控制基础第一次实验——闭环电压控制系统研究

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： 1、 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。2、 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

2、变化量决定是相加还是相减。 （2） 你认为表格中加1K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。

3、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，即特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：原理性误差为了跟踪输出量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

4、误差为零时，控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。3、 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

5、，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

6、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。4、 实验设备THBDC-1实验平台5、 实验线路图6、 实验步骤（1） 如图接线，建议使用运算放大器U8、U10、U9、U11、U13。先开环，即比较器接输出一端的反馈电阻100K接地。将可变电阻47K（必须接可变电阻47K上面两个插孔）左旋到底时，即系统增益Kp=

7、0。再右旋1圈，阻值为4.7K，Kp=2.4。经仔细检查后接通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，并记录。（3） 先按表格先调好可变电阻47K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的扰动负载。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负载前必须保证电压是2.00V。稳态误差e是比较器的输出。 （4） 正确判断并实现反馈！（课堂

8、提问）理解后闭环，即反馈端电阻100K接系统输出。（5） 按表格调可变电阻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，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：将第二运放的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2.00V后再加载，测输出电压值并记录。7、 实验数据开环空载加1K负载开环增益调4.7K电阻1圈（Kp=2.4）2圈（Kp=4.8）4圈（Kp=9.6）8圈（Kp=19.2）输出电压2.00V1.01V1.00V

9、1.00V1.01V闭环加1K负载开环增益调4.7K电阻1圈（Kp=2.4）2圈（Kp=4.8）4圈（Kp=9.6）8圈（Kp=19.2）输出电压2.00V1.54V1.71V1.82V振荡-2.84V-2.42V-2.20V振荡稳态误差e（测量值）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，稳态误差测量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。8、 实验分析（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

10、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100K电阻接地，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，是为了调节比例放大器的放大倍数。 第二步：调

11、“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)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化，观察系统对扰动的调整情况。第四步：将系统改接成

12、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，用于比较两种调节方式对于负载引入的微扰的影响，说明将比例环节换成积分环节，使输出更稳定。（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：系统如下：输入：比较器：调节器：被控对象：反馈：输入电压值的设定是通过调节电位器输入。比较器是由第一个加法器构成。

13、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。输出量是数字电压表测量而得到的。（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

14、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。（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圈（Kp=19.2）时，数字表的现象和原因。答： 特征方程为：根据劳斯判别 ：s3   0.0009588      0.345 s2   0.033794           1+  

15、  s1   s0 1+   所以当-1<K<11.16时系统才稳定 ，当=19.2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） 用稳态误差e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2.00V 1.54V1.71V1.82V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：其中为稳态误差，为开