统原理的理解，我组成员自学了MATLAB和Multisim的电路仿真方法，并在计算机上构建实验原理图，反复改变实验参数，得到了理想的实验结果。通过本次的课程设计，我们收获