控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告一

1、東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告課程名稱： 自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)名稱： 閉環(huán)電壓控制系統(tǒng) 院 （系）： 專 業(yè)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 實(shí) 驗(yàn) 室： 實(shí)驗(yàn)組別： 同組人員： 實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2010 年 10 月 日評(píng)定成績(jī)： 審閱教師： 實(shí)驗(yàn)三閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模海?）通過實(shí)例展示，認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成、功能及自動(dòng)控制原理課程所要解決的問題。（2）會(huì)正確實(shí)現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋。（3）通過開、閉環(huán)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明閉環(huán)控制效果。二、實(shí)驗(yàn)原理：（1） 利用各種實(shí)際物理裝置（如電子裝置、機(jī)械裝置、化工裝置等）在數(shù)學(xué)上的“相似性”，將各種實(shí)際物理裝置從感興趣的角度經(jīng)過簡(jiǎn)化、并抽象成相同的數(shù)學(xué)形式。我們?cè)谠O(shè)計(jì)

2、控制系統(tǒng)時(shí)，不必研究每一種實(shí)際裝置，而用幾種“等價(jià)”的數(shù)學(xué)形式來表達(dá)、研究和設(shè)計(jì)。又由于人本身的自然屬性，人對(duì)數(shù)學(xué)而言，不能直接感受它的自然物理屬性，這給我們分析和設(shè)計(jì)帶來了困難。所以，我們又用替代、模擬、仿真的形式把數(shù)學(xué)形式再變成“模擬實(shí)物”來研究。這樣，就可以“秀才不出門，遍知天下事”。實(shí)際上，在后面的課程里，不同專業(yè)的學(xué)生將面對(duì)不同的實(shí)際物理對(duì)象，而“模擬實(shí)物”的實(shí)驗(yàn)方式可以做到舉一反三，我們就是用下列“模擬實(shí)物”電路系統(tǒng)，替代各種實(shí)際物理對(duì)象。（2） 自動(dòng)控制的根本是閉環(huán)，盡管有的系統(tǒng)不能直接感受到它的閉環(huán)形式，如步進(jìn)電機(jī)控制，專家系統(tǒng)等，從大局看，還是閉環(huán)。閉環(huán)控制可以帶來想象不到的

3、好處，本實(shí)驗(yàn)就是用開環(huán)和閉環(huán)在負(fù)載擾動(dòng)下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，說明閉環(huán)控制效果。自動(dòng)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(shè)計(jì)（本課程主要用串聯(lián)調(diào)節(jié)、狀態(tài)反饋），本實(shí)驗(yàn)為了簡(jiǎn)潔，采用單閉環(huán)、比例調(diào)節(jié)器K。通過實(shí)驗(yàn)證明：不同的K，對(duì)系性能產(chǎn)生不同的影響，以說明正確設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器算法的重要性。（3） 為了使實(shí)驗(yàn)有代表性，本實(shí)驗(yàn)采用三階（高階）系統(tǒng)。這樣，當(dāng)調(diào)節(jié)器K值過大時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生典型的現(xiàn)象振蕩。本實(shí)驗(yàn)也可以認(rèn)為是一個(gè)真實(shí)的電壓控制系統(tǒng)。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備：THBDC-1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)四、實(shí)驗(yàn)線路圖：五、實(shí)驗(yàn)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100K電阻接地。將可變電阻

4、470K（必須接可變電阻上面兩個(gè)插孔）左旋到底歸零，再右旋1圈。經(jīng)仔細(xì)檢查后上電。打開15伏的直流電源開關(guān)，彈起“不鎖零”紅色按鍵。（2） 按下“階躍按鍵”鍵，調(diào)“負(fù)輸出”端電位器RP2，使“交/直流數(shù)字電壓表”的電壓為2.00V。如果調(diào)不到，則對(duì)開環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行逐級(jí)檢查，找出原因。（3） 先按表格調(diào)好可變電阻47K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1K的擾動(dòng)負(fù)載，2圈、4圈、8圈依次檢測(cè)，填表（4） 正確判斷并實(shí)現(xiàn)反饋！（課堂提問）再閉環(huán)，即反饋端電阻100K接系統(tǒng)輸出。（5） 先按表格調(diào)好可變電阻47K的圈數(shù)，再調(diào)給定電位器RP2，在確?？蛰d輸出為2.00

5、V的前提下，再加上1K的擾動(dòng)負(fù)載，2圈、4圈、8圈依次檢測(cè)，填表要注意在可變電阻為8圈時(shí)數(shù)字表的現(xiàn)象。并用理論證明。（6） 將比例環(huán)節(jié)換成積分調(diào)節(jié)器：即第二運(yùn)放的10K改為100K；47K可變電阻改為10F電容，調(diào)電位器RP2，確?？蛰d輸出為2.00V時(shí)再加載，測(cè)輸出電壓值。表格：開環(huán)空載加1K負(fù)載可調(diào)電阻開環(huán)增益1圈（Kp=2.4）2圈（Kp=4.8）4圈（Kp=9.6）8圈（Kp=19.2）輸出電壓2.00V0.991.001.001.00閉環(huán)加1K負(fù)載可調(diào)電阻開環(huán)增益1圈（Kp=2.4）2圈（Kp=4.8）4圈（Kp=9.6）8圈（Kp=19.2）輸出電壓2.00V1.641.821.9

6、2振蕩穩(wěn)態(tài)誤差18%9%4%六、報(bào)告要求：（1） 用文字?jǐn)⒄f正確實(shí)現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋的方法。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出(被控制量)會(huì)反送回來影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反，則稱為負(fù)反饋，若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。通常根據(jù)輸入量與輸出量的變化量的正負(fù)進(jìn)行加或減的比較。（2） 說明實(shí)驗(yàn)步驟（1）至（6）的意義。步驟（1）中將比較器端100K電阻接地，是為了實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制。電位器左旋到底，再右旋一圈，是為了調(diào)節(jié)第二個(gè)比例放大器的放大倍數(shù)。步驟（2）中給開環(huán)系統(tǒng)一個(gè)輸入信號(hào)。步驟

7、（3）是在開環(huán)控制的條件下，測(cè)量空載輸出為2V時(shí)，加負(fù)載時(shí)的電壓輸出值。與閉環(huán)控制條件下的測(cè)量值進(jìn)行比較，說明開環(huán)與閉環(huán)控制的差異。同時(shí)也為了說明在開環(huán)控制的條件下，Kp變化對(duì)輸出量沒有影響。步驟（4）創(chuàng)造出閉環(huán)控制。步驟（5）是在閉環(huán)控制的條件下，測(cè)量空載輸出為2V時(shí)，加負(fù)載時(shí)的電壓輸出值，與開環(huán)控制進(jìn)行比較。同時(shí)也為了說明在閉環(huán)控制的條件下，Kp變化對(duì)輸出量的影響步驟（6）是為了說明將第二個(gè)比例環(huán)節(jié)換成積分環(huán)節(jié)，使輸出更穩(wěn)定。（3） 畫出本實(shí)驗(yàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的各個(gè)組成部分，并指出對(duì)應(yīng)元件。 比較器U1U2放大器被控對(duì)象 輸入 比較器 調(diào)節(jié)器對(duì)象（4） 你認(rèn)為本實(shí)驗(yàn)最重要的器件是哪個(gè)？意義是什

8、么？47K的滑動(dòng)變阻器。它是控制整個(gè)系統(tǒng)變量的器件。通過對(duì)它的不同取值調(diào)節(jié)不同Kp的值，以便于觀察開環(huán)和閉環(huán)控制時(shí)，在不同Kp的條件下，加負(fù)載時(shí)輸出電壓值。（5） 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(shí)數(shù)字表的現(xiàn)象和原因。G（s）= -kp(9.588*10-4)s3+0.03784s2+0.3455s+1+kp特征方程為：(9.588*10-4)s3+0.03784s2+0.3455s+1+kp根據(jù)勞斯判別s3 9.588*10-4 0.345s2 0.03784 1+K s1 0.0317s0 1+K所以當(dāng)-1K11.16時(shí)系統(tǒng)才穩(wěn)定當(dāng)K=19.6時(shí)顯然超過范圍，系統(tǒng)部穩(wěn)定，輸出

9、電壓出現(xiàn)振蕩（6） 比較表格中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，說明開環(huán)與閉環(huán)控制效果。在開環(huán)情況下，每次測(cè)得的數(shù)據(jù)基本相同，原因是開環(huán)系統(tǒng)無法保證系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定，導(dǎo)致加相同的阻值的負(fù)載，在不同增益KP情況下獲得相同的輸出電壓。而在閉環(huán)情況下，加相同阻值的負(fù)載，隨著增益KP有限度的增大，輸出電壓越接近空載時(shí)輸出電壓，因?yàn)殚]環(huán)的時(shí)候利用了輸出的電壓進(jìn)行反饋從而對(duì)輸出做出了相應(yīng)的調(diào)整，保證了在有擾動(dòng)的情況下，輸出的值也接近于2V。（7） 用表格數(shù)據(jù)說明開環(huán)增益與穩(wěn)態(tài)誤差的關(guān)系。從表格數(shù)據(jù)中可以看出開環(huán)增益越大，穩(wěn)態(tài)誤差越小，但是也可以看出當(dāng)開環(huán)增益過大時(shí)也會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)。七、預(yù)習(xí)與回答：（1） 在實(shí)際控制系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，如何正確實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋閉環(huán)？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(hào)比較（相減），根據(jù)所得的偏差信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)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(rèn)為表格中加1K載后，開環(huán)的電壓值與閉環(huán)的電壓值，哪個(gè)更接近2V？由于閉環(huán)更加能保證輸出的穩(wěn)定，所以加上1K載后，還是閉環(huán)的電壓值更加接近2