閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)

東南大學自動化學院實驗報告課程名稱：自動控制實驗實驗名稱：閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)院（系）：自動化專業(yè):自動化姓名：學號:實驗室：實驗組別:同組人員：實驗時間：2011年10月19日評定成績：審閱教師：一、 實驗目的：（1） 通過實例展示，認識自動控制系統(tǒng)的組成、功能及自動控制原理課程所要解決的問題。（2） 會正確實現(xiàn)閉壞負反饋。（3） 通過開、閉環(huán)實驗數(shù)據(jù)說明閉環(huán)控制效果。二、 預習與回答：（1） 在實際控制系統(tǒng)調(diào)試時，如何正確實現(xiàn)負反饋閉環(huán)？答：將被控輸出量反向傳遞到系統(tǒng)的輸入端并與給定輸入信號比較（相減），根據(jù)所得的偏差信號來實現(xiàn)對被控量的控制，使得輸出量與給定量之間的偏差盡可能小。（2） 你認為表格中加1KQ載后，開環(huán)的電壓值與閉環(huán)的電壓值，哪個更接近2V?答：在適當?shù)腒p值下，閉壞電壓值更接近于2V。因為閉環(huán)將輸出的值反饋到比較器，調(diào)節(jié)壞節(jié)使之減少誤差或消除誤差，使被控量與給定值趨于一致.（3） 學自動控制原理課程，在控制系統(tǒng)設計中主要設計哪一部份？答：主要設計控制算法部分。當比較器求出期塑值與實際值之間的誤差時通過調(diào)節(jié)部分消除誤差，使最終輸出接近給定值。三、 實驗原理：（1） 利用各種實際物理裝置（如電子裝置、機械裝置、化工裝置等）在數(shù)學上的“相似性”，將各種實際物理裝置從感興趣的角度經(jīng)過簡化、并抽象成相同的數(shù)學形式。我們在設計控制系統(tǒng)時，不必研究每一種實際裝置，而用幾種“等價”的數(shù)學形式來表達、研究和設計。又由于人本身的自然屬性，人對數(shù)學而言，不能直接感受它的自然物理屬性，這給我們分析和設計帶來了困難。所以，我們又用替代、模擬、仿真的形式把數(shù)學形式再變成“模擬實物”來研究。這樣，就可以“秀才不出門，遍知天下爭”。實際上，在后面的課程里，不同專業(yè)的學生將面對不同的實際物理對彖，而“模擬實物”的實驗方式可以做到舉一反三，我們就是用下列“模擬實物”一一電路系統(tǒng)，替代各種實際物理對象。（2） 自動控制的根本是閉壞，盡管冇的系統(tǒng)不能直接感受到它的閉壞形式，如步進電機控制，專家系統(tǒng)等，從犬局看，還是閉壞。閉壞控制可以帶來想彖不到的好處，本實驗就是用開環(huán)和閉環(huán)在負載擾動卜?的實驗數(shù)據(jù)，說明閉壞控制效果。自動控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，其原因之一就是取決調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和算法的設計（本課程主要用串聯(lián)調(diào)節(jié)、狀態(tài)反饋），本實驗為了簡潔，采用單閉環(huán)、比例調(diào)節(jié)器K。通過實驗證明：不同的K,對系性能產(chǎn)生不同的影響，以說明正確設計調(diào)節(jié)器算法的重要性。（3）為了使實驗有代表性，本實驗采用三階（高階）系統(tǒng)。這樣，當調(diào)節(jié)器K值過大時，控制系統(tǒng)會產(chǎn)生典型的現(xiàn)彖一一振蕩。本實驗也可以認為是一個真實的電壓控制系統(tǒng)。四、 實驗設備：THBDC-1實驗平臺五、 實驗線路圖：

實驗二閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)研究接線圖」六、實驗步驟：（1） 如圖接線，將線路接成開環(huán)形式，即比較器端接反饋的100KQ電阻接地。將可變電阻470KQ（必須接可變電阻上面兩個插孔）左旋到底歸零，再右旋1圈。經(jīng)仔細檢查后上電。打開15伏的直流電源開關，彈起“不鎖零”紅色按鍵。（2） 按下“階躍按鍵”鍵，調(diào)“負輸出”端電位器RP2,使“交/直流數(shù)字電壓表”的電壓為2.00Vo如果調(diào)不到，則對開環(huán)系統(tǒng)進行逐級檢查，找出原因。（3） 先按表格調(diào)好可變電阻47KQ的圈數(shù)，再調(diào)給定電位器RP2,在確?？蛰d輸出為

2.00V的前提下，再加上1KQ的擾動負載，2圈、4圈、8圈依次檢測，填表（4） 正確判斷并實現(xiàn)反饋?。ㄕn堂提問）再閉環(huán)，即反饋端電阻100KQ接系統(tǒng)輸出。（5） 先按表格調(diào)好可變電阻47KQ的圈數(shù)，再調(diào)給定電位器RP2,在確?？蛰d輸出為2.00V的前提下，再加上1KQ的擾動負載，2圈、4圈、8圈依次檢測，填表要注意在可變電阻為8圈時數(shù)字表的現(xiàn)象。并用理論證明。（6） 將比例壞節(jié)換成積分調(diào)節(jié)器：即第二運放的10KQ改為100KQ；47KQ可變電阻改為10pF電容，調(diào)電位器RP2,確?？蛰d輸出為200V時再加載，測輸出電壓值。表格：開壞空載加1KQ負載可調(diào)電阻開環(huán)增益1圈(Kp=2.4)2圈(Kp=4.8)4圈(Kp=96)8圈(Kp=19.2)輸出電壓2.00V1.001.011.001.00閉環(huán)空載加1KQ負載可調(diào)電阻開環(huán)增益1圈(Kp=24)2圈(Kp=4.8)4圈(Kp=96)8圈(Kp=19.2)輸出電壓2.00V1.541.701.82\穩(wěn)態(tài)誤差1.340.730.39\輸出電壓（積分）2.00V2.00七、報告要求:1） 用文字敘說正確實現(xiàn)閉環(huán)負反饋的方法。答：閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負反饋。實現(xiàn)的方法為：將信號的正向通通路與反饋通路構(gòu)成閉合回路，比較輸出信號與給定值的誤差值，若誤差増加，就將輸入信號與反饋信號構(gòu)成減法電路實現(xiàn),若誤差減小，就將輸入信號與反饋信號構(gòu)成加法電路實現(xiàn)。2） 說明實驗步驟（1）至（6）的意義。步驟（1）：將比較器端100KQ電阻接地，是為了實現(xiàn)開環(huán)控制，構(gòu)成開壞系統(tǒng)：電位器左旋到底，再右旋一圈，是為了調(diào)節(jié)比例放人器的放人倍數(shù)。步驟（2）：調(diào)節(jié)電位器RP2使得開環(huán)輸出為2V。步驟（3）：在開環(huán)控制的條件下，觀察引入負載后Kp對輸出的影響。步驟（4）：在開環(huán)控制的條件下，調(diào)節(jié)空載時輸出為2V,然后加負載形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。步驟（5）:在閉環(huán)控制的條件下，觀察引入負載后Kp對輸出的影響，與開壞控制進行比較。。步驟（6）：將比例環(huán)節(jié)換成積分調(diào)節(jié)器，用于比較兩種調(diào)節(jié)方式對于負載引入的微擾的影響，說明將比例環(huán)節(jié)換成枳分壞節(jié)，使輸出更穩(wěn)定。3） 畫出本實驗自動控制系統(tǒng)的各個組成部分，并指出對應元件。答：U2

輸入電壓值的設定是通過調(diào)節(jié)電位器RP2輸入。比較器是由第一個加法器構(gòu)成。放人器是由比例放人器構(gòu)成。被控對彖是由三個運放組成的三階系統(tǒng)構(gòu)成的。輸出量是數(shù)字電壓表測量而得到的。本實驗最重要的器件是哪個？意義是什么？答：47KQ的滑動變阻器。他是本實驗中控制系統(tǒng)的控制器。其作用是：調(diào)節(jié)Kp的值，以便于觀察開壞和閉環(huán)控制時，在不同Kp的條件下，加負載時輸出電壓值。寫出系統(tǒng)傳遞函數(shù)，用穩(wěn)定判據(jù)說明可變電阻為8圈時數(shù)字表的現(xiàn)彖和原因。答：該閉壞系統(tǒng)框圖為：閉壞傳遞函數(shù)為G(s)= 閉壞傳遞函數(shù)為G(s)=(0.2s+l)(0.094s+l)(0.051s+l)+A>特征方程為(0.2s+1)(0.094s+1)(0.05Is+1)+Kp=0；即0.0009588s3+0.033794s2+0.345s+1+Kp=0;勞斯陣F0.0009588 0345s20.033794Kp1 0.0009588套心一0?345套0?0337940.0337940 1+Kp.0009588xKp-0?345><0?0337940.033794得：當-1<IQ)<12.16時，該閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定。所以當8圈時Kp二19.2,系統(tǒng)不穩(wěn)定，輸出值不斷變化。6） 比較表格中的實驗數(shù)據(jù)，說明開壞與閉壞控制效果。答：在開壞控制的條件下，加相同的阻值的負載，在不同增益妙情況下獲得相同的輸出電壓，該電壓較給定值有明顯偏差；而實現(xiàn)了閉環(huán)控制后，加相同阻值的負載，隨著增益血有限度的增犬，輸出電壓越接近給定值，但隨著血的不斷增人可能導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。7） 用表格數(shù)據(jù)說明開環(huán)增益與穩(wěn)態(tài)誤差的關系。答：從數(shù)據(jù)中可以看