自控原理实验

1、实验八典型非线性环节的静态特性一、实验目的了解典型非线性环节输出一输入的静态特性及其相关的特征参数;掌握典型非线性环节用模拟电路实现的方法。二、实验内容继电器型非线性环节静特性的电路模拟；饱和型非线性环节静特性的电路模拟；具有死区特性非线性环节静特性的电路模拟；具有间隙特性非线性环节静特性的电路模拟。三、实验原理控制系统中的非线性环节有很多种，最常见的有饱和特性、死区特性、继电器特性和间隙特性。基于这些特性对系统的影响是各不相同的，因而了解它们输出一输入的静态特性将有助于对非线性系统的分析研究。继电型非线性环节图7-1为继电器型非线性特性的模拟电路和静态特性。图8-1继电器型非线性环节模拟电路

2、及其静态特性继电器特性参数M是由双向稳压管的稳压值（4.96V）和后级运放的放大倍数（Rx/R1）决定的，调节可变电位器R的阻值，就能很方便的改变M值的大小。输入u信号用正弦信号或周期性的斜坡信号（频率一般均小于10Hz）作为测试信号。实验时，用示波器的X-Y显示模式进行观测。饱和型非线性环节图7-2为饱和型非线性环节的模拟电路及其静态特性。图8-2饱和型非线性环节模拟电路及其静态特性图中饱和型非线性特性的饱和值M等于稳压管的稳压值（4.96V）与后一级放大倍数的乘积。线性部分斜率k等于两级运放增益之积。在实验时若改变前一级运放中电位器的阻值可改变k值的大小，而改变后一级运放中电位器的阻值则可

3、同时改变M和k值的大小。实验时，可以用周期性的斜坡或正弦信号作为测试信号，注意信号频率的选择应足够低(一般小于10Hz)。实验时，用示波器的X-Y显示模式进行观测。具有死区特性的非线性环节图7-3为死区特性非线性环节的模拟电路及其静态特性。图8-3死区特性非线性环节的模拟电路及其静态特性图中后一运放为反相器。由图中输入端的限幅电路可知，当二极管D(或0)导通时的临界电压Uo为RiuioR2其中，为UoE(在临界状态时1R2R_Ui0RiR2E)(7-1)R1R1R2。当UiUi0时,二极管D(或D2)导通,此时电路的输出电压R2R1R2(UiUio)(1)(UiUio)令k(1)，则上式变为U

4、ok(UiUio)(7-2)反之，当Ui|ui0时，二极管D(或D2)均不导通，电路的输出电压Uo为零。显然，该非线性电路的特征参数为k和Uio。只要调节，就能实现改变k和Uj。的大小。实验时，可以用周期性的斜坡或正弦信号作为测试信号，注意信号频率的选择应足够低(一般小于10Hz)。实验时，用示波器的X-Y显示模式进行观测。具有间隙特性的非线性环节间隙特性非线性环节的模拟电路图及静态特性如图7-4所示。由图7-4可知，当5E时，二极管D和D均不导通，电容O上没有电压，即U：1(G两端的电压)=0，Uo=O；当Uie时，二极管D2导通，Ui向G充电，其电压为j1Uo(1)(UiUio)令k(1)

5、，则上式变为Uok(UiUio)EE-A图7-4间隙特性非线性环节的模拟电路及其静态特性当UiUim时，ui开始减小，由于D和D都处于截止状态，电容G端电压保持不变,此时C上的端电压和电路的输出电压分别为Uc（1）（UimUio）Uo心帀Uio）当UiUimUio时，二极管D处于临界导通状态，若Ui继续减小，则二极管D导通，此时C放电，UC和U）都将随着ui减小而下降，即Uc（1）（UimUio）Uo心帀Uio）当uiUi0时，电容C放电完毕，输出电压Uo0。同理，可分析当Ui向负方向变化时的情况。在实验中，主要改变值，就可改变k和uio的值。实验时，可以用周期性的斜坡或正弦信号作为测试信号，

6、注意信号频率的选择。实验时,用示波器的X-Y显示模式进行观测。五、实验步骤1.继电器型非线性环节图8-5继电型非线性环节模拟电路在Ui输入端输入一个低频率的正弦波，正弦波的Vp-Vp值为16V,频率为10Hz。在下列几种情况下用示波器的X-Y显示方式（Ui端接至示波器的第一通道，uo端接至示波器的第二通道）测量静态特性M值的大小并记录。T1I-3,462VvT2ri保存时基通道B范匡）：伽ms刻度：5V/Drv刻度：1Wiv姻：EMtX釉位移（格）：oYttfe移格X0甲轴位移格）：0水平:|oVY/T勘B/AAJB交涼Q直渝交流1赣-单次止常自动无:波形图1.1当47K可调电位器调节至约1.

7、8K（M=1）时;模拟电路图X良向|注意选择示波器显示通道的选择，此处选择B/A1.2当47K可调电位器调节至约3.6K(M=2)时;:旳：:.im:Wv-10kC:utfiVEE1P.AV-:VDDl?.nvFW-AW-IQkQ模拟电路图波形图实际值M=2.08Rn:MtQ:1.3当47K可调电位器调节至约5.4K(M=3)时;TOCo1-5hzm:：02刿M1H册刖阴-VEE1?,0VVEEi?ivU1A皿：1flkn-:模拟电路图1?nv波形图实际值M=3.121模拟电路图1X时基通iia通道B范国：55:割度：|5v伽刻度；5V/CHvX轴位移（格）：0Y紬位移格”0甲轴位移（格）：E

8、YfT渤J更|辭轴I0I貞济I蛊叵1區口鮭发波形图理论值M=6实际值M=5.796饱和型非线性环节在Ui输入端输入一个低频率的正弦波，正弦波的Vp-Vp值为16V,频率为10Hz。将前一级运放中的电位器值调至10K（此时k=1），然后在下列几种情况下用示波器的X-Y显示方式（ui端接至示波器的第一通道，Uo端接至示波器的第二通道）测量静态特性M和k值的大小并记录。波形图理论值M=1实际值M=1.032模拟电路图可t波器-XC1T1-门*4通道一B通道T2ri-6.883V时星m：5&K轴位移格扛反向通道舟通道畠鮭岌刻度：5炯*T刻度：1忡边沿：IS七inbe-轴位移骼)：0丫轴位移：。水平:|

9、v1交济0I酣交济。1直流1-单次正常自动匡保存外触发V/T瘾1口BJA/B波形图理论值M=2实际值M=2.062.3当后一级运放中的电位器值调至约5.4K(M=3)时;VDO1?.VT14通道十7.137V3.090VT3T1保存反向反向波形图边沿:国十区水平：单次正常自动无理论值M=3实际值M=3.092.4当后一级运放中的电位器值调至约10K时;ini1N4BEvr1IjQV1T.-“-.-s-s.ua-WkWM1ZUVVEEA.M542岛貝U波形图理论值M=6实际值M=5.755死区特性非线性环节颁K-图7-7死区特性非线性环节模拟电路在Ui输入端输入一个低频率的正弦波，正弦波的Vp-

10、Vp值为16V,频率为10Hz。在下列几种情况下用示波器的X-Y显示方式（Ui端接至示波器的第一通道，Uo端接至示波器的第二通道）测量静态特性Uio和k值的大小并记录。模拟电路图理论值Uio=1.25VK=0.8波形图实际值Uio=模拟电路图波形图理论值Uio=1.25VK=0.8实际值Uio=模拟电路图波形图理论值Uio=1.25VK=0.8实际值Uio=注：本实验的土E值也可采用土5V。具有间隙特性非线性环节图7-8间隙特性非线性环节模拟电路在Ui输入端输入一个低频率的正弦波，正弦波的Vp-Vp值为16V,频率为10Hz。在下列几种情况下用示波器的X-Y显示方式（Ui端接至示波器的第一通道，Uo端接至示波器的第二通道）测量静态特性Uio和k值的大小并记录。4.1调节两个可变电位器，当两个R=2.0K，R=8.0K时；模拟电路图波形图4.2调节两个可变电位器，当两个R=2.5K,F2=7.5K时;模拟电路图波形图模拟电路图波形图波形图注意由于元件（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。注：本实验的土E值也可采用土5V。六、实验思考题模拟继电型电路的特性与理想特性有何不同？为什么？在ui的值在零附近一个较小的范围内变化时，模拟继电型电路的理想特性是uo随ui极性跃变成+M或者-M;