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1、1东南大学自动控制原理实验报告实验名称：实验名称： 实验三实验三 闭环电闭环电压控制系统研究压控制系统研究 院院 （系）：（系）： 专专 业：业： 姓姓 名：名： 学学 号：号： 实实 验验 室：室： 416 实验组别：实验组别： 同组人员：同组人员： 实验时间：实验时间： 2015 年年 11 月月 24 日日评定成绩：评定成绩： 审阅教师：审阅教师： 2实验三实验三 闭环电压控制系统研究闭环电压控制系统研究一、实验目的：一、实验目的：（1）通过实例展示，认识自动控制系统的组成、功能及自动控制原理课程所要解决的问题。（2）会正确实现闭环负反馈。（3）通过开、闭环实验数据说明闭环控制效果。二、
2、实验原理：二、实验原理：（1）利用各种实际物理装置（如电子装置、机械装置、化工装置等）在数学上的“相似性” ，将各种实际物理装置从感兴趣的角度经过简化、并抽象成相同的数学形式。我们在设计控制系统时，不必研究每一种实际装置，而用几种“等价”的数学形式来表达、研究和设计。又由于人本身的自然属性，人对数学而言，不能直接感受它的自然物理属性，这给我们分析和设计带来了困难。所以，我们又用替代、模拟、仿真的形式把数学形式再变成“模拟实物”来研究。这样，就可以“秀才不出门，遍知天下事” 。实际上，在后面的课程里，不同专业的学生将面对不同的实际物理对象，而“模拟实物”的实验方式可以做到举一反三，我们就是用下列
3、“模拟实物”电路系统，替代各种实际物理对象。（2）自动控制的根本是闭环，尽管有的系统不能直接感受到它的闭环形式，如步进电机控制，专家系统等，从大局看，还是闭环。闭环控制可以带来想象不到的好处，本实验就是用开环和闭环在负载扰动下的实验数据，说明闭环控制效果。自动控制系统性能的优劣，其原因之一就是取决调节器的结构和算法的设计（本课程主要用串联调节、状态反馈） ，本实验为了简洁，采用单闭环、比例调节器 K。通过实验证明：不同的 K，对系性能产生不同的影响，以说明正确设计调节器算法的重要性。（3）为了使实验有代表性，本实验采用三阶（高阶）系统。这样，当调节器 K 值过大时，控制系统会产生典型的现象振荡
4、。本实验也可以认为是一个真实的电压控制系统。三、实验设备：三、实验设备：THBDC-1 实验平台四、实验线路图：四、实验线路图：3五、实验步骤：五、实验步骤：（1）如图接线，建议使用运算放大器 U8、U10、U9、U11、U13。先开环，即比较器一端的反馈电阻 100K 接地。将可变电阻 47K（必须接可变电阻 47K 上面两个插孔）左旋到底时，电阻值为零。再右旋 1 圈，阻值为 4.7K。经仔细检查后上电。打开 15 伏的直流电源开关，必须弹起“不锁零”红色按键。（2）按下“阶跃按键”键，调“负输出”端电位器 RP2，使“交/直流数字电压表”的电压为 2.00V。如果调不到，则对开环系统进行
5、逐级检查，找出故障原因，并记下。（3）先按表格先调好可变电阻 47K 的规定圈数，再调给定电位器 RP2，在确保空载输出为 2.00V 的前提下，再加上 1K 的扰动负载。分别右旋调 2 圈、4 圈、8 圈后依次测试，填表。注意：加注意：加 1 K 负载前必须保证此时的电压是负载前必须保证此时的电压是 2.002.00V。（4）正确判断并实现反馈！（课堂提问）再闭环，即反馈端电阻 100K 接系统输出。（5）先按表格调好可变电阻 47K 的圈数，再调给定电位器 RP2，在确保空载输出为2.00V 的前提下，再加上 1K 的扰动负载，分别右旋调 2 圈、4 圈、8 圈依次测试，填表要注意在可变电
6、阻为 8 圈时数字表的现象。并用理论证明。（6）将比例环节换成积分调节器：即第二运放的 10K 改为 100K；47K 可变电阻改为 10F 电容，调电位器 RP2，确保空载输出为 2.00V 时再加载，测输出电压值。表格：开环空载加 1K 负载可调电阻 开环增益1 圈 （Kp=2.4）2 圈 （Kp=4.8）4 圈 （Kp=9.6）8 圈 （Kp=19.2）输出电压2.00V1.05V1.04V1.04V1.04V闭环加 1K 负载可调电阻 开环增益1 圈 （Kp=2.4）2 圈 （Kp=4.8）4 圈 （Kp=9.6）8 圈 （Kp=19.2）4输出电压2.00V1.54V1.69V1.8
7、3V振荡稳态误差 e1.30V0.71V0.37V振荡稳态误差计 算值 E1.30V0.71V0.38V振荡六、报告要求：六、报告要求：（1）用文字叙说正确实现闭环负反馈的方法。答：闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈。实现的方法是：将信号的正向通道与反馈通路构成闭合回路，如果输入信号增加，测量反馈信号，若增加，就将输入信号与反馈信号构成减法电路实现。反之构成加法电路实现。（2）说明实验步骤（1）至（6）的意义。步骤（1）：接线，首先是按照设计好的系统图将各个原件连接成模块，然后将各个模块连接起来。第一步连接之后，将线路接成开环形式，即第一个环节的比较器接
8、反馈的 100K 电阻接地，为下一步的开环实验作出准备。在第一步接线中，接入的是可变电阻 470K 是用来调整开环增益的，为后面步骤中测量不同增益下稳态误差的变化。打开 15 伏的直流电源开关，用于系统供电。弹起“不锁零”红色按键，这是因为实验中需要使用电容， “锁零”使得电容不起作用，因此应该放到“不锁零”上。 步骤（2）：按下“阶跃按键”键，这一动作是给系统一个阶跃输入，本实验主要考察电压控制，即系统在直流阶跃输入作用下的输出。调“负输出”端电位器RP2，使“交/直流数字电压表”的电压为 2.00V，这是作为系统的空载输出。当无法调节到 2.00V 时，应仔细检查系统连接。主要可能出错的原
9、因大致如下：运放前后的电阻阻值接入错误，使得前级输出电压放大倍数过高，直接导致后面环节运放饱和。接入的电容出现错误，或者是电容损坏，导致电路没有放大能力。除此，还有可能是元器件本身就已经被损坏。 步骤（3）：按表格调好可变电阻 47K 的圈数，再调给定电位器 RP2，在确保空载输出为 2.00V 的前提下，再加上 1K 的扰动负载，2 圈、4 圈、8 圈依次检测，这一步主要是测量开环状态下，添加负载扰动前后的输出变化，观察系统对扰动的调整情况。从测量数据看，输出电压随扰动变化很大，一个好的系统应该具有良好的扰动能力，即在扰动情况下的输出变化很小，理想的系统在扰动下输出不发生变化，通过这一步骤，
10、也能说明开环系统不是一个好的系统。 步骤（4）：将系统改接成为闭环反馈系统，在闭环反馈的情况下，进行后面的实验，观察闭环反馈调节起到的作用。步骤（5）：按表格调好可变电阻 47K 的圈数，再调给定电位器 RP2，在确保空载输出为 2.00V 的前提下，再加上 1K 的扰动负载，2 圈、4 圈、8 圈依次检测，通过以上调整和测量，验证了在闭环反馈的作用下，系统的抗扰动能力变强。5步骤（6）：将比例环节换成积分调节器：即第二运放的 10K 改为100K；47K 可变电阻改为 10F 电容，调电位器 RP2，确保空载输出为 2.00V时再加载，测输出电压值。这一步是实验观察积分调节器的调节性能，可以
11、通过实验验证积分调节器的性能明显比比例调节器好，输出更加稳定。（3）画出本实验自动控制系统的各个组成部分，并指出对应元件。调调节节器器被被控控对对象象反反馈馈设设定定被被控控量量 （电电压压）（传传感感器器）扰扰动动被控对象：调节环节：（当换成积分调节器时，调节环节是 10F 的电容。 ）扰动：扰动是负载 RL反馈：由于本系统中全部是电信号，因此没有用到传感器，反馈是一根导线6设定电压：（4）你认为本实验最重要的器件是哪个？意义是什么？我认为最重要的器件是调节环节。在前面两个小实验中，开环和闭环下的调节环节都是 47K 的可变电阻，因此，在前两个小实验中 47K 可变电阻是实验中最重要的器件。
12、在第三个小实验中，调节环节变成了积分调节器，因此 10F 的电容式实验中最重要的器件。调节环节在系统中起到了调节增益的作用，通过调节环节的作用，系统的放大倍数在改变。调节器本身就是控制系统的一个非常重要的环节，如果没有调节器，只有反馈环节，系统将无法达到控制调节的目的，系统在反馈之后主要依赖于调节器对变化量的调节，达到稳定输出的目的，因此调节器这部分是最重要的。而且，调节器也是控制的主要体现方面（5）写出系统传递函数，用劳斯判据说明可变电阻为 8 圈时数字表的现象和原因。首先，对于惯性环节，传递函数的表达式是：212( )11R RKGsRC sTs 所以，每一个模块的传递函数如下：比例环节：
13、1( )G sK 惯性环节：22( )0. 21G ss 31( )0. 0941G ss 42. 55( )0. 0511G ss 反馈环节：( )1H s所以，系统的传递函数：712341234( ) ( ) ( ) ( )( )1( ) ( ) ( ) ( ) ( )G s G s G s G sGsH s G s G s G s G s将上面的各个模块的传递函数代入，化简后得到下面的系统传递函数：325. 1( )0. 00095880. 0337940. 34515. 1KGssssk根据劳斯判据， S3 0.0009588 0.345 S2 0.033794 1+5.1K S1 0
14、.345-0.0283719（1+5.1K） S0 0.345 如果系统稳定，那么第一列都是正数，因此，求出 K 的范围： 2. 19K所以，求出 R2的取值范围：222RK5. 15. 12. 1911. 17ppKKK满足以上条件时，系统才能够稳定。当旋转 8 圈时，的值超过的稳定的范围，因此系统的传递函数出现了虚轴pK右半边的极点，因此系统不稳定，但由于运放有饱和电压，因此，输出并不会趋于无穷大，而是在一定的范围内振荡。（6）比较表格中的实验数据，说明开环与闭环控制效果。答：开环控制下，由于不对扰动进行调整，因此控制效果很差，仅仅靠运放稳压调节是不能够达到稳定输出的目的，因此，在空载和负
15、载下输出值有很大的变化。闭环控制下，系统通过反馈，能够将扰动带来的变化量减小甚至理想情况下消除，达到稳定输出的目的。通过实验数据，可以看出在闭环反馈情况下系统输出有了明显改善，尤其是在积分调节器的作用下，系统输出稳定性很高。但闭环控制也有缺陷，就是开环增益受到限制，开环增益不能够无限大，当开环增益超过一定的限度时，就会产生振荡。（7）用表格数据说明开环增益与稳态误差的关系。验正误差公式。根据表格数据：输出电压2.00V1.30V0.71V0.37V振荡稳态误差1.30V0.71V0.38V振荡我们可以分析，得到如下结论：开环增益越大，稳态误差越小，但开环增益达到一定大小后，系统就会产生振荡。从理论上分析，对于本实验的系统， 0 型系统，阶跃信号作用下的系统的稳态误8差和开环增益的关系如下：1ssAeK由此可见，对于 0 型系统，在 A 为定制的情况下，开环增益越大，阶跃输入作用下的系统稳态误差就越小。如果要求系统对于阶跃输入作用稳态误差为零，那么就要选用 I 型以及 I 型以上的系统。但是，对于系统本身来讲，开环增益过高，可能导致系统内部的不稳定，比如运放饱和等，在系统内部已经不稳定，闭
