自控原理实验.docx
《自控原理实验.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自控原理实验.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
自控原理实验
.
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（4.9～6V）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（4.9～6V）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
uio
R1E
E（在临界状态时:
R2
ui0
R1
E）（7-1）
R1
R1R2
R2
1
R2
其中，
R1
。
当ui
ui0
时，二极管
1
2
）导通，此时电路的输出电压
R1
D（或D
R2
为
uo
R2
（uiuio）
（1
）（uiuio）
R1
R2
令k
（1
），则上式变为
uo
k（uiuio）
（7-2）
反之，当ui
ui0
时，二极管
D1（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uio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ui
E时，二极管D和D均不导通，电容
C上没有电压，即
U
1
1
2
1
C
（C1两端的电压）=0，u0=0；当ui
E时，二极管D2导通，ui向C1充电，其电压为
1
uo
（1
）（ui
uio）
令k
（1
），则上式变为
uo
k（ui
uio）
;.
.
图7-4
间隙特性非线性环节的模拟电路及其静态特性
当
ui
uim
时，ui开始减小，由于D和D都处于截止状态，电容
C端电压保持不变，
12
1
此时C上的端电压和电路的输出电压分别为
1
uC
（1
）（uim
uio）
u0
k（uim
uio）
当ui
uim
uio
时，二极管D1处于临界导通状态，若
ui继续减小，则二极管
D1导通，
此时C放电，U和U都将随着ui减小而下降，即
1
C
0
uC
（1
）（uim
uio）
u0
k（uim
uio）
当
ui
1
放电完毕，输出电压u00
。
同理，可分析当ui向负方向变化
ui0时，电容C
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，
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。
;.
.
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
;.
.
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=2.08
;.
.
1.3当47K可调电位器调节至约5.4K（M=3）时；
模拟电路图
波形图
理论值M=3实际值M=3.121
;.
.
1.4当47K可调电位器调节至约10K（M=6左右）时；
模拟电路图
波形图
理论值M=6实际值M=5.796
;.
.
2.饱和型非线性环节
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
;.
.
波形图
理论值M=1实际值M=1.032
2.2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
;.
.
波形图
理论值M=2实际值M=2.06
2.3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
;.
.
波形图
理论值M=3实际值M=3.09
2.4当后一级运放中的电位器值调至约10K时；
模拟电路图
;.
.
波形图
理论值M=6实际值M=5.755
3.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。
;.
.
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=1.25VK=0.8实际值Uio=
;.
.
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=1.25VK=0.8实际值Uio=
;.
.
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=1.25VK=0.8实际值Uio=
注：
本实验的±E值也可采用±5V。
;.
.
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
;.
.
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
;.
.
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
;.
.
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？
uioR1EE
R21
;.
升级会员 