控制基础第一次实验

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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:学专业：自动化实验室:一组别:同组人员：设计时间：2 0 14年10月3 1日评定成绩:审阅教师:一、实验目得（1）通过实例展示，认识自动控制系统得组成、功能及自动控制原理课程所要解决得问题。（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,就就是要求输入与反馈得误差相抵得情况，并非单纯得加减问题。因此, 实现负反馈，我们需要逐步考察系统在输入端与反馈端得变化情况，根据变化量决定就是相加 还就是相减。（2）您认为表格

2、中加1KQ载后，开环得电压值与闭环得电压值，哪个更接近2V?答:闭环电压值应当更接近2Va在本实验中得系统,开环下，当出现扰动时,系统前部分就 是不会产生变化，即扰动得影响很大部分就是加载在后面部分，因此，系统不具有调节能力，对 扰动得反应很大，因此，会偏离空载时得2 V很多。闭环卜.，当系统出现扰动，由于反馈,扰动产 生得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，在调整下系统得偏离程度 会减小，因此，闭环得电压值更接近2 V。（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，以及系统得整体规划。对于一个系统，功能部分 就是“被控

3、对象”部分，这部分可由对应专业设计，反馈部分大多就是传感器，因此可由传感器 得专业设计,而自控原理关注得就是系统整体得稳定性，因此，控制系统设计中心就要集中在 整个系统得协调与误差调节环节、（4）预习劳斯判据与稳态误差。答:劳斯判据:假若劳斯阵列表中第一列系数均为正数，则该系统就是稳定得，即特征方程 所有得根均位于根平面得左半平面、假若第一列系数有负数，则第一列系数符号得改变次数 等于在右半平面上根得个数。稳态误差：稳态误差按照产生得原因分为原理性误差与实际性误差两类： 原理性误差为了跟踪输出量得期望值与由于外扰动作用得存在,控制系统在原理上必 然存在得一类稳态误差、当原理性稳态误差为零时，控

4、制系统称为无静差系统，否则称为有静 差系统。原理性稳态误差能否消除,取决于系统得组成中就是否包含积分环节（见控制系统得 典型环节）。 实际性误差系统得组成部件中得不完善因素（如摩擦、间隙、不灵敏区等）所造成得稳 态误差。这种误差就是不可能完全消除得，只能通过选用高精度得部件,提高系统得增益值等 途径减小。三、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）在数学上得“相似性”， 将各种实际物理装置从感兴趣得角度经过简化、并抽象成相同得数学形式。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”得数学形式来表达、研 究与设计、又由于人本身得自然属性，人对数学而

5、言,不能直接感受它得自然物理属性, 这给我们分析与设计带来了困难。所以，我们又用替代、模拟、仿真得形式把数学形 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, 在后面得课程里，不同专业得学生将面对不同得实际物理对象，而“模拟实物”得实验 方式可以做到举一反三，我们就就是用下列“模拟实物”-一电路系统,替代各种实际 物理对象、（2）自动控制得根本就是闭环，尽管有得系统不能直接感受到它得闭环形式，如步进电机 控制，专家系统等，从大局瞧,还就是闭环。闭环控制可以带来想象不到得好处，本实验 就就是用开环与闭环在负载扰动卜得实验数据，说明闭环控制效果。自动控制系统性 能得优

6、劣，其原因之一就就是取决调节器得结构与算法得设计（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:不同得 K对系性能产生不同得影响，以说明正确设计调节器算法得重要性。（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 系统会产生典型得现象一-振荡。本实验也可以认为就是一个真实得电压控制系统、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5六、实验步骤（1）如图接线,建议使用运算放大器U8、U10、U9、Ull. U13o先开环，即比较器接输 出一端得反馈电阻100KQ接地。将可变电阻

7、47KQ （必须接可变电阻47 K上而两 个插孔）左旋到底时，即系统增益Kp=O。再右旋1圈，阻值为4。7KQ, K p=2、4。 经仔细检查后接通220伏电源，再打开+ 1 5、-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/直流数字电压表”得电压为2. 0 0 Vo如果调不到，则对开环系统进行逐级检查,找出故障原因，并记录。（3）先按表格先调好可变电阻47K。得规定圈数，再调给定电位器R P2,在确保空载输出为2。OOV得前提下，再加上1KQ得扰动负载、分别右旋调2圈、4圈、8圈后依 次测试，测得各数据填表。注意:为了数据可比性，加1 K

8、Q负载前必须保证电压就是2.00V.稳态误差e就是比较器得输出。（4）正确判断并实现反馈！（课堂提问）理解后闭环,即反馈端电阻100KQ接系统输出。（5）按表格调可变电阻47KQ得圈数，再调给定电位器RP2,在确保空载输出为2.00V得 前提下，再加上1KQ得扰动负载，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圈时数字表得现象。并用理论证明。（6）将比例环节换成枳分调节器:将第二运放得1 0KQ改为100KQ;47KQ可变电阻 改为10PF电容，调电位器RP2,确保空载输出为2.0 0V后再加载，测输出电压值并 记录。七、实验数据开环空载加1KQ负载开环增益 调4、7K电阻

9、1圈(Kp= 2、4)2|卷|(Kp=4o 8)4圈(Kp = 9、6)8圈 (Kp=l 9 o 2)输出电压2、OOV1、01V1、00V1 o 00 Vlo 0 1 V闭环加1KQ负载开环增益 调4o7K电阻1圈 (K p =2.4)2圈(Kp=4o 8)4|卷|(Kp= 9、6)8圈(K p =1 9、2)输出电压2a 0 0V1、54V1、71V1、82V振荡2a 84V 2 .42V-2 o 20 V振荡稳态误差e （测量值）1.3 2 V0、72 V0、38V振荡稳态误差公 式（计算值）lo 29V0、71V0.38V振荡由上表格可知，稳态误差测量值与理论公式计算值非常接近，在误差

10、允许范围内相等。 换成积分电路后，测得输出电压为2。OOVo八、实验分析（1）用文字叙说正确实现闭环负反馈得方法。答:实现闭环负反馈，就就是让输入与扰动下输出得变化量相互抵消，达到稳定输出得目 得。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，都就是按照偏差控制得系统，偏差就就是指输入信号与反馈信号之差，因 此,正确得方案就是增电压方法，就就是考虑变化量得关系得方法。增电压得方法，就是将电压 得变化量作为参考量。通过输入与输出得变化量得关系，来判断反馈得方法，这个方法可以确 保实现负反馈，即实现了通过反馈与输入偏差

11、得抵消达到稳定输出得目得。（2）说明实验步骤（1）至（6）得意义。答:第一步:将比较器端100KQ电阻接地，就是为了实现开环控制，构成开环系统;电位器 左旋到底，再右旋一圈，就是为了调节比例放大器得放大倍数、第二步:调“负输出”端电位器RP2,使“交/直流数字电压表”得电压为2、OOV,这就是 作为系统得空载输出。（当无法调节到2。00V时，应仔细检查系统连接、主要可能出错得原 因大致如下:运放前后得电阻阻值接入错误，使得前级输出电压放大倍数过高，直接导致后面 环节运放饱与。接入得电容出现错误，或者就是电容损坏，导致电路没有放大能力。除此，还有 可能就是元器件本身就己经被损坏）第三步:按表格调

12、好可变电阻47KQ得圈数，再调给定电位器RP2,在确保空载输出为 2、00V得前提下,再加上1KQ得扰动负载,2圈、4圈、8圈依次检测,这一步主要就是测量 开环状态下，添加负载扰动前后得输出变化，观察系统对扰动得调整情况。第四步:将系统改接成为闭环反馈系统，在闭环反馈得情况卜，进行后面得实验，观察闭环 反馈调节起到得作用、第五步:按表格调好可变电阻47KQ得圈数，再调给定电位器RP2,在确保空载输出为2。 OO V得前提下,再加上1KQ得扰动负载,2圈、4圈、8圈依次检测,通过以上调整与测量，验 证了在闭环反馈得作用下，系统得抗扰动能力变强。第六步:将比例环节换成积分调节器，用于比较两种调节方

13、式对于负载引入得微扰得影响, 说明将比例环节换成枳分环节，使输出更稳定。（3）画出本实验自动控制系统得各个组成部分，并指出对应元件。答：系统如下：（传感器）输入:比较器:调节器:被控对象:反馈:LULRl-L册输入电压值得设定就是通过调节电位器输入、比较器就是由第一个加法器构成、放大器 就是由比例放大器构成、被控对象就是由三个运放组成得三阶系统构成得。输出量就是数字 电压表测量而得到得、（4）您认为本实验最重要得器件就是哪个?作用就是什么？答:我认为本实验最重要得器件就是调节环节得器件。在前面两个小实验中，开环与闭环下得调节环节都就是4 7 K得可变电阻，因此，在前两 个小实验中47K可变电阻

14、就是实验中最重要得器件、在第三个小实验中，调节环节变成了积 分调节器，因此1 OUF得电容式实验中最重要得器件。调节环节在系统中起到了调节增益得 作用,通过调节环节得作用，系统得放大倍数在改变。调节器本身就就是控制系统得一个非常 重要得环节，如果没有调节器,只有反馈环节，系统将无法达到控制调节得目得，系统在反馈之 后主要依赖于调节器对变化量得调节,达到稳定输出得目得，因此调节器这部分就是最重要 得。（5）写出系统传递函数，用劳斯判据说明:闭环工作时,4。7 K可变电阻为8圈（Kp =19。2）时，数字表得现象与原因。(9.588xl0A(-4)sA3+ 0.03784sA2+ 0.3455s+

15、1 + Kp特征方程为：根据劳斯判别：sA30o 00095880 .34 5sA20、0 337 9 41 +s1sz01 +所以当-MKV11、16时系统才稳定,3=1 9 o 2时显然超过范围，系统部稳定，输出电压出现 振荡。（6）比较表格中得实验数据,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就是 不能够达到稳定输出得目得，因此，在空载与负载下输出值有很大得变化。闭环控制卜，系统通过反馈，能够将扰动带来得变化量减小甚至理想情况卜消除，达到稳 定输出得目得。通过实验数据，可以瞧出在闭环反馈情况下系统输出有了明显改善，尤其就是 在积分

16、调节器得作用下，系统输出稳定性很高。但闭环控制也有缺陷，就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得限度时，就会产生振荡。（7）用稳态误差e得数据。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2o 00V1、54V1.71V1.82 V振荡稳态误差1.32V0、72V0o 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，对于本实验得系统,0型系统，阶跃信号作用下得系统得稳态误差与开环 增益得关系如下：其中为稳态误差,为开环增益。由此可见，对于0型系统，在A为定制得情况下,开环增益越大，阶跃输入作用下得系统稳 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 上得系统。但就是，对于系统本身来讲，开环增益过高，可能导致系统内部得不稳定，比如运放饱 与等，在系统内部己经不稳定,闭环反馈也无法达到稳定。九、实验总结1，通过这次试验可以瞧出闭环系统得稳定性明显高于开环系统，重新认识到反馈得重要 性、2,通过这次实验，我们了解到了控制系统设计得流程。3 ,对于比例与积分控制得性能对比，有了初步得了解、