南昌大学现代控制实验报告实验心得

现代控制理论实验报告实验课程：现代控制理论学生姓名：学号：专业班级：自动化学生姓名：学号：专业班级：实验类型：■验证□综合□设计□创新实验日期：实验成绩：实验一典型非线性环节一．实验要求1.了解和掌握典型非线性环节的原理。2.用相平面法观察和分析典型非线性环节的输出特性。二．实验原理及说明实验以运算放大器为基本元件，在输入端和反馈网络中设置相应元件（稳压管、二极管、电阻和电容）组成各种典型非线性的模拟电路，模拟电路见图3-4-5~图3-4-8所示。1．继电特性理想继电特性的特点是：当输入信号大于0时，输出U0=+M，输入信号小于0，输出U0=-M。理想继电特性如图3-4-1所示，模拟电路见图3-4-5，图3-4-1中M值等于双向稳压管的稳压值。图3-4-1理想继电特性图3-4-2理想饱和特性注：由于流过双向稳压管的电流太小（4mA），因此实际M值只有3.7V。2．饱和特性饱和特性的特点是：当输入信号较小时，即小于|a|时，电路将工作于线性区，其输出U0=KUi，如输入信号超过|a|时，电路将工作于饱和区，即非线性区，U0=M。理想饱和特性见图3-4-2所示，模拟电路见图3-4-6，图3-4-2中M值等于双向稳压管的稳压值，斜率K等于前一级反馈电阻值与输入电阻值之比，即：K=Rf/Ro。a为线性宽度。3．死区特性死区特性特点是：在死区内虽有输入信号，但其输出U0=0，当输入信号大于或小于|△|时，则电路工作于线性区，其输出U0=KUi。死区特性如图3-4-3所示，模拟电路见图3-4-7，图3-4-3中斜率K为：0RRKf死区)(4.0)(123022VRVR式中R2的单位KΩ，且R2=R1。（实际△还应考虑二极管的压降值）图3-4-3死区特性图3-4-4间隙特性4．间隙特性间隙特性的特点是：输入信号从-Ui变化到+Ui，与从+Ui变化到-Ui时，输出的变化轨迹是不重叠的，其表现在X轴上是△，△即为间隙。当输入信号│Ui│≤间隙△时，输出为零。当输入信号│Ui│＞△，输出随输入按特性斜率线性变化；当输入反向时，其输出则保持在方向发生变化时的输出值上，直到输入反向变化2△，输出才按特性斜率线性变化。间隙特性如图3-4-4所示，模拟电路见图3-4-8，图3-4-4图中空回的宽度△（OA）为：式中R2的单位为KΩ，（R2=R1）。)V(R42.0)V(1205R22特性斜率tgα为：0RRCCtgffi改变R2和R1可改变空回特性的宽度；改变0RRi或)(fiCC值可调节特性斜率（tgα）。三．实验步骤及内容在实验中欲观测实验结果时，可用普通示波器，也可选用本实验机配套的虚拟示波器。如果选用虚拟示波器，只要运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的非线性系统的相平面分析下的典型非线性环节实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）的CH1、CH2测量波形。1)．测量继电特性实验步骤：CH1、CH2选‘X1’档！（1）将信号发生器（B1）的幅度控制电位器中心Y测孔，作为系统的-5V~+5V输入信号（Ui）：B1单元中的电位器左边K3开关拨上（-5V），右边K4开关也拨上（+5V）。（2）模拟电路产生的继电特性：继电特性模拟电路见图3-4-5。图3-4-5继电特性模拟电路①构造模拟电路：按图3-4-5安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套（b）测孔联线模块号跨接座号1A3S1，S122A6S2，S6②观察模拟电路产生的继电特性：观察时要用虚拟示波器中的X-Y选项慢慢调节输入电压（即调节信号发生器B1单元的电位器，调节范围-5V~+5V），观测并记录示波器上的U0~Ui图形。1信号输入B1（Y）→A3（H1）2运放级联A3（OUT）→A6（H1）3示波器联接A6（OUT）→CH1（送Y轴显示）4A3（H1）→CH2（送X轴显示）（3）函数发生器产生的继电特性①函数发生器的波形选择为‘继电’，调节“设定电位器1”，使数码管右显示继电限幅值为3.7V。②测孔联线：信号发生器（B1）函数发生器(B5)示波器输入端(B3)幅度控制电位器（Y）B5（非线性输入）CH2（送X轴显示）B5（非线性输出）CH1（送Y轴显示）③观察函数发生器产生的继电特性：观察时要用虚拟示波器中的X-Y选项慢慢调节输入电压（即调节信号发生器B1单元的电位器，调节范围-5V~+5V），观测并记录示波器上的U0~Ui图形。2)．测量饱和特性实验步骤：CH1、CH2选‘X1’档！（1）将信号发生器（B1）的幅度控制电位器中心Y测孔，作为系统的-5V~+5V输入信号（Ui）：B1单元中的电位器左边K3开关拨上（-5V），右边K4开关也拨上（+5V）。（2）模拟电路产生的饱和特性：饱和特性模拟电路见图3-4-6。图3-4-6饱和特性模拟电路①构造模拟电路：按图3-4-6安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套（b）测孔联线1信号输入B1（Y）→A3（H1）2运放级联A3（OUT）→A6（H1）3示波器联接A6（OUT）→CH1（送Y轴显示）4A3（H1）→CH2（送X轴显示）模块号跨接座号1A3S1，S7，S122A6S2，S6②观察模拟电路产生的饱和特性：观察时要用虚拟示波器中的X-Y选项慢慢调节输入电压（即调节信号发生器B1单元的电位器，调节范围-5V~+5V），观测并记录示波器上的U0~Ui图形。（3）函数发生器产生的饱和特性①函数发生器的波形选择为‘饱和’特性；调节“设定电位器1”，使数码管左显示斜率为2；调节“设定电位器2”，使数码管右显示限幅值为3.7V。②测孔联线：信号发生器（B1）函数发生器(B5)示波器输入端(B3)幅度控制电位器（Y）B5（非线性输入）CH2（送X轴显示）B5（非线性输出）CH1（送Y轴显示）③观察函数发生器产生的饱和特性：观察时要用虚拟示波器中的X-Y选项慢慢调节输入电压（即调节信号发生器B1单元的电位器，调节范围-5V~+5V），观测并记录示波器上的U0~Ui图形。3)．测量死区特性实验步骤：CH1、CH2选‘X1’档！（1）将信号发生器（B1）的幅度控制电位器中心Y测孔，作为系统的-5V~+5V输入信号（Ui）：B1单元中的电位器左边K3开关拨上（-5V），右边K4开关也拨上（+5V）。（2）模拟电路产生的死区特性死区特性模拟电路见图3-4-7。图3-4-7死区特性模拟电路①构造模拟电路：按图3-4-7安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套（b）测孔联线模块号跨接座号1A3S4，S82A6S2，S61信号输入B1（Y）→B1（IN）死区特性输出B1（OUT）→A3（H1）2运放级联A3（OUT）→A6（H1）3示波器联接A6（OUT）→CH1（送Y轴显示）4B1（IN）→CH2（送X轴显示）②观察模拟电路产生的死区特性：观察时要用虚拟示波器中的X-Y选项慢慢调节输入电压（即调节信号发生器B1单元的电位器，调节范围-5V~+5V），观测并记录示波器上的U0~Ui图形。（3）函数发生器产生的死区特性①函数发生器的波形选择为‘死区’特性；调节“设定电位器1”，使数码管左显示斜率为1；调节“设定电位器2”，使数码管右显示死区寬度值为2.4V。②测孔联线：信号发生器（B1）函数发生器（B5）示波器输入端(B3)幅度控制电位器（Y）B5（非线性输入）CH2（送X轴显示）B5（非线性输出）CH1（送Y轴显示）③观察函数发生器产生的死区特性：观察时要用虚拟示波器中的X-Y选项慢慢调节输入电压（即调节信号发生器B1单元的电位器，调节范围-5V~+5V），观测并记录示波器上的U0~Ui图形。4)．测量间隙特性实验步骤：CH1、CH2选‘X1’档！（1）用信号发生器（B1）的‘幅度控制电位器’和‘非线性输出’构造输入信号（Ui）：B1单元中的电位器左边K3开关拨上（-5V），右边K4开关也拨上（+5V）。（2）模拟电路产生的间隙特性间隙特性的模拟电路见图3-4-8。图3-4-8间隙特性的模拟电路①构造模拟电路：按图3-4-8安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套（b）测孔联线模块号跨接座号1A1S5，S102A6S2，S61信号输入B1（Y）→B1（IN）死区特性输出B1（OUT）→A1（H1）2运放级联A1（OUT）→A6（H1）3示波器联接A6（OUT）→CH1（送Y轴显示）②观察模拟电路产生的间隙特性：观察时要用虚拟示波器中的X-Y选项慢慢调节输入电压（即调节信号发生器B1单元的电位器，调节范围-5V~+5V），观测并记录示波器上的U0~Ui图形。★注意：在做间隙特性实验时应将Ci和Cf分别放电，即用按住锁零按钮3秒,否则将会导致波形的中心位置不在原点。（3）函数发生器产生的间隙特性①函数发生器的波形选择为‘间隙’特性；调节“设定电位器1”，使数码管左显示斜率为1；调节“设定电位器2”，使数码管显示间隙寬度幅值为2.4V。②测孔联线：信号发生器（B1）函数发生器(B5)示波器输入端(B3)幅度控制电位器（Y）非线性输入（IN）CH2（送X轴显示）非线性输出（OUT）CH1（送Y轴显示）③观察函数发生器产生的间隙特性：观察时要用虚拟示波器中的X-Y选项慢慢调节输入电压（即调节信号发生器B1单元的电位器，调节范围-5V~+5V），观测并记录示波器上的U0~Ui图形。4B1（IN）→CH2（送X轴显示）四．实验小结本次试验主要是对四种基本非线性特性的仿真实现，每个特性的实现又分为模拟实现和数字实现。首先我们要对各种非线性特性各自的特点有所了解，比如理想继电特性的基本特点是：当输入信号大于0时，输出U0=+M，输入信号小于0，输出U0=-M。只有在了解其基本特性的基础上，才能将所得到的图形与其理想情况进行对比。在实验过程中通过调节输入电压和设定电位器的值来设置各种特性的基本参数，从而得到不同情况下的特性图像，也能让我们更加直观的认识到影响各种特性的参数，以及如何通过对输入电压和设定的调节来得到我们想要得到的特性。同时通过模拟和数字两种方式的实现，行成鲜明的对比，从中我们可以看到其各自实现的优缺点，模拟实现用的器件比较少，也更容易实现，虽然在实验台上很难体现，但我们可以看到模拟实现不用函数发生器，缺点是与理想特性有较大误差。而数字实现需要用函数发生器，在实际工程中，这无疑要使电路更加复杂，更加难于实现，但其优点是其得到的图像几乎与理想特性相一致。学生姓名：学号：专业班级：实验类型：■验证□综合□设计□创新实验日期：实验成绩：实验二二阶非线性控制系统一．实验要求1．了解非线性控制系统的基本概念。2．掌握用相平面图分析非线性控制系统。3．观察和分析三种二阶非线性控制系统的相平面图。二．实验原理及说明1.非线性控制系统的基本概念在实际控制系统中，几乎都不可避免的带有某种程度的非线性，在系统中只要有一个非线性环节（详见第3.4.1节〈典型非线性环节〉），就称为非线性控制系统。在实际控制系统中，除了存在着不可避免的非线性因素外，有时为了改善系统的性能或简化系统的结构，还要人为的在系统中插入非线性部件，构成非线性系统。例如采用继电器控制执行电机，使电机始终工作于最大电压下，充分发挥其调节能力，可以获得时间最优控制系统；利用‘变增益’控制器，可以大大改善控制系统的性能。线性控制系统的稳定性只取决于系统的结构和参数，而与外作用和初始条件无关；反之，非线性控制系统的稳定性与输入的初始条件有着密切的关系。对于非线性控制系统，建立数学模型是很困难的，并且多数非线性微分方程无法直接求得解析解，因此通常都用相平面法或函数描述法进行分析。2.用相平面图分析非线性控制系统相平面法也是一种时域分析法，它能分析系统的稳定性和自振荡，也能给出系统的运动轨迹。它是求解一、二阶常微分方程的一种几何表示法。这种方法的实质是将系统的运动过程形象的转化为相平面上的一个点的移动，通过研究这个点的移动的轨迹，就能获得系统运动规律的全部信息。即用时间t作为参变量，用和)(tx的关系曲线来表示。利用相平面法分析非