自动控制实验报告

自动控制实验报告题目闭环电压控制系统研究姓名学号日期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、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THBDC1实验平台四、实验线路图五、实验步骤81091113（1）如图接线，将线路接成开环形式，即比较器端接反馈的100K电阻接地。将可变电阻470K（必须接可变电阻上面两个插孔）左旋到底归零，再右旋1圈。经仔细检查后上电。打开15伏的直流电源开关，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200V。如果调不到，则对开环系统进行逐级检查，找出原因。（3）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200V的前提下，再加上1K的扰动负载，2圈、4圈、8圈依次检测，填表（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200V的前提下，再加上1K的扰动负载，2圈、4圈、8圈依次检测，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200V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（KP24）2圈（KP48）4圈（KP96）8圈（KP192）输出电压200V100100100100闭环加1K负载可调电阻开环增益1圈（KP24）2圈（KP48）4圈（KP96）8圈（KP192）输出电压200V150169182振荡稳态误差05031018无法计算六、报告要求（1）用文字叙说正确实现闭环负反馈的方法。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若负反馈信号与系统给定值喜好相反，则为负反馈。实现方法为将信号的正向通路与负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）将电路连成开环系统，即控制系数K1/10。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）使空载时输出电压为2V，并将2V作为输出基准电压，加上负载后形成微扰，使输出电压有所变化，此步骤是设定基准的一步。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200V，这是作为系统的空载输出。当无法调节到200V时，应仔细检查系统连接。主要可能出错的原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）将电路连成闭环系统，并在2V的基准电压下，对加入负载前后的输出电压值进行测量并比较。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200V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，也能说明开环系统不是一个好的系统。步骤（4）、（5）、（6）调节控制系数K分别为2/10、4/10、8/10，即增大控制增益，并在2V的基准电压下对加入负载前后的输出电压值进行测量并比较。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。步骤（7）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200V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。系统调节器被控对象反馈设定被控量（电压）（传感器）扰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本实验最重要的器件是调节环节的器件。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。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，用稳定判据说明可变电阻为8圈时数字表的现象和原因。对于惯性环节，传递函数的表达式是211RKGSCTS所以，每一个模块的传递函数如下比例环节1K惯性环节201S394G42501SS反馈环节H所以，系统的传递函数1234GSSS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3251095807940351KGSSSSK根据劳斯判据，S3000095880345S20033794151KS1034500283719（151K）S00345如果系统稳定，那么第一列都是正数，因此，求出K的范围219所以，求出R2的取值范围251917PK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P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。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。由表格数据输出电压200V150169182振荡稳态误差05031018无法计算通过分析可以得到以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差和开环增益的关系如下1SAEK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，闭环反馈也无法