控制基础第一次实验

1、东南大学自动化学院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姓 名：学 号：专 业： 自动化实验室：组 别：同组人员：设计时间：2014年10月31日评定成绩：审阅教师：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，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，我们雷要逐步考察系统在输入端和反馈端的变化情况，根据变化長决定是相加 还是相减。（2）你认为表恪中

2、加1KQ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）学自动控制原理裸程，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

3、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。（4）预习劳斯判据和稳态误差。答：劳斯判据：假若劳斯阵列表中第一列系数均为正数，则该系统是稳定的，即恃征方 程所有的根均位于根平面的左半平面。假若第一列系数有负数，则第一列系数符号的改变次 数等于在右半平面上根的个数。稳态误差：稳态误差按照产生的原因分为原理性误差和实际性误差两类： 原理性误差为丁跟踪输出長的期望值和由于外扰动作用的存在,控制系统在原理上必 然存在的一类稳态误差。当原理性稳态误差为零时，控制系统称为无静差系统

4、，否则称为有 静差系统。原理性稳态误差能否消除，取决于系统的组成中是否包含积分环节（见控制系统 的典型环节）。 实际性误差系统的组成部件中的不完善因素（如摩擦、间隙、不灵敏区等）所造成的 稳态误差。这种误差是不可能完全消除的，只能通过选用高精度的部件，提高系统的增益值 等途径减小。三、实验原理（1）利用各种实际物理装直（如电于装直、机械装畫、化工装直等）在数学上的“相似 性”，将各种实际物理装亶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賈、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，不能言接感受它 的自

5、然物理属性，这给我们分析和设计带来了圉难。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

6、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振荡。本实验也可以认为是一个真实的电压控制系 统。四、实验设备THBDC-1实验平台五、实验线路图实验二闭环电压控制系统研究接线图*六、实验步骤（1）如图接线，逹议使用运算放大器U8、U10、U9、Ull、L13o先开环，即比较器接输 出一端的反馈电阻100KQ接地。将可变电阻47KQ （

7、必须接可变电阻47K上面两个 插孔）左旋到底时，即系统増益Kp=Oe再右旋1圏，阻值为4.7KQ, Kp=2.4o经仔 细检査后接通220伏电源，再打开+15、-15伏电源开关，弹起红色按键“不锁零”。（2）按下“阶跃按键”键，调“负输出”端电位器RP2,使“交/直流数宇电压表”的电 压为2.00Vo如果调不到，则对开环系统迸行逐级检査，找出故障原因，并记录。（3）先按表格先调好可变电阻47KQ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1KQ的扰动负载。分别右旋调2圏、4圏、8匱后依次测 试，测得各数据埴表。注意：为丁数据可比性，加1 KQ负载前必须保证电压是

8、2.00Vo 稳态误差U是比较器的输出。（4）正确判断并实现反馈！（裸堂提问）理解后闭环，即反馈端电阻100KO接系统输出。（5）按表格调可变电阻47KO的囲数，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1KH的扰动负载，分别右旋调2圈、4匱、8匱依次测试，埴表 要注意在可变电阻为8圈时教宇表的现象。并用理论证明。（6）将比例环节换成积分调节器：将第二运放的10KQ改为100KQ； 47阻河变电阻改为 10pF电容，调电位器RP2,确保空载输出为2.00V后再加载，测输出电压值并记录。七、实验数据卄坏空载加1KQ负载开环増益 调4.7K电阻1医(Kp=2.4)2医(Kp

9、=4.8)4医(Kp=9.6)8医(I<p=19.2)输出电压2.00V1.01V1.00V1.00V1.01V闭环加1KQ负载开环增益 调4.7K电阻1匿 (Kp=2.4)2医(Kp=4.8)4医 (Kp=9.6)8医(Kp=19.2)输出电压2.00V1.54V1.71V1.82V振荡匕-2.84V-2.42V-2.20V振荡稳态误差U （测昼值）1.32V0.72V0.38V振荡稳态误差公 式（计算值）1.29V0.71V0.38V振荡由上表格可知，稳态误差测旻值与理论公式计算值非常接近，在误差允许范围内相等。换成积分电路后，测得输出电压为2.00V。八、实验分析（1）用文宇叙说正

10、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星相互抵消，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（变化長）。4先闭环考察误差匸，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，就是孝虑变化長的关系的方法。増电压的方法，是将电压的变化 星作为参考長。通过输入和输出的变化長的关系，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：第一步：将比较器端100KQ电阻接地，是为了

11、实现开环控制，构成开环系统；电 位器左旋到底，再右旋一匱，是为丁调节比例放大器的放大倍数。第二步：调“负输出”端电位器RP2,使“交/直流数宇电压表”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，应仔细检査系统连接。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教过高，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，导致电站没有放大能力。除此, 还有可能是元器件本身就巳经被损坏）第三步：按表格调好可变电阻47KQ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1KQ的扰动負载，2圈、4圏、8

12、圈依次检测，这一步主要是测長开 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。第四步：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。第五步：按表恪调好可变电阻47KQ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1KQ的扰动负载，2匱、4圈、8圈依次检测，通过以上调整和测長, 验证丁在闭环反馈的作用下，系统的抗扰动能力变强。第六步：将比例环节换成积分调节器，用于比较两种调节方式对于负载引入的微扰的彫 响，说明将比例环节换成积分环节，使输出更稳定。（3） 答：画出本实验自动控制系统的各个组成部分，并指出

13、对应元件。系统如下:（传感器）输入:-15z 比较器调节器：nJ被控对象:输入电压值的设圭是通过调节电位器输入。比较器是由第一个加法器构成。放大器 是由比例放大器构成。被控对象是由三个运放组成的三阶系统构成的。输出長是数宇电压表 测星而得到的。（4）你认为本实验最重要的器件是哪个？作用是什么？答：我认为本实验晨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可变电阻是实验中昙重要的器件。在第三个小实验中，调节环节变成丁积 分调节器，因此10yF的电容式实验中昙重要的器件。调节环节在系统中起到了调节増益的 作用，通过调节环

14、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 馈之后主要依翰于调节器对变化長的调节，达到稳定输出的目的，因此调节器这部分是昙重 要的。（5）写出系统传递函数，用劳斯判据说明：闭环工作时，4.7K可变电阻为8匮 （Kp=19.2）时，数宇表的现象和原因。答 G (s)二(9.588x 10A(-4)sA3+ 0.03784sA2+ 0.3455s+ 1 + Kp特征方程为：(9.588 x 13 (-4)sA3 + 0.033794sA 2 + O.S455s +1 + 0=0根据劳斯判别：sT

15、 0.00095880.345s2 0.0337941+K“0.0009588 x（l + K“）sT -0.3450.033794s5 1+K”所以当-1<K<11.16时系统才稳定，当K严.2时显然超过范围，系统部稳定，输出电压出 现振荡。（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長减小甚至理想情况下消除，达到 稳定输出的目的。通过实验教据，可以看出在闭环反馈情况下系统输出有了明显

16、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，开环増益不能够无限大，当开环增益超过一定的限度时，就会产生振荡。（7）用稳态误差匚的数据。验正稳态误差公式。参考田玉平教材第二版246页。答：根据表格数据:输出电压2.00V1.54V1.71V1.82V振荡稳态误差1.32V0.72V0.38V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，但开环増益达到一定大 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 环増益的关系如下：A其中匕为稳态误差，K“为开环增益。由此可见，对于o型系统，在A为定制的情况下