东南大学自控实验报告实验三闭环电压控制新版系统研究应用.docx

东南大学

《自动控制原理》
试验汇报

试验名称： 试验三　闭环电压控制系统研究
院 （系）： 专 业：
姓 名： 学 号：
实 验 室： 416 试验组别：
同组人员： 试验时间： 年 11月 24日
评定成绩： 审阅老师：

试验三　闭环电压控制系统研究
一、试验目标：
（1）经过实例展示，认识自动控制系统组成、功效及自动控制原理课程所要处理问题。
（2）会正确实现闭环负反馈。
（3）经过开、闭环试验数听说明闭环控制效果。

二、试验原理：
（1） 利用多种实际物理装置（如电子装置、机械装置、化工装置等）在数学上“相同性”，将多种实际物理装置从感爱好角度经过简化、并抽象成相同数学形式。我们在设计控制系统时，无须研究每一个实际装置，而用多个“等价”数学形式来表示、研究和设计。又因为人本身自然属性，人对数学而言，不能直接感受它自然物理属性，这给我们分析和设计带来了困难。所以，我们又用替换、模拟、仿真形式把数学形式再变成“模拟实物”来研究。这么，就能够“秀才不出门，遍知天下事”。实际上，在后面课程里，不一样专业学生将面对不一样实际物理对象，而“模拟实物”试验方法能够做到举一反三，我们就是用下列“模拟实物”——电路系统，替换多种实际物理对象。
（2） 自动控制根本是闭环，尽管有系统不能直接感受到它闭环形式，如步进电机控制，教授系统等，从大局看，还是闭环。闭环控制能够带来想象不到好处，本试验就是用开环和闭环在负载扰动下试验数据，说明闭环控制效果。自动控制系统性能优劣，其原因之一就是取决调整器结构和算法设计（本课程关键用串联调整、状态反馈），本试验为了简练，采取单闭环、百分比调整器K。经过试验证实：不一样K，对系性能产生不一样影响，以说明正确设计调整器算法关键性。
（3） 为了使试验有代表性，本试验采取三阶（高阶）系统。这么，当调整器K值过大时，控制系统会产生经典现象——振荡。本试验也能够认为是一个真实电压控制系统。
三、试验设备：
THBDC-1试验平台
四、试验线路图：

五、试验步骤：
（1） 图接线，提议使用运算放大器U8、U10、U9、U11、U13。先开环，即比较器一端反馈电阻100KΩ接地。将可变电阻47KΩ（必需接可变电阻47K上面两个插孔）左旋到底时，电阻值为零。再右旋1圈，阻值为4.7KΩ。经仔细检验后上电。打开15伏直流电源开关，必需弹起“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”电压为2.00V。假如调不到，则对开环系统进行逐层检验，找出故障原因，并记下。
（3） 先按表格先调好可变电阻47KΩ要求圈数，再调给定电位器RP2，在确保空载输出为2.00V前提下，再加上1KΩ扰动负载。分别右旋调2圈、4圈、8圈后依次测试，填表。注意：加1 KΩ负载前必需确保此时电压是2.00V。
（4） 正确判定并实现反馈！（课堂提问）再闭环，即反馈端电阻100KΩ接系统输出。
（5） 先按表格调好可变电阻47KΩ圈数，再调给定电位器RP2，在确保空载输出为2.00V前提下，再加上1KΩ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圈时数字表现象。并用理论证实。
（6） 将百分比步骤换成积分调整器：即第二运放10KΩ改为100KΩ；47KΩ可变电阻改为10μF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。
表格：
开环
空载
加1KΩ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
2.00V
1.05V
1.04V
1.04V
1.04V
闭环

加1KΩ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
2.00V
1.54V
1.69V
1.83V
振荡
稳态误差e

1.30V
0.71V
0.37V
振荡
稳态误差计算值E

1.30V
0.71V
0.38V
振荡

六、汇报要求：
（1） 用文字叙说正确实现闭环负反馈方法。
答：闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号和系统给定值信号相反，则称为负反馈。实现方法是：将信号正向通道和反馈通路组成闭合回路，假如输入信号增加，测量反馈信号，若增加，就将输入信号和反馈信号组成减法电路实现。反之组成加法电路实现。
（2） 说明试验步骤（1）至（6）意义。
步骤（1）：接线，首先是根据设计好系统图将各个原件连接成模块，然后将各个模块连接起来。第一步连接以后，将线路接成开环形式，即第一个步骤比较器接反馈100KΩ电阻接地，为下一步开环试验作出准备。在第一步接线中，接入是可变电阻470KΩ是用来调整开环增益，为后面步骤中测量不一样增益下稳态误差改变。打开15伏直流电源开关，用于系统供电。弹起“不锁零”红色按键，这是因为试验中需要使用电容，“锁零”使得电容不起作用，所以应该放到“不锁零”上。 
步骤（2）：按下“阶跃按键”键，这一动作是给系统一个阶跃输入，本试验关键考察电压控制，即系统在直流阶跃输入作用下输出。调“负输出”端电位器RP2，使“交/直流数字电压表”电压为2.00V，这是作为系统空载输出。
当无法调整到2.00V时，应仔细检验系统连接。关键可能犯错原因大致以下：运放前后电阻阻值接入错误，使得前级输出电压放大倍数过高，直接造成后面步骤运放饱和。接入电容出现错误，或是电容损坏，造成电路没有放大能力。除此，还有可能是元器件本身就已经被损坏。 
步骤（3）：按表格调好可变电阻47KΩ圈数，再调给定电位器RP2，在确保空载输出为2.00V前提下，再加上1KΩ扰动负载，2圈、4圈、8圈依次检测，这一步关键是测量开环状态下，添加负载扰动前后输出改变，观察系统对扰动调整情况。从测量数据看，输出电压随扰动改变很大，一个好系统应该含有良好扰动能力，即在扰动情况下输出改变很小，理想系统在扰动下输出不发生改变，经过这一步骤，也能说明开环系统不是一个好系统。 
步骤（4）：将系统改接成为闭环反馈系统，在闭环反馈情况下，进行后面试验，观察闭环反馈调整起到作用。
步骤（5）：按表格调好可变电阻47KΩ圈数，再调给定电位器RP2，在确保空载输出为2.00V前提下，再加上1KΩ扰动负载，2圈、4圈、8圈依次检测，经过以上调整和测量，验证了在闭环反馈作用下，系统抗扰动能力变强。 
步骤（6）：将百分比步骤换成积分调整器：即第二运放10KΩ改为100KΩ；47KΩ可变电阻改为10μF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。这一步是试验观察积分调整器调整性能，能够经过试验验证积分调整器性能显著比百分比调整器好，输出愈加稳定。
（3） 画出本试验自动控制系统各个组成部分，并指出对应元件。

被控对象：

调整步骤：（当换成积分调整器时，调整步骤是10μF电容。）

扰动：扰动是负载RL

反馈：因为本系统中全部是电信号，所以没有用到传感器，反馈是一根导线

设定电压：

（4） 你认为本试验最关键器件是哪个？意义是什么？
我认为最关键器件是调整步骤。
在前面两个小试验中，开环和闭环下调整步骤全部是47K可变电阻，所以，在前两个小试验中47K可变电阻是试验中最关键器件。在第三个小试验中，调整步骤变成了积分调整器，所以10μF电容式试验中最关键器件。
调整步骤在系统中起到了调整增益作用，经过调整步骤作用，系统放大倍数在改变。调整器本身就是控制系统一个很关键步骤，假如没有调整器，只有反馈步骤，系统将无法达成控制调整目标，系统在反馈以后关键依靠于调整器对改变量调整，达成稳定输出目标，所以调整器这部分是最关键。而且，调整器也是控制关键表现方面
（5） 写出系统传输函数，用劳斯判听说明可变电阻为8圈时数字表现象和原因。
首先，对于惯性步骤，传输函数表示式是：

所以，每一个模块传输函数以下：
百分比步骤：
惯性步骤：

反馈步骤：
所以，系统传输函数：

将上面各个模块传输函数代入，化简后得到下面系统传输函数：

依据劳斯判据，
S3 0.0009588 0.345
S2 0.033794 1+5.1K
S1 0.345-0.0283719（1+5.1K）
S0 0.345
假如系统稳定，那么第一列全部是正数，所以，求出K范围：

所以，求出R2取值范围：

满足以上条件时，系统才能够稳定。
当旋转8圈时，值超出稳定范围，所以系统传输函数出现了虚轴右半边极点，所以系统不稳定，但因为运放有饱和电压，所以，输出并不会趋于无穷大，而是在一定范围内振荡。
（6） 比较表格中试验数据，说明开环和闭环控制效果。
答：开环控制下，因为不对扰动进行调整，所以控制效果很差，仅仅靠运放稳压调整是不能够达成稳定输出目标，所以，在空载和负载下输出值有很大改变。
闭环控制下，系统经过反馈，能够将扰动带来改变量减小甚至理想情况下消除，达成稳定输出目标。经过试验数据，能够看出在闭环反馈情况下系统输出有了显著改善，尤其是在积分调整器作用下，系统输出稳定性很高。但闭环控制也有缺点，就是开环增益受到限制，开环增益不能够无限大，当开环增益超出一定程度时，就会产生振荡。
（7） 用表格数听说明开环增益和稳态误差关系。验正误差公式。
依据表格数据：
输出电压
2.00V
1.30V
0.71V
0.37V
振荡
稳态误差

1.30V
0.71V
0.38V
振荡
我们能够分析，得到以下结论：
开环增益越大，稳态误差越小，但开环增益达成一定大小后，系统就会产生振荡。
从理论上分析，对于本试验系统， 0型系统，阶跃信号作用下系统稳态误差和开环增益关系以下：

由此可见，对于0型系统，在A为定制情况下，开环增益越大，阶跃输入作用下系统稳态误差就越小。假如要求系统对于阶跃输入作用稳态误差为零，那么就要选择I型和I型以上系统。不过，对于系统本身来讲，开环增益过高，可能造成系统内部不稳定，比如运放饱和等，在系统内部已经不稳定，闭环反馈也无法达成稳定。

七、预习和回复：
（1） 在实际控制系统调试时，怎样正确实现负反馈闭环？

答：负反馈闭环，就是要求输入和反馈误差相抵情况，并非单纯加减问题。所以，实现负反馈，我们需要逐步考察系统在输入端和反馈端改变情况，依据改变量决定是相加还是相减。
（2） 你认为表格中加1KΩ载后，开环电压值和闭环电压值，哪个更靠近2V？

答：闭环电压值应该更靠近2V。在本试验中系统，开环下，当出现扰动时，系统前部分是不会产生改变，即扰动影响很大部分是加载在后面部分，所以，系统不含有调整能力，对扰动反应很大，所以，会偏离空载时2V很多。闭环下，当系统出现扰动，因为反馈，扰动产生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，在调整下系统偏离程度会减小，所以，闭环电压值更靠近2V。
（3） 学自动控制原理课程，在控制系统设计中关键设计哪一部份？

答：控制系统中，我认为关键设计调整步骤，和系统整体计划。对于一个系统，功效部分是“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，所以可由传感器专业设计，而自控原理关注是系统整体稳定性，所以，控制系统设计中心就要集中在整个系统协调和误差调整步骤。