實(shí)驗(yàn)五非線性系統(tǒng)長安大學(xué)自動(dòng)控制

1、實(shí)驗(yàn)五非線性系統(tǒng)長安大學(xué)自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)五非線性系統(tǒng)(一)一、實(shí)驗(yàn)要求了解和掌握非線性系統(tǒng)的原理，學(xué)會(huì)用相軌跡分析非線性系統(tǒng)的瞬間響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差。二、實(shí)驗(yàn)原理相平面圖表征系統(tǒng)在某個(gè)初始條件下的運(yùn)動(dòng)過程，相軌跡可用圖解法求得，也可用實(shí)驗(yàn)法直接求得。當(dāng)改變階躍信號(hào)的幅值，即改變系統(tǒng)的初始條件時(shí)，便獲得一系列相軌跡。根據(jù)相軌跡的形狀和位置就能分析系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差。繼電型非線性原理方塊圖如圖251所示，圖252是它的模擬電路圖。圖251(51)TCCKMeTCCKMe+-=+=+-=-代入0.5,1TK=以及所選用穩(wěn)壓值M,應(yīng)用等傾線法作出當(dāng)初始條件為(0)(0)(0)(0)ercrR=-=時(shí)的相

2、軌跡，改變(0)r值就可以得到一簇相軌跡。圖51所示系統(tǒng)的相軌跡曲線如圖53所示圖253圖251所示系統(tǒng)相軌跡圖253中的縱坐標(biāo)軸將相平面分成兩個(gè)區(qū)域，（III和）e軸是兩組本軌跡的分界線，系統(tǒng)在階躍信號(hào)下，在區(qū)域內(nèi)，例如在初始點(diǎn)A開始相軌跡運(yùn)動(dòng)到分界線上的點(diǎn)B,從B點(diǎn)開始在趨于II內(nèi)，沿區(qū)域II內(nèi)的本軌跡運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)C再進(jìn)入?yún)^(qū)域I,經(jīng)過幾次往返運(yùn)動(dòng)，若是理想繼電特性，則系統(tǒng)逐漸收斂于原點(diǎn)。（2）帶速度負(fù)反饋的繼電型非線性系統(tǒng)原理方塊圖如圖254所示。圖252中的虛線用導(dǎo)線連接，則圖252就是圖254的模擬電路。相軌跡示于圖255。顯然，繼電型非線性系統(tǒng)采用速度反饋可以減小超調(diào)量pM,縮短調(diào)節(jié)時(shí)間

3、Ts,減小振次數(shù)。圖中分界線方程(55)seke-=-確定式中sk為反饋系數(shù)（圖54中O.lks=）圖255圖254的相軌跡飽和非線性系統(tǒng)原理方塊圖如圖256所示。圖257所示系統(tǒng)由下述方程表示：0.50()0.50()0.50()eeeeMeeMeMeeMeM+=+=+-=畝從圖252和圖257中可看出，1#運(yùn)算放大器的輸出是()e-,而4#運(yùn)算放大器的輸出為()e-,而4#運(yùn)算放大器的輸出()ce即一，因此將1#運(yùn)算放大器的輸出接至示波器的X軸輸入端，而將4#運(yùn)算放大器的輸出接至示波器的Y軸輸入端，這樣在示波器屏上就可獲得ee-相平面上的相軌跡曲線。三、實(shí)驗(yàn)步驟及內(nèi)容實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：將B7信號(hào)發(fā)

4、生器模塊中的G和G1用開關(guān)連接，用虛擬示波器觀察，要用X-Y選項(xiàng)，使用方法參見用戶手冊(cè)中虛擬示波器部分。實(shí)驗(yàn)步驟：(1)用相軌跡分析繼電型非線性系統(tǒng)在階躍信號(hào)下的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差。1、按圖252接線。按模擬電路圖由左至右的順序運(yùn)放1、2、3、4依次由A1、A2、A3、A4運(yùn)放單元構(gòu)建分別用開關(guān)按其原理連接，其他剩余部分由A6或A7和A5中的電位器來構(gòu)建（注意在實(shí)驗(yàn)過程中不允許調(diào)節(jié)此電位器）。2、在系統(tǒng)輸入端分別施加階躍信號(hào)（解法見211）幅值為5V、4V、3V、2V、1V的電壓時(shí)，用虛擬示波器觀察并記錄系統(tǒng)在ee-平面上的相軌跡（將運(yùn)放1的輸出端接CH1）。測(cè)量在5V階躍信號(hào)下系統(tǒng)的超調(diào)量p

5、M及振蕩次數(shù)。（2）用相軌跡分析帶速度負(fù)反饋繼電型非線性系統(tǒng)在階躍信號(hào)下的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差。1、將圖262中的虛線用導(dǎo)線連接好（將A5中的電位器W2調(diào)為100K），其它同上。2、在系統(tǒng)輸入端加入階躍信號(hào)（階躍信號(hào)接法見實(shí)驗(yàn)一211）（5V、4V、3V、2V、1V），用虛擬示波器觀察并記錄習(xí)慣在ee-平面上的相軌跡（將運(yùn)放1的輸出端接CH2，運(yùn)放4的輸出端接CH1），測(cè)量在5V階躍信號(hào)下系統(tǒng)的超調(diào)量及振蕩次數(shù)。（3）用相軌跡分析飽和非線性系統(tǒng)在階躍信號(hào)下的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差。1、按圖257接線：按模擬電路圖由左至右的順序運(yùn)放1、2、3、4依次由A1、A3、A2、A4運(yùn)放單元來構(gòu)建分別用開關(guān)導(dǎo)線

6、按其原理圖連接，剩余的由A6、A7、A5中的電位器來完成（注意在實(shí)驗(yàn)過程中不允許調(diào)節(jié)此電位器）。2、在系統(tǒng)輸入端加入階躍信號(hào)（5V、4V、3V、2V和1V）,用虛擬示波器觀察并記錄系統(tǒng)在ee-平面上的相軌跡（將運(yùn)放1的輸出端接CH2，運(yùn)放4的輸出端接CH1）。測(cè)量在5V階躍信號(hào)下系統(tǒng)的超調(diào)量pM及振蕩次數(shù)。（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析1、研究帶速度負(fù)反饋繼電型非線性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。和褪妙則的繼電器非線性啟很顯然，當(dāng)繼電型非線性系統(tǒng)加上速度負(fù)反饋可以減小超調(diào)量，即平穩(wěn)性加大，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間s，減小振蕩次數(shù)，系統(tǒng)的快速性得到提高。飽那非線性系統(tǒng)時(shí)述度負(fù)反慣的綻電型系統(tǒng)2、研究飽和非線性系統(tǒng)通過實(shí)驗(yàn)，測(cè)得此時(shí)當(dāng)1

7、5UV=階躍輸入時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)量為0.4V，且無振蕩。由于飽和特性在大信號(hào)時(shí)的等效增益很低，故帶飽和非線性的控制系統(tǒng)，一般在大起始偏離下總具有收斂的性質(zhì)，系統(tǒng)最終可能穩(wěn)定，最壞的情況是自振，而不會(huì)造成愈大的不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)然，如果飽和點(diǎn)過低，則在提高系統(tǒng)平穩(wěn)性的同時(shí)，將使系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)態(tài)跟蹤精度有所下降。3、三種非線性系統(tǒng)的相軌跡圖，如圖259所示。圖259非線性系統(tǒng)（二）、實(shí)驗(yàn)要求了解和掌握相平面法，學(xué)會(huì)用相平面法分析非線性三階系統(tǒng)。二、實(shí)驗(yàn)原理對(duì)于二階系統(tǒng)，相平面圖含有系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的全部信息，對(duì)于高階系統(tǒng)，相平面圖雖然不包含系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的全部信息，但是相平面圖表征了系統(tǒng)某些狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)過程，而用實(shí)驗(yàn)

8、法可以直接獲得系統(tǒng)的相軌跡，因此它對(duì)于高階系統(tǒng)的研究也是有用的。(1)繼電型非線性三階系統(tǒng)原理方塊圖如圖271所示+MM1S(S+IW-1)圖251繼電型非線性三階系統(tǒng)應(yīng)用描述函數(shù)法分析圖251所示繼電型非線性三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為此在復(fù)平面()GS上分別畫出線性部分()Gjw軌跡和非線性元件的1N-軌跡，然后分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，若存在極限環(huán)則求出極限環(huán)的振幅和頻率(或周期)。圖253示出了51所示系統(tǒng)的非線性元件的1N-軌跡及線性部分的()Gjw軌跡，兩軌跡相交于點(diǎn)A,可判斷出系統(tǒng)存在的極限環(huán)，令lm()O(51)Gjw=-可求出極限環(huán)的角頻率A3(周期2TwAn)。令1Re()(52)GjwA

9、N可求得N。再根據(jù)描述函數(shù)公式或曲線圖可得到極限環(huán)的振幅值，這里，繼電型非線性元件4(53)MMNEn=式中ME為非線性元件的輸入振幅值，因此，極限環(huán)的振幅ME為：4(54)MMENn=N和()GjwA圖形實(shí)驗(yàn)測(cè)量ee-相平面上的相軌跡方法同上一實(shí)驗(yàn)。(2)飽和型非線性三階系統(tǒng)原理方塊圖如圖254所示。圖254所示的飽和非線性系統(tǒng)的1N軌跡及()GjwA軌跡示于圖256。兩軌跡相交于點(diǎn)A,系統(tǒng)存在穩(wěn)定極限環(huán)。同樣可用描述函數(shù)求出極限環(huán)的振幅和頻率(或周期)。50)/；和()GjwA圖形若減小圖254(圖255)中線性部分的增益使()GjwA與不相交，如圖256中虛線所示()GjwA，則系統(tǒng)極限

10、環(huán)消失,系統(tǒng)變?yōu)榉€(wěn)定系統(tǒng)。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：將B7信號(hào)發(fā)生器中的G1和G用開關(guān)連接，用虛擬示波器觀察，要用X-Y選項(xiàng)，使用方法參見用戶手冊(cè)中虛擬示波器部分。實(shí)驗(yàn)步驟：(1)用相平面法分析繼電型非線性三階系統(tǒng)。繼電型非線性三階系統(tǒng)模擬電路圖-血)2做皿2t500/_52.1-也/JU1、按圖252接線。圖中的運(yùn)放1由A2構(gòu)建，其中反饋電阻由A2單元的IN和OUT之間的第三開關(guān)構(gòu)建(由下至上)，運(yùn)放2由A3構(gòu)建，運(yùn)放2由A6自行搭建，運(yùn)放4由A1構(gòu)建，運(yùn)放5由A4構(gòu)建，電阻200K由A5單元的電位器來構(gòu)建(注意在實(shí)驗(yàn)過程中不允許調(diào)節(jié)此電位器)。-平面上相軌跡(運(yùn)放1的輸出端接CH2,運(yùn)放

11、42、用虛擬示波器觀測(cè)系統(tǒng)在ee的輸出端接CH1)3、測(cè)量自激振蕩(極限環(huán))的振幅和周期(2)用相平面法分析飽和型非線性三階系統(tǒng)飽和型非線性三階系統(tǒng)模擬電路圖圖2-5-51、按圖2-5-5接線。其中運(yùn)放1、2、3、4分別對(duì)應(yīng)著A2、A3、A4、A1用開關(guān)及導(dǎo)線按其原理圖連接，運(yùn)放5由A6自行搭建完成，剩余電阻值200K由A5中的電位器構(gòu)建（注意在實(shí)驗(yàn)過程中不允許調(diào)節(jié)此電位器）。2、用虛擬示波器觀察系統(tǒng)在ee-平面上相軌跡（運(yùn)放1的輸出端接CH2，運(yùn)放4輸出端接CH1）。3、測(cè)量自激振蕩的振幅和角頻率。4、減小線性部分增益，測(cè)量自激振蕩的振幅和周期。5、繼續(xù)減小線性部分增益，直至自激振蕩現(xiàn)象消失。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析首先根據(jù)原理部分，分別求出圖251、2-5-4的極限環(huán)的振幅及角頻率或周期,曲頻率wyrcidiS）屣闊:恥）亦