自控原理实验8

实验八 典型非线性环节的静态特性一、实验目的1. 了解典型非线性环节输出输入的静态特性及其相关的特征参数；2. 掌握典型非线性环节用模拟电路实现的方法。二、实验内容 1. 继电器型非线性环节静特性的电路模拟；2. 饱和型非线性环节静特性的电路模拟；3. 具有死区特性非线性环节静特性的电路模拟；4. 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，因而了解它们输出输入的静态特性将有助于对非线性系统的分析研究。1. 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RX的阻值，就能很方便的改变M值的大小。输入ui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。2. 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请预览后下载！k值的大小，而改变后一级运放中电位器的阻值则可同时改变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。3. 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D1（或D2）导通时的临界电压Uio为 (在临界状态时: ) (7-1)其中，。当时，二极管D1（或D2）导通，此时电路的输出电压为 令，则上式变为 (7-2)反之，当时，二极管D1（或D2）均不导通，电路的输出电压为零。显然，该非线性电路的特征参数为和。只要调节，就能实现改变和的大小。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。4. 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，当时，二极管D1和D2均不导通，电容C1上没有电压，即UC（C1两端的电压）=0，u0=0；当时，二极管D2导通，ui向C1充电，其电压为 令，则上式变为 请预览后下载！图7-4 间隙特性非线性环节的模拟电路及其静态特性当时，开始减小，由于D1和D2都处于截止状态，电容C1端电压保持不变，此时C1上的端电压和电路的输出电压分别为 当时，二极管D1处于临界导通状态，若继续减小，则二极管D1导通，此时C1放电，UC和U0都将随着减小而下降，即 当时，电容C1放电完毕，输出电压。同理，可分析当向负方向变化时的情况。在实验中，主要改变值，就可改变和的值。实验时，可以用周期性的斜坡或正弦信号作为测试信号，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。请预览后下载！1.1 当47K可调电位器调节至约1.8K(M=1)时； 模拟电路图 波形图注意选择示波器显示通道的选择，此处选择B/A 理论值 M=1 实际值M=1.04 符合请预览后下载！1.2 当47K可调电位器调节至约3. 6K(M=2)时； 模拟电路图波形图理论值M=2 实际值M=2.081.3 当47K可调电位器调节至约5.4K(M=3)时；请预览后下载！ 模拟电路图 波形图理论值M=3 实际值M=3.1211.4 当47K可调电位器调节至约10K(M=6左右)时；请预览后下载！ 模拟电路图 波形图理论值M=6 实际值M=5.7962. 饱和型非线性环节 请预览后下载！图7-6 饱和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。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。2.1 当后一级运放中的电位器值调至约1.8K(M=1)时； 模拟电路图请预览后下载！ 波形图理论值M=1 实际值M=1.0322.2 当后一级运放中的电位器值调至约3.6K(M=2)时； 模拟电路图请预览后下载！ 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；模拟电路图请预览后下载！ 波形图理论值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； 模拟电路图请预览后下载！ 波形图理论值M=6 实际值M=5.7553. 死区特性非线性环节图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-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。请预览后下载！3.1调节两个可变电位器，当两个R1=2.0K，R2=8.0K时； 模拟电路图 波形图理论值 Uio=1.25V K=0.8 实际值Uio=请预览后下载！3.2调节两个可变电位器，当两个R1=2.5K，R2=7.5K时； 模拟电路图 波形图理论值 Uio=1.25V K=0.8 实际值Uio=请预览后下载！3.3调节两个可变电位器，当两个R1=3.3K，R2=6.6K时；模拟电路图 波形图理论值 Uio=1.25V K=0.8 实际值Uio=注：本实验的E值也可采用5V。请预览后下载！4. 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R1=2.0K，R2=8.0K时； 模拟电路图请预览后下载！ 波形图4.2调节两个可变电位器，当两个R1=2.5K，R2=7.5K时； 模拟电路图请预览后下载！ 波形图4.3调节两个可变电位器，当两个R1=3.3K，R2=6.6K时；模拟电路图请预览后下载！ 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E值也可采用5V。六、实验思考题1. 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；但是在试验中可以看出在这个小范围内uo与ui呈线性关系，当ui增大时，逐渐变为非线性。这是因为当ui值很小时，双向稳压管虽已导通但并未立即进入饱和状态，此时其相当于一个电阻，因而uo与ui呈线性关系，但当ui逐渐增大时，双向稳压管也逐渐进入饱和状态，故uo与ui呈现非线性关系。2. 死区非线性环节中二极管的临界导通电压Uio是如何确定的？ （注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!） 请预览后下载！