【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 成該環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性測(cè)試；并改變參數(shù)，觀測(cè)參數(shù)對(duì)靜態(tài)特性的影響。參閱本實(shí)驗(yàn)附錄2,，利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的單元U7即可獲得實(shí)驗(yàn)所需飽和型非線性環(huán)節(jié)的模擬電路。，改變U7中的電位器的電阻接入值，即可改變飽和特性參數(shù)K與M，K與M隨阻值減小而減小?？衫弥芷谛逼禄蛘倚盘?hào)測(cè)試非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性，具體操作方法請(qǐng)參閱本實(shí)驗(yàn)步驟1，這里不再贅述。3．利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)并連接具有死區(qū)特性的非線性環(huán)節(jié)的模擬電路，完成該環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性測(cè)試；并改變參數(shù)，觀測(cè)參數(shù)對(duì)靜態(tài)特性的影響。參閱本實(shí)驗(yàn)附錄3,，利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的單元U5，將該單元中的撥鍵S4撥向上方即可獲得實(shí)驗(yàn)所需具有死區(qū)特性的非線性環(huán)節(jié)的模擬電路。改變U5中的電阻Rf的阻值，即可改變死區(qū)特性線性部分斜率K，K隨Rf增大而增大。改變U5中的電阻R1（＝R2）的阻值，即可改變死區(qū)特性死區(qū)的寬度Δ，Δ隨R1增大而增大?？衫弥芷谛逼禄蛘倚盘?hào)測(cè)試非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性，具體操作方法請(qǐng)參閱本實(shí)驗(yàn)步驟1，這里不再贅述。4．利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)并連接具有間隙特性的非線性環(huán)節(jié)的模擬電路，完成該環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性測(cè)試；并改變參數(shù)，觀測(cè)參數(shù)對(duì)靜態(tài)特性的影響。參閱本實(shí)驗(yàn)附錄4,，利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的單元U5，將該單元中的撥鍵S4撥向下方即可獲得實(shí)驗(yàn)所需具有間隙特性的非線性環(huán)節(jié)的模擬電路。改變U5中的電容Cf的阻值，即可改變間隙特性線性部分斜率K，K隨Cf增大而減小。改變U5中的電阻R1（＝R2）的阻值，即可改變死區(qū)特性死區(qū)的寬度Δ，Δ隨R1增大而增大?？衫弥芷谛逼禄蛘倚盘?hào)測(cè)試非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性，具體操作方法請(qǐng)參閱本實(shí)驗(yàn)步驟1，這里不再贅述。請(qǐng)注意，單元U5不含運(yùn)放鎖零電路，為避免電容上電荷累積影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在每次實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)前，務(wù)必對(duì)電容進(jìn)行短接放電。5．分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。四．附錄1．具有繼電特性的非線性環(huán)節(jié)具有繼電特性非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性。繼電特性參數(shù)M，由雙向穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值與后一級(jí)運(yùn)放放大倍數(shù)之積決定。當(dāng)阻值減小時(shí)，M也隨之減小。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以用周期斜坡或正弦信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)進(jìn)行靜態(tài)特性觀測(cè)。注意信號(hào)頻率的選擇應(yīng)足夠低，如1Hz。通常選用周期斜坡信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)時(shí)，選擇在XY顯示模式下觀測(cè)；選用正弦信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)時(shí)，選擇在Xt顯示模式下觀測(cè)。2．具有飽和特性的非線性環(huán)節(jié)具有飽和特性非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性，：：特性飽和部分的飽和值M等于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值與后一級(jí)放大倍數(shù)的積，特性線性部分的斜率K等于兩級(jí)運(yùn)放放大倍數(shù)之積。，它們隨阻值增大而增大。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以用周期斜坡或正弦信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)進(jìn)行靜態(tài)特性觀測(cè)。注意信號(hào)頻率的選擇應(yīng)足夠低，如1Hz。選用周期斜坡信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)時(shí)，可在XY顯示模式下觀測(cè)；選用正弦信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)時(shí)，可在Xt顯示模式下觀測(cè)。3．具有死區(qū)特性的非線性環(huán)節(jié)具有死區(qū)特性非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性，：：斜率K為： 死區(qū)，式中R2的單位為，且R2＝R1（實(shí)際死區(qū)還要考慮二極管的壓降值）。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以用周期斜坡或正弦信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)進(jìn)行靜態(tài)特性觀測(cè)。注意信號(hào)頻率的選擇應(yīng)足夠低，如1Hz。選用周期斜坡信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)時(shí)，可在XY顯示模式下觀測(cè)；選用正弦信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)時(shí)，可在Xt顯示模式下觀測(cè)。4．具有間隙特性的非線性環(huán)節(jié)具有間隙特性非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性，：：圖中間隙特性的寬度,（實(shí)際死區(qū)還要考慮二極管的壓降值），特性斜率，因此改變R1與R2可改變間隙特性的寬度，改變可以調(diào)節(jié)特性斜率。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以用正弦信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)進(jìn)行靜態(tài)特性觀測(cè)。注意信號(hào)頻率的選擇應(yīng)足夠低，如1Hz。選用正弦信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)時(shí)，可在Xt顯示模式下觀測(cè)。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。實(shí)驗(yàn)六 非線性系統(tǒng)相平面法一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．學(xué)習(xí)用相平面法分析非線性系統(tǒng)。2．熟悉研究非線性系統(tǒng)的電路模擬研究方法。二．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．用相平面法分析繼電型非線性系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差。2．用相平面法分析帶速度負(fù)反饋的繼電型非線性系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差。3．用相平面法分析飽和型非線性系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差。三．實(shí)驗(yàn)步驟1．利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)并連接一未加校正的繼電型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路，利用階躍輸入作測(cè)試信號(hào)，觀測(cè)和記錄系統(tǒng)在（,）相平面上的相軌跡，利用該相軌跡分析系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差，并與測(cè)得的系統(tǒng)偏差的階躍響應(yīng)作比較。參閱本實(shí)驗(yàn)附錄1,，利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的單元UUU1U15和U8可連成實(shí)驗(yàn)所需未加校正的繼電型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路?？衫弥芷陔A躍信號(hào)測(cè)試該非線性系統(tǒng)的相軌跡和階躍響應(yīng)，下面分兩種情況說明測(cè)試方法。在熟悉上位機(jī)界面操作的基礎(chǔ)上，充分利用上位機(jī)提供的虛擬示波器與信號(hào)發(fā)生器功能。為了利用上位機(jī)提供的虛擬示波器與信號(hào)發(fā)生器功能，此時(shí)可將系統(tǒng)輸入端r(t)連到實(shí)驗(yàn)臺(tái)U3單元的D/A輸出通道O1或O2（假設(shè)選擇O1），將運(yùn)放的鎖零G連到鎖零信號(hào)G1，將X1（即e）連到實(shí)驗(yàn)臺(tái)的U3單元的A/D輸入端通道I1，將X2(即） 連到實(shí)驗(yàn)臺(tái)的U3單元的A/D輸入端通道I2，然后連接設(shè)備與上位機(jī)的USB通信線。接線完成，經(jīng)檢查無誤，再給實(shí)驗(yàn)臺(tái)上電后，啟動(dòng)上位機(jī)程序，進(jìn)入主界面。界面上的操作步驟如下：①按通道接線情況: 選擇第1路A/D輸入I1作為環(huán)節(jié)中的采樣信號(hào)X的輸入端, 選擇第2路A/D輸入I2作為環(huán)節(jié)中的采樣信號(hào)Y的輸入端,選擇第1路D/A輸出O1作為環(huán)節(jié)的輸入端。不同的通道,圖形顯示控件中波形的顏色將不同。②按上述說明硬件接線完成后，檢查USB口通訊連線是否接好和實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源后運(yùn)行上位機(jī)程序，如有問題則請(qǐng)求指導(dǎo)教師幫助。③進(jìn)入實(shí)驗(yàn)界面后，先對(duì)顯示進(jìn)行設(shè)置：選擇“XY模式”和“Xt模式”同時(shí)顯示，Xt模式主要為了觀測(cè)系統(tǒng)誤差e(t)的階躍響應(yīng)。選擇“T/DIV”；并在界面右方對(duì)采樣通道X(AD1)選擇“1”(即反相)，對(duì)采樣通道Y(AD2)也選擇“1”(即反相)。④進(jìn)入實(shí)驗(yàn)設(shè)置：首先對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，選擇“測(cè)試信號(hào)”為“周期階躍信號(hào)”，選擇“占空比”為50%，選擇“T/DIV”為“”，選擇“幅值”為“6V”(根據(jù)實(shí)驗(yàn)曲線調(diào)整大小)，設(shè)置“偏移”為“0”。以上除必須選擇“周期階躍信號(hào)”外，其余的選擇都不是唯一的。要特別注意，除單個(gè)比例環(huán)節(jié)外，對(duì)其它環(huán)節(jié)或系統(tǒng)都必須考慮環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，如仍選擇“輸入波形占空比”為50%，那么“輸入波形周期”至少是環(huán)節(jié)或系統(tǒng)的最大時(shí)間常數(shù)的6～8倍。⑤所有必要的設(shè)置完成后，按照上面的步驟④設(shè)置好信號(hào)后，點(diǎn)擊“下載數(shù)據(jù)”按鈕，將設(shè)置的測(cè)試信號(hào)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。按界面右下角的“Start”啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，相平面上的相軌跡得到顯示，直至周期過程反應(yīng)結(jié)束，實(shí)驗(yàn)也自動(dòng)結(jié)束，如設(shè)置合理就可以在主界面中間得到系統(tǒng)（,）的相軌跡。⑥按實(shí)驗(yàn)報(bào)告需要，將圖形結(jié)果保存為位圖文件，操作方法參閱軟件使用說明書。2．利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)并連接一帶速度負(fù)反饋的繼電型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路，利用階躍輸入作測(cè)試信號(hào)，觀測(cè)和記錄系統(tǒng)在（,）相平面上的相軌跡，利用該相軌跡分析系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差，并與測(cè)得的系統(tǒng)偏差的階躍響應(yīng)作比較。再將此實(shí)驗(yàn)結(jié)果與未加校正的繼電型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的相比較。參閱本實(shí)驗(yàn)附錄2,，利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備上的單元UUUU1U1U15和U8可連成實(shí)驗(yàn)所需帶速度負(fù)反饋的繼電型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。可利用周期階躍信號(hào)測(cè)試該非線性系統(tǒng)（,）的相軌跡和階躍響應(yīng)，具體測(cè)試方法請(qǐng)參閱本實(shí)驗(yàn)步驟1，這里不再贅述。3．利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)并連接一飽和型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路，利用階躍輸入作測(cè)試信號(hào)，觀測(cè)和記錄系統(tǒng)在（,）相平面上的相軌跡，利用該相軌跡分析系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差，并與測(cè)得的系統(tǒng)偏差的階躍響應(yīng)作比較。參閱本實(shí)驗(yàn)附錄3,，利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備上的單元UUU1U15和U8可連成實(shí)驗(yàn)所需飽和型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路?？衫弥芷陔A躍信號(hào)測(cè)試該非線性系統(tǒng)的（,）相軌跡和階躍響應(yīng)，具體測(cè)試方法請(qǐng)參閱本實(shí)驗(yàn)步驟1，這里不再贅述。4．分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。四．附錄1．未加校正的繼電型非線性閉環(huán)系統(tǒng)：：： （6－1）式中T為時(shí)間常數(shù)（T＝），K為線性部分開環(huán)增益，M為繼電器特性幅值，采用與為相平面坐標(biāo)，以及考慮 （6－2） （6－3）則（6－1）變?yōu)? （6－4）：觀察X1即為－，X2即為－，取X1－X2坐標(biāo)下，即為相軌跡（－,－），進(jìn)行坐標(biāo)倒相變換可得（,）坐標(biāo)。2．帶速度負(fù)反饋的繼電型非線性閉環(huán)系統(tǒng)：：設(shè)計(jì)此圖時(shí)，為了滿足負(fù)反饋的相位的要求，增加了一些倒相環(huán)節(jié)。，可見X1即為－，X2即為－。?。璛1和－X2為XY坐標(biāo)，以階躍輸入為測(cè)試信號(hào)，即可獲得系統(tǒng)在（,）相平面上的相軌跡。該系統(tǒng)在（,）：圖中分界線方程為： （6－5）式中為反饋系數(shù)，（＝），增加反饋電阻現(xiàn)象更明顯。3．飽和型非線性閉環(huán)系統(tǒng)：：： （6－6）同理觀察相軌跡與時(shí)域響應(yīng)曲線，：實(shí)驗(yàn)七 非線性系統(tǒng)描述函數(shù)法一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．學(xué)習(xí)用描述函數(shù)法分析非線性系統(tǒng)。2．掌握研究非線性系統(tǒng)的電路模擬研究方法。二．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．利用描述函數(shù)法分析繼電型非線性三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2．利用描述函數(shù)法分析飽和型非線性三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性。三．實(shí)驗(yàn)步驟1．繼電型非線性三階系統(tǒng)的描述函數(shù)法研究（1）參閱本實(shí)驗(yàn)附錄1，用描述函數(shù)法分析繼電型非線性三階系統(tǒng)，求取極限環(huán)振蕩的振蕩頻率與幅值。參考“實(shí)驗(yàn)三”，可利用上位機(jī)的“軟件仿真”功能得到該系統(tǒng)線性部分G(jω)的開環(huán)頻率特性(Neguist圖)。（2），利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的單元電路UUU1U1U15和U8，設(shè)計(jì)并連接一繼電型非線性三階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。（3）利用階躍輸入作為測(cè)試信號(hào)，觀測(cè)和記錄系統(tǒng)在（,）相平面上的相軌跡與e(t)的階躍響應(yīng)。并從觀測(cè)結(jié)果中獲取極限環(huán)振蕩的振幅和周期。測(cè)取系統(tǒng)在（,）相平面上的相軌跡與e(t)階躍響應(yīng)的方法可參考“實(shí)驗(yàn)六”的有關(guān)步驟，注意在本系統(tǒng)中，－e對(duì)應(yīng)，而X3則與對(duì)應(yīng)。故X1仍與“通道I1＃”和采樣信號(hào)X對(duì)應(yīng)，且要反相；而X3則與“通道I2?！焙筒蓸有盘?hào)Y對(duì)應(yīng)，且不要反相。其余操作方法雷同，這里不再贅述。（4）對(duì)兩種方法得到的結(jié)果進(jìn)行比較。2．飽和型非線性三階系統(tǒng)的描述函數(shù)法研究（1）參閱本實(shí)驗(yàn)附錄2，用描述函數(shù)法分析飽和型非線性三階系統(tǒng)，求取極限環(huán)振蕩的振蕩頻率與幅值。參考“實(shí)驗(yàn)三”，可利用上位機(jī)的“軟件仿真”功能得到該系統(tǒng)線性部分G(jω)的開環(huán)頻率特性(Neguist圖)。（2），利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的單元電路UUU1U1U15和U8，設(shè)計(jì)并連接一飽和型非線性三階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。（3）利用階躍輸入作為測(cè)試信號(hào)，觀測(cè)和記錄系統(tǒng)在（,）相平面上的相軌跡與e(t)的階躍響應(yīng)。并從觀測(cè)結(jié)果中獲取極限環(huán)振蕩的振幅和周期。測(cè)取系統(tǒng)在（,）相平面上的相軌跡與e(t)階躍響應(yīng)的方法可參考“實(shí)驗(yàn)六”的有關(guān)步驟，注意在本系統(tǒng)中，－e對(duì)應(yīng)，而X3則與對(duì)應(yīng)。故X3仍與“通道I1?！焙筒蓸有盘?hào)X對(duì)應(yīng)，且要反相；而X1則與“通道I2?！焙筒蓸有盘?hào)Y對(duì)應(yīng)，且不要反相。其余操作方法雷同，這里不再贅述。（4）對(duì)兩種方法得到的結(jié)果進(jìn)行比較（5），通過增大R1或R3，減小線性部分增益，用上述實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量極限環(huán)振蕩的振幅和周期，直至該振蕩現(xiàn)象消失。3．分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。四．附錄1．繼電型非線性三階系統(tǒng).：已知理想繼電型非線性環(huán)節(jié)的描述函數(shù)為，線性部分的傳遞函數(shù)為。則為了用描述函數(shù)法分析上述繼電型非線性三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如圖 。從兩者是否有交點(diǎn)A可判斷出系統(tǒng)是否存在極限環(huán)振蕩。如有交點(diǎn)，即表示存在極限環(huán)振蕩，可令，求取振蕩頻率，即振蕩周期為 ；并由求取振蕩幅值:于是，在得到交點(diǎn)A的后，就可以得到振蕩幅值測(cè)量系統(tǒng)相軌跡，方法同實(shí)驗(yàn)六，根據(jù)該曲線可以判斷是否有極限環(huán)振蕩。從階躍響應(yīng)可以獲取該振蕩的振幅和周期，用于和描述函數(shù)法分析結(jié)果進(jìn)行比較。，限于繼電型非線性環(huán)節(jié)描述函數(shù)的特點(diǎn)，如減小該系統(tǒng)線性部分增益（），只能縮小極限環(huán)振蕩的振幅，而不能消除振蕩。2．飽和型非線性三階系統(tǒng)：：已知飽和型非線性環(huán)節(jié)的描述函數(shù)為，從兩者有無交點(diǎn)可判斷出系統(tǒng)是否存在極限環(huán)振蕩。如有交點(diǎn)，即有極限環(huán)振蕩，可以采用與上述相同方法求取振蕩周期與幅值。，如不斷減小線性部分增益（、R3的阻值實(shí)現(xiàn)），可以使系統(tǒng)的非線性環(huán)節(jié)的軌跡和系統(tǒng)線性部分軌跡不相交，即意味著減小線性部分增益可以使極限環(huán)消失,使系統(tǒng)變?yōu)榉€(wěn)定系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)測(cè)的相軌跡與階躍響應(yīng)，可以分析與讀取振蕩周期與幅值，并與計(jì)算值比較。實(shí)驗(yàn)八 極點(diǎn)配置全狀態(tài)反饋控制一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．學(xué)習(xí)并掌握用極點(diǎn)配置方法設(shè)計(jì)全狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)的方法。2．用電路模擬與軟件仿真方法研究參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。二．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．設(shè)計(jì)典型二階系統(tǒng)的極點(diǎn)配置全狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)，并進(jìn)行電路模擬與軟件仿真研究。2．設(shè)計(jì)典型三階系統(tǒng)的極點(diǎn)配置全狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)，并進(jìn)