非线性实验.doc

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1、5.10 非线性实验 5.10.1 实验目的1. 了解非线性环节的特性。2. 掌握非线性环节的模拟结果。3. 进一步学习用Multisim、MATLAB仿真软件对实验内容中的电路进行仿真。5.10.2实验原理实际系统中常见的非线性因素有死区、饱和、间隙和摩擦等。死区又称不灵敏区，其特性如图5.10.1所示，它的特点是，输出量y=0,当时，y与x呈线性关系。图中A是死区范围，是死区段特性直线段的斜率。A 图5.10.1 死区特性 具有饱和特性的元件较多，几乎各类放大器和电磁元件都会出现饱和现象，饱和特性如图5.10.2所示。图5.10.2 饱和特性间隙也是控制系统中产见的一种非线性因素，间隙对系

2、统的主要影响：一是增大了系统稳态误差，降低了控制精度，相当于死区的影响；二是使系统过渡过程的振荡加剧，甚至使系统变为不稳定，这一点可以用间隙特性在正弦信号作用下，输出的波形图5.10.3来解释。由图可见，输出在相位上落后输入角，这相当于在开环系统中引入一个相角滞后环节，从而使系统的相角裕度减小，过渡过程振荡加剧，动态性能变坏，甚至造成系统不稳定。图5.10.3 间隙特性的输入输出波形非线性摩擦对系统的影响，随系统的具体情况而定，对随动系统特别是小功率随动系统来说是一个很重要的因素,它的影响从静态方面看，相当于在执行机构中引入死区，会增大系统的稳态误差，降低系统的精度，这一点和死区的影响类同；对

3、动态性能最主要的影响是造成系统低速运动的不平滑性，即当系统的输入轴作低速平稳旋转时，输出轴却是跳动式的跟着旋转，在工程实际中，这种低速爬行现象是很有害的。5.1.3 实验内容1. 继电器非线性特性模拟电路如图5.10.4(a)所示，其输出特性曲线如图5.10.4(b)所示。C(S)V C(S) R(S) R(S) (a) 继电器非线性特性模拟电路 (b) 输出特性曲线图5.10.4 继电器非线性特性2. 饱和非线性特性模拟电路如图5.10.5(a)所示，其输出特性曲线如图5.10.5(b)所示。C(S)V R(S) (a) 饱和非线性特性模拟电路 (b) 输出特性曲线图5.10.5 饱和非线性

4、特性5.10.4 实验步骤1. 测试系统与计算机的连接（1） 启动计算机，在桌面双击图标自动控制实验系统运行软件。 （2） 测试计算机与实验箱的通信是否正常，通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。 2. 继电器非线性特性 （1） 连接被测量典型环节的模拟电路5.10.4所示。电路的输入R(S)接AD、DA卡的D/Al输出，电路的输出C(S)接AD、D/A卡的A/Dl输入。检查无误后接通电源。 （2） 鼠标点击 实验课题非线性实验。将弹出实验课题参数设置窗口。 （3）在参数设置窗口中设置相应的实验参数后鼠标点击确认，等待屏幕的显示区显示实验结果。（4） 记录波形及数据

5、(由实验报告确定)。3. 继电器非线性特性 （1） 连接被测量典型环节的模拟电路5.10.5所示。电路的输入R(S)接AD、DA卡的D/Al输出，电路的输出C(S)接AD、D/A卡的A/Dl输入。检查无误后接通电源。 （2） 鼠标点击 实验课题非线性实验，将弹出实验课题参数设置窗口。 （3）在参数设置窗口中设置相应的实验参数后鼠标点击确认，等待屏幕的显示区显示实验结果。（4） 记录波形及数据(由实验报告确定)。5.1.5 仿真实验1. Multisim仿真实验 （1）继电器非线性特性仿真电路如图5.10.6(a)所示，其仿真结果如图5.10.6(b)所示。 (a) 仿真模拟电路输出响应 输入信

6、号 (b) 仿真结果图5.10.6继电器非线性特性模拟仿真（1）饱和非线性特性仿真电路如图5.10.7(a)所示，其仿真结果如图5.10.7(b)所示。 (a) 模拟仿真电路输入信号 输出响应 (b) 仿真结果图5.10.7 饱和非线性特性仿真2. MATLAB 6.0仿真实验 启动MATLAB 6.0，进入Simulink后新建文档，在文档里绘制系统的结构框图。双击各传递函数模块，在出现的对话框内设置相应的参数。点击工具栏的按钮或simulation菜单下的start命令进行仿真。双击示波器模块观察仿真结果。（1）继电器非线性系统结构框图如图5.10.8所示，仿真结果如图5.10.9所示。u

7、(t)5.10.8继电器结构图仿真结果：斜波输入的斜率(slope)为1，继电器的参数设置为switch on point：1output when on：4 switch off point：-1output when off：0输出响应输入信号图5.10.9 继电器响应图（2）饱和非线性系统结构框图如图5.10.10所示，仿真结果如图5.10.11所示。u(t)图5.10.10 饱和非线性结构图仿真结果：斜波输入的斜率(slope)为1，继电器的参数设置为upper limit：4lower limit：1输入信号输出响应图5.10.11饱和响应图5.1.6 预习思考题（1）非线性系统的主要特点是什么？（2）非线性系统常用的分析与设计方法有哪些？（3）带回环的继电器特性电路中，如何确定环宽电压？5.1.7 实验总结报告（1） 画出继电器非线性环节，饱和非线性环节的模拟电路。（2）用坐标纸画出所记录的继电器非线性环节，饱和非线性环节的响应曲线。