自动控制原理实验.doc

自动控制原理实验实验报告实验三闭环电压控制系统研究学号 姓名 时间 2014年10月21日 评定成绩 审阅教师 实验三闭环电压控制系统研究一、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、预习与回答：（1） 在实际控制系统调试时，如何正确实现负反馈闭环？答：负反馈闭环，不是单纯的加减问题，它是通过增量法实现的，具体如下：1. 系统开环；2. 输入一个增或减的变化量；3. 相应的，反馈变化量会有增减；4. 若增大，也增大，则需用减法器；5. 若增大，减小，则需用加法器，即。（2） 你认为表格中加1K载后，开环的电压值与闭环的电压值，哪个更接近2V？答：闭环更接近。因为在开环系统下出现扰动时，系统前部分不会产生变化。故而系统不具有调节能力，对扰动的反应很大，也就会与2V相去甚远。但在闭环系统下出现扰动时，由于有反馈的存在，扰动产生的影响会被反馈到输入端，系统就从输入部分产生了调整，经过调整后的电压值会与2V相差更小些。因此，闭环的电压值更接近2V。（3） 学自动控制原理课程，在控制系统设计中主要设计哪一部份？答：应当是系统的整体框架及误差调节部分。对于一个系统，功能部分是“被控对象”部分，这部分可由对应专业设计，反馈部分大多是传感器，因此可由传感器的专业设计，而自控原理关注的是系统整体的稳定性，因此，控制系统设计中心就要集中在整个系统的协调和误差调节环节。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“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。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：THBDC-1实验平台四、实验线路图：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1 K负载前必须保证此时的电压是2.00V。（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2.00V1.001.001.001.00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）输出电压2.00V1.541.721.85振荡稳态误差e0.871.320.710.38A-2.86-2.90-2.42-2.20计算稳态误差e1.310.720.38计算值及测量值之间的误差-0.75%-1.37%-2.56%表格中，计算稳态误差e的公式为：可见，计算出的稳态误差值e与测量出的e值误差较小，属于正常情况。（6）输出电压值 U = 1.98V。六、报告要求：（1） 用文字叙说正确实现闭环负反馈的方法。答：实现闭环负反馈，就是让输入和扰动下输出的变化量相互抵消，达到稳定输出的目的。实现反馈有如下四种方案：1. 加减2. 正电压3. 增电压（变化量）4. 先闭环考察误差e，然后再作调整对于反馈系统，都是按照偏差控制的系统，偏差就是指输入信号与反馈信号之差，因此，正确的方案是增电压方法，就是考虑变化量的关系的方法。增电压的方法，是将电压的变化量作为参考量。通过输入和输出的变化量的关系，来判断反馈的方法，这个方法可以确保实现负反馈，即实现了通过反馈和输入偏差的抵消达到稳定输出的目的。（2） 说明实验步骤（1）至（6）的意义。答：步骤（1）中将比较器端100K电阻接地，是为了实现开环控制。电位器左旋到底，再右旋一圈，是为了调节第二个比例放大器的放大倍数。步骤（3）是在开环控制的条件下，测量空载输出为2V时，加负载时的电压输出值。与闭环控制条件下的测量值进行比较，说明开环与闭环控制的差异。同时也为了说明在开环控制的条件下，Kp变化对输出量没有影响。步骤（5）是在闭环控制的条件下，测量空载输出为2V时，加负载时的电压输出值，与开环控制进行比较。同时也为了说明在闭环控制的条件下，Kp变化对输出量的影响步骤（6）是为了说明将第二个比例环节换成积分环节，使输出更稳定。（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。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（4） 你认为本实验最重要的器件是哪个？意义是什么？答：最重要的是比例调节的器件。在前两个实验中，开环和闭环下的调节部分都是47K的可变电阻，因此在前两个实验中，47K可变电阻是实验中最重要的器件。在第三个实验中，调节环节变成了积分调节器，因此10F的电容是最重要的器件。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。（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。答：首先，对于惯性环节，传递函数的表达式是：所以，每一个模块的传递函数如下：比例环节：惯性环节：反馈环节：所以，系统的传递函数：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：根据劳斯判据，S3 0.0009588 0.345S2 0.033794 1+5.1KS1 0.345-0.0283719（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：所以，求出R2的取值范围：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。答：根据表格数据：输出电压2.00 V1.55V1.69 V1.82 V振荡稳态误差1.32 V0.73 V0.39 V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