自动控制原理学生实验：非线性系统的相平面分析

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1、非线性系统的相平面分析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

2、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。实验步骤：（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，S12

3、2A6S2，S61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）②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，如下图：由图得M=3.77V（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

4、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。实验结果如下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

5、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

6、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

7、为参变量，用和的关系曲线来表示。利用相平面法分析非线性控制系统，首先必须在相平面上选择合适的坐标，在理论分析中均采用输出量c及其导数，实际上系统的其它变量也同样可用做相平面坐标；当系统是阶跃输入或是斜坡输入时，选取非线性环节的输入量，即系统的误差ｅ，及其它的导数作为相平面坐标，会更方便些。本实验把系统的误差ｅ送入虚拟示波器的CH2（水平轴），它的导数送入示波器的CH1（垂直轴），在示波器上显示该系统的相平面图。相轨迹表征着系统在某个初始条件下的运动过程，当改变阶跃信号的幅值，即改变系统的初始条件时，便获得一系列

8、相轨迹。根据相轨迹的形状和位置就能分析系统的瞬态响应和稳态误差。一簇相轨迹所构成的图叫做相平面图，相平面图表征系统在各种初始条件下的运动过程。假使系统原来处于静止状态，则在阶跃输入作用时，二阶非线性控制系统的相轨迹是一簇趋向于原点的螺旋线。描述函数法分析非线性控制系统可详见第3.4.3节〈三阶非线性系统〉。3．典型二阶非线性控制系统研究（1）继电型非线性控制系统继电型非线性控制系统原理