闭环电压控制系统研究

1、东南大学能环学院实 验 报 告课程名称： 热工过程自动控制原理第三次实验实验名称: 闭环电压控制系统研究院 （系）： 专 业： 姓 名： 学 号： 实 验 室： 实验组别：同组人员： 实验时间： 评定成绩： 审阅教师：目 录一、实验目的3二、实验设备3三、实验原理3四、实验步骤4五、实验记录5六、实验总结6一、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、实验设备THBDC-1型 控制理论·计算机控制技术实验平台三、实验原理1、利用各种实际物理装置（如电子装置、机械装置、

2、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

3、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。四、实验步骤1、如图接线，将线路接成开环形式，即

4、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2.00V。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2.00V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RP

5、2，在确保空载输出为2.00V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电阻改为100K电阻；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。五、实验记录开环空载加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2.00V1.00V1.00V1.00V1.00V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

6、.2）输出电压2.00V1.51V1.70V1.82V振荡稳态误差0.49V0.30V0.18V振荡比例环节换成积分调节器：即第二运放的10K电阻改为阻值为100K的电阻；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 U = 2.00V。六、实验总结1、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负载后，开环的电压值与闭环的电压值，哪个更接近2

7、V？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，所以，系统不具有调节能力，对扰动的反应会很大，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，所以，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

8、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。2、思考题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：a. 加减b. 正电压c. 增电压（变化量）d. 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

9、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：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做好准备。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做好准备。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。第二步：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

10、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。除此之外，还有可能是元器件本身就已经被损坏。第三步：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，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

11、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稳定能力，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。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，2圈、4圈、8圈依次检测，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。第六步：将比例环节换成积分调节器：即第二运放的10K改为100K；47

12、K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。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。答：系统：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？答：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

13、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。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

14、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

15、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2.00V1.51V1.70V1.82V振荡稳态误差0.49V0.30V0.18V振荡我们可以分析，得到如下结论：开环增