2016年东南大学自控试验报告试验三闭环电压控制系统设计研究

1、专业资料整理分享东南大学自动控制原理实验报告实验名称：实验三 闭环电压控制系统研究院（系）：专 业：姓 名： 学 号：实验室：416 实验组别：同组人员： 实验时间：2015年11月24日评定成绩： 审阅教师：完美WORD格式编辑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。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

2、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”一一 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

3、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一一振荡。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、U

4、11、U13。先开环，即比较器一端的反馈电阻100K Q接地。将可变电阻47K Q (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 Q。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 Q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 Q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

5、：加1 K Q负载前必须保证此时的电压是2.00 V。(4) 正确判断并实现反馈！(课堂提问)再闭环，即反馈端电阻100K Q接系统输出。(5) 先按表格调好可变电阻47K Q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 Q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 Q改为100K Q ; 47K Q可变电阻改为10卩F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 Q负载可调电阻 开环增益1圈(K

6、p=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 Q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2.00V1.54V1.69V1.83V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：（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

7、，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 器接反馈的100K Q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 Q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

8、“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 Q的圈数，再调给定电位器RP2，在确保空载输出为2.00V的

9、前提下，再加上1K Q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）：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 Q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 Q的扰动负载，2圈、4圈、8圈依次检测

10、， 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（6）:将比例环节换成积分调节器：即第二运放的10K Q改为100K Q ; 47KQ可变电阻改为10卩F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。（传感器）被控对象:调节环节：（当换成积分调节器时，调节环节是10卩F的电容。）扰动：扰动是负载 RlFx反馈：由于本系统中全部是电信号，因此没有用到传感器，反馈是一根导线闭环设

11、定电压：+15v(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。在第三个小实验中，调节 环节变成了积分调节器，因此10卩F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

12、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,Gs)所以,对于惯性环节，传递函数的表达式是：R2_R,_ KRCs + 1 Ts + 1每一个模块的传递函数如下：G(s)二0.094s 1G(s)2.550.051s 1比例环节：G(s)二-K惯性环节：2G,(s)二-0.2s 1反馈环节：H(s) = 1所以，系统的传递函数：G（s）=G（s）G（s）G（s）G（s）1H（s）G（s）GG（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:Gs）5.1 K0.0009588s30.033794s20

13、.345s 15.1k根据劳斯判据,3S 0.0009588s2s10.0337940.345-0.0283719（ 1+5.1K）0.3450.3451+5.1K如果系统稳定，那么第一列都是正数，因此，求出K的范围:K :：: 2.19所以，求出R2的取值范围：R22K11 二 5.1 K ： 5.12.19 二 11.17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

14、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。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1.30V0.71V

15、0.38V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差和开环增益的关系如下：SS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，闭环反馈也无法达到稳定。七、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

16、环，就是要求输入和反馈的误差相抵的情况，并非单纯的加减问题。 因此，实现负反馈，我们需要逐步考察系统在输入端和反馈端的变化情况，根据变 化量决定是相加还是相减。(2) 你认为表格中加1K Q载后，开环的电压值与闭环的电压值，哪个更接近2V?答：闭环电压值应当更接近 2V。在本实验中的系统，开环下，当出现扰动时，系统 前部分是不会产生变化，即扰动的影响很大部分是加载在后面部分，因此，系统不具有调节能力，对扰动的反应很大，因此，会偏离空载时的2V很多。闭环下，当系统出现扰动，由于反馈，扰动产生的影响也被反馈到了输入端，因此，系统从输入部分就产生调整，在调整下系统的偏离程度会减小，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：控制系统中，我认为主要设计调节环节， 以及系统的整体规划。 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