东南大学能源与环境学院实验报告课程名称：自动控制基础实验名称：闭环电压控制系统研究院（系）：能源与环境学院专业：热能与动力工程姓名：周兴学号：03011127实验室：418 实验组别：XX同组人员：张亚丽实验时间：2013年10月30 日评定成绩：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．实验线路图 (4)五．实验步骤 (4)六．报告要求 (5)七．实验结果与分析 (5)八．思考与回答 (11)九．实验总结 (17)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）学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1. THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验平台；2. PC机一台(含上位机软件)、数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、采接卡接口线。

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、化工装置等）数学上的“相似性”，将各种实际物理装置经过简化、并抽象成数学形式。

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，人对纯数学而言，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、仿真的形式把纯数学形式再变成“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装置，而“模拟实物”的实验方式可以举一反三，我们就是用下列“模拟实物”——电路，也有实际物理装置——电机，替代各种实际物理装置。

（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，两个演示实例说明这一点。

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（本课程主要用串联校正、极点配置），本实验为了简洁，采用单闭环、比例算法K。

通过实验证明：不同的统K，对系性能产生不同的影响。

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。

本实验可以认为是真实的电压控制系统。

四．实验线路图五．实验步骤（1）如图接线，将线路接成开环形式，即比较器端100KΩ电阻接地。

将调节器47KΩ电位器（接上面两个孔）左旋到底归零，再右旋1圈。

经仔细检查后上电。

（2）调电位器输入RP2，用实验仪上的数字电压表检测，确保输出电压为2V。

注意：极性开关向下，阶跃按键取按下状态。

（3）按开环表格改变47KΩ圈数，并每次要调输入电位器RP2，在确保空载2V的条件下，再加上1KΩ的电阻扰动负载，测此不同Kp时带负载电压表读数，填表。

（4）正确判断并实现反馈！（课堂选择性提问）再闭环，即加法跳线接输出点，要调给定输入电位器RP2，使空载输出电压为2V。

（5）按闭环表格改变47KΩ圈数，并每次要调电位器RP2，在确保空载2V的条件下，加上1KΩ的电阻扰动负载，测此各次电压表读数，填表。

要注意8圈时数字表的现象。

并用理论证明。

（6）将第二个比例环节换成积分：取R=100K；C=10μF，在2V时加载，测输出电压值。

表格:六．报告要求（1）用文字叙说正确实现闭环负反馈的方法。

（2）说明实验步骤（1）至（6）的意义。

（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。

（4）本实验最重要的器件是哪个？意义是什么？（5）用稳定判据说明实验步骤（6）电压表读数的原因。

（6）比较表格中的实验数据，说明开环与闭环控制效果。

（7）用表格数据说明开环增益与稳态误差的关系。

七．实验结果与分析比例环节换成积分调节器：即第二运放的10K改为100K；47K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U = 1.99V。

（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：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100KΩ电阻接地，为下一步的开环实验作出准备。

在第一步接线中，接入的是可变电阻470KΩ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。

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，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，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。

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扰动能力，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，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。

设定电压：（4）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10μF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） 用稳定判据说明实验步骤（6）电压表读数的原因。

答：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，S 3 0.0009588 0.345 S 2 0.033794 1+5.1K S 1 0.345-0.0283719（1+5.1K ） S 0 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R 2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，Kp 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。

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：1ss Ae K=+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。