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学号姓名时间 2014年10月21日评定成绩审阅教师实验三闭环电压控制系统研究一、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、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，不是单纯的加减问题，它是通过增量法实现的，具体如下：1.系统开环；2.输入一个增或减的变化量；3.相应的，反馈变化量会有增减；4.若增大，也增大，则需用减法器；5.若增大，减小，则需用加法器，即。

（2）你认为表格中加1KΩ载后，开环的电压值与闭环的电压值，哪个更接近2V？答：闭环更接近。

因为在开环系统下出现扰动时，系统前部分不会产生变化。

故而系统不具有调节能力，对扰动的反应很大，也就会与2V相去甚远。

但在闭环系统下出现扰动时，由于有反馈的存在，扰动产生的影响会被反馈到输入端，系统就从输入部分产生了调整，经过调整后的电压值会与2V相差更小些。

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：应当是系统的整体框架及误差调节部分。

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。

二、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，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。

三、实验设备：THBDC-1实验平台四、实验线路图：五、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，即比较器一端的反馈电阻100KΩ接地。

将可变电阻47KΩ（必须接可变电阻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。

经仔细检查后上电。

打开15伏的直流电源开关，必须弹起“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，找出故障原因，并记下。

（3）先按表格先调好可变电阻47KΩ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1KΩ的扰动负载。

分别右旋调2圈、4圈、8圈后依次测试，填表。

注意：加1 KΩ负载前必须保证此时的电压是2.00V。

（4）正确判断并实现反馈！（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1KΩ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：即第二运放的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。

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 1.00 1.00 1.00 1.00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 1.54 1.72 1.85振荡稳态误差e0.87 1.320.710.38A-2.86-2.90-2.42-2.20计算稳态误差e— 1.310.720.38计算值及测量值之间的误差—-0.75%-1.37%-2.56%表格中，计算稳态误差e的公式为：可见，计算出的稳态误差值e与测量出的e值误差较小，属于正常情况。

（6）输出电压值 U = 1.98V。

六、报告要求：（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：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：步骤（1）中将比较器端100KΩ电阻接地，是为了实现开环控制。

电位器左旋到底，再右旋一圈，是为了调节第二个比例放大器的放大倍数。

步骤（3）是在开环控制的条件下，测量空载输出为2V时，加负载时的电压输出值。

与闭环控制条件下的测量值进行比较，说明开环与闭环控制的差异。

同时也为了说明在开环控制的条件下，Kp变化对输出量没有影响。

步骤（5）是在闭环控制的条件下，测量空载输出为2V时，加负载时的电压输出值，与开环控制进行比较。

同时也为了说明在闭环控制的条件下，Kp变化对输出量的影响步骤（6）是为了说明将第二个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。

被控对象：调节环节：当换成积分调节器时，调节环节是10μF的电容。

扰动：扰动是负载R L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（4）你认为本实验最重要的器件是哪个？意义是什么？答：最重要的是比例调节的器件。

在前两个实验中，开环和闭环下的调节部分都是47K 的可变电阻，因此在前两个实验中，47K 可变电阻是实验中最重要的器件。

在第三个实验中，调节环节变成了积分调节器，因此10μF 的电容是最重要的器件。

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。

（5） 写出系统传递函数，用劳斯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：212()11R R KG s R Cs Ts =-=-++所以，每一个模块的传递函数如下： 比例环节：1()G s K=-惯性环节：22()0.21G s s =-+31()0.0941G s s =-+ 4 2.55()0.0511G s s =-+反馈环节：()1H s = 所以，系统的传递函数：12341234()()()()()1()()()()()G s G s G s G s G s H s G s G s G s G s =+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：325.1()0.00095880.0337940.3451 5.1KG s s s s k=++++根据劳斯判据，S3 0.0009588 0.345 S2 0.033794 1+5.1K S1 0.345-0.0283719（1+5.1K ） S0 0.345如果系统稳定，那么第一列都是正数，因此，求出K 的范围：2.19K <所以，求出R2的取值范围：222R K <Ω5.15.1 2.1911.17p p K KK =<⨯=满足以上条件时，系统才能够稳定。

当旋转8圈时，pK 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 2.00 V 1.55V 1.69 V 1.82 V 振荡稳态误差—1.32 V0.73 V0.39 V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：由此可见，对于0型系统，在A 为定制的情况下，开环增益越大，阶跃输入作用下的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 型以上的系统。

但是，对于系统本身来讲，开环增益过高，可能导致系统内部的不稳定，比如运放饱和等，在系统内部已经不稳定，闭环反馈也无法达到稳定。