2016年東南大學(xué)自控實驗報告_實驗三閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)設(shè)計研究

1、 .wd.東南大學(xué)?自動控制原理?實驗報告實驗名稱：實驗三閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)研究院系：專業(yè)：姓名：學(xué)號：實驗室： 416 實驗組別：同組人員：實驗時間：2015年 11月 24日評定成績：審閱教師：實驗三閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)研究一、實驗?zāi)康模?通過實例展示，認(rèn)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)閉環(huán)負(fù)反響。3通過開、閉環(huán)實驗數(shù)據(jù)說明閉環(huán)控制效果。二、實驗原理：（1） 利用各種實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，將各種實際物理裝置從感興趣的角度經(jīng)過簡化、并抽象成一樣的數(shù)學(xué)形式。我們在設(shè)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

2、數(shù)學(xué)形式來表達(dá)、研究和設(shè)計。又由于人本身的自然屬性，人對數(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“模擬實物來研究。這樣，就可以“秀才不出門，遍知天下事。實際上，在后面的課程里，不同專業(yè)的學(xué)生將面對不同的實際物理對象，而“模擬實物的實驗方式可以做到舉一反三，我們就是用以下“模擬實物電路系統(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好處，本實驗就是用開環(huán)和閉環(huán)在負(fù)載擾動下的實驗數(shù)據(jù)，說明閉環(huán)控

3、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)器的構(gòu)造和算法的設(shè)計本課程主要用串聯(lián)調(diào)節(jié)、狀態(tài)反響，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(shè)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(dāng)調(diào)節(jié)器K值過大時，控制系統(tǒng)會產(chǎn)生典型的現(xiàn)象振蕩。本實驗也可以認(rèn)為是一個真實的電壓控制系統(tǒng)。三、實驗設(shè)備：THBDC-1實驗平臺四、實驗線路圖：五、實驗步驟：（1） 如圖接線，建議使用運(yùn)算放大器U8、U10、U9、U11、U13。先開環(huán)，即比擬器一端的反響電阻100K接地。將可變電阻47K必須接可變電阻47K上

4、面兩個插孔左旋到底時，電阻值為零。再右旋1圈，阻值為4.7K。經(jīng)仔細(xì)檢查后上電。翻開15伏的直流電源開關(guān)，必須彈起“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，那么對開環(huán)系統(tǒng)進(jìn)展逐級檢查，找出故障原因，并記下。（3） 先按表格先調(diào)好可變電阻47K的規(guī)定圈數(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的擾動負(fù)載。分別右旋調(diào)2圈、4圈、8圈后依次測試，填表。注意：加1 K負(fù)載前必須保證此時的電壓是2.00V。（4） 正確判斷并實現(xiàn)反響！課堂提問再閉環(huán)，即反響端電阻100K接系統(tǒng)輸出。（5） 先按

5、表風(fēng)格好可變電阻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的擾動負(fù)載，分別右旋調(diào)2圈、4圈、8圈依次測試，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時再加載，測輸出電壓值。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=2.42圈Kp=4.84圈Kp=9.68圈Kp=19.2輸出電壓2.00V1.05V1.04V1.04V1.04V閉環(huán)加1K負(fù)載可調(diào)電阻開環(huán)增益1圈Kp=2.42圈Kp=4.84圈Kp=9

6、.68圈Kp=19.2輸出電壓2.00V1.54V1.69V1.83V振蕩穩(wěn)態(tài)誤差e1.30V0.71V0.37V振蕩穩(wěn)態(tài)誤差計算值E1.30V0.71V0.38V振蕩六、報告要求：（1） 用文字?jǐn)⒄f正確實現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反響的方法。答：閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反響和負(fù)反響，假設(shè)反響信號與系統(tǒng)給定值信號相反，那么稱為負(fù)反響。實現(xiàn)的方法是：將信號的正向通道與反響通路構(gòu)成閉合回路，如果輸入信號增加，測量反響信號，假設(shè)增加，就將輸入信號與反響信號構(gòu)成減法電路實現(xiàn)。反之構(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：接線，首先是按照設(shè)計好的系統(tǒng)圖將各個原件連接成模塊，然后將各個模塊連接起來。第一步連接之后

7、，將線路接成開環(huán)形式，即第一個環(huán)節(jié)的比擬器接反響的100K電阻接地，為下一步的開環(huán)實驗作出準(zhǔn)備。在第一步接線中，接入的是可變電阻470K是用來調(diào)整開環(huán)增益的，為后面步驟中測量不同增益下穩(wěn)態(tài)誤差的變化。翻開15伏的直流電源開關(guān)，用于系統(tǒng)供電。彈起“不鎖零紅色按鍵，這是因為實驗中需要使用電容，“鎖零使得電容不起作用，因此應(yīng)該放到“不鎖零上。步驟2：按下“階躍按鍵鍵，這一動作是給系統(tǒng)一個階躍輸入，本實驗主要考察電壓控制，即系統(tǒng)在直流階躍輸入作用下的輸出。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，這是作為系統(tǒng)的空載輸出。當(dāng)無法調(diào)節(jié)到2.00V時，應(yīng)仔細(xì)檢查系統(tǒng)連接。主要可能出

8、錯的原因大致如下：運(yùn)放前后的電阻阻值接入錯誤，使得前級輸出電壓放大倍數(shù)過高，直接導(dǎo)致后面環(huán)節(jié)運(yùn)放飽和。接入的電容出現(xiàn)錯誤，或者是電容損壞，導(dǎo)致電路沒有放大能力。除此，還有可能是元器件本身就已經(jīng)被損壞。步驟3：按表風(fēng)格好可變電阻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的擾動負(fù)載，2圈、4圈、8圈依次檢測，這一步主要是測量開環(huán)狀態(tài)下，添加負(fù)載擾動前后的輸出變化，觀察系統(tǒng)對擾動的調(diào)整情況。從測量數(shù)據(jù)看，輸出電壓隨擾動變化很大，一個好的系統(tǒng)應(yīng)該具有良好的擾動能力，即在擾動情況下的輸出變化很小，理想的系統(tǒng)在擾動下輸出不發(fā)生變化，通過這一步驟，也能說明開環(huán)系統(tǒng)不是

9、一個好的系統(tǒng)。步驟4：將系統(tǒng)改接成為閉環(huán)反響系統(tǒng)，在閉環(huán)反響的情況下，進(jìn)展后面的實驗，觀察閉環(huán)反響調(diào)節(jié)起到的作用。步驟5：按表風(fēng)格好可變電阻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的擾動負(fù)載，2圈、4圈、8圈依次檢測，通過以上調(diào)整和測量，驗證了在閉環(huán)反響的作用下，系統(tǒng)的抗擾動能力變強(qiáng)。步驟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時再加載，測輸出電壓值。這一步是實驗觀察積分調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)性能，可以通過實驗驗證積分調(diào)節(jié)器的性能明顯比比例調(diào)節(jié)器好，輸出更加穩(wěn)定。（3）

10、畫出本實驗自動控制系統(tǒng)的各個組成局部，并指出對應(yīng)元件。被控對象：調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)：當(dāng)換成積分調(diào)節(jié)器時，調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)是10F的電容。擾動：擾動是負(fù)載RL反響：由于本系統(tǒng)中全部是電信號，因此沒有用到傳感器，反響是一根導(dǎo)線設(shè)定電壓：（4） 你認(rèn)為本實驗最重要的器件是哪個？意義是什么？我認(rèn)為最重要的器件是調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。在前面兩個小實驗中，開環(huán)和閉環(huán)下的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)都是47K的可變電阻，因此，在前兩個小實驗中47K可變電阻是實驗中最重要的器件。在第三個小實驗中，調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)變成了積分調(diào)節(jié)器，因此10F的電容式實驗中最重要的器件。調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)在系統(tǒng)中起到了調(diào)節(jié)增益的作用，通過調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的作用，系統(tǒng)的放大倍數(shù)在改變。調(diào)節(jié)器本身就是控制系

11、統(tǒng)的一個非常重要的環(huán)節(jié)，如果沒有調(diào)節(jié)器，只有反響環(huán)節(jié)，系統(tǒng)將無法到達(dá)控制調(diào)節(jié)的目的，系統(tǒng)在反響之后主要依賴于調(diào)節(jié)器對變化量的調(diào)節(jié)，到達(dá)穩(wěn)定輸出的目的，因此調(diào)節(jié)器這局部是最重要的。而且，調(diào)節(jié)器也是控制的主要表達(dá)方面（5） 寫出系統(tǒng)傳遞函數(shù)，用勞斯判據(jù)說明可變電阻為8圈時數(shù)字表的現(xiàn)象和原因。首先，對于慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)的表達(dá)式是：所以，每一個模塊的傳遞函數(shù)如下：比例環(huán)節(jié)：慣性環(huán)節(jié)：反響環(huán)節(jié)：所以，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：將上面的各個模塊的傳遞函數(shù)代入，化簡后得到下面的系統(tǒng)傳遞函數(shù)：根據(jù)勞斯判據(jù)，S3 0.0009588 0.345S2 0.033794 1+5.1KS1 0.345-0.02837191+

12、5.1KS0 0.345如果系統(tǒng)穩(wěn)定，那么第一列都是正數(shù)，因此，求出K的范圍：所以，求出R2的取值范圍：滿足以上條件時，系統(tǒng)才能夠穩(wěn)定。當(dāng)旋轉(zhuǎn)8圈時，的值超過的穩(wěn)定的范圍，因此系統(tǒng)的傳遞函數(shù)出現(xiàn)了虛軸右半邊的極點(diǎn)，因此系統(tǒng)不穩(wěn)定，但由于運(yùn)放有飽和電壓，因此，輸出并不會趨于無窮大，而是在一定的范圍內(nèi)振蕩。（6） 比擬表格中的實驗數(shù)據(jù)，說明開環(huán)與閉環(huán)控制效果。答：開環(huán)控制下，由于不對擾動進(jìn)展調(diào)整，因此控制效果很差，僅僅靠運(yùn)放穩(wěn)壓調(diào)節(jié)是不能夠到達(dá)穩(wěn)定輸出的目的，因此，在空載和負(fù)載下輸出值有很大的變化。閉環(huán)控制下，系統(tǒng)通過反響，能夠?qū)_動帶來的變化量減小甚至理想情況下消除，到達(dá)穩(wěn)定輸出的目的。通過實驗

13、數(shù)據(jù)，可以看出在閉環(huán)反響情況下系統(tǒng)輸出有了明顯改善，尤其是在積分調(diào)節(jié)器的作用下，系統(tǒng)輸出穩(wěn)定性很高。但閉環(huán)控制也有缺陷，就是開環(huán)增益受到限制，開環(huán)增益不能夠無限大，當(dāng)開環(huán)增益超過一定的限度時，就會產(chǎn)生振蕩。（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。驗正誤差公式。根據(jù)表格數(shù)據(jù)：輸出電壓2.00V1.30V0.71V0.37V振蕩穩(wěn)態(tài)誤差1.30V0.71V0.38V振蕩我們可以分析，得到如下結(jié)論：開環(huán)增益越大，穩(wěn)態(tài)誤差越小，但開環(huán)增益到達(dá)一定大小后，系統(tǒng)就會產(chǎn)生振蕩。從理論上分析，對于本實驗的系統(tǒng)， 0型系統(tǒng)，階躍信號作用下的系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和開環(huán)增益的關(guān)系如下：由此可見，對于0型系統(tǒng)，在A

14、為定制的情況下，開環(huán)增益越大，階躍輸入作用下的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差就越小。如果要求系統(tǒng)對于階躍輸入作用穩(wěn)態(tài)誤差為零，那么就要選用I型以及I型以上的系統(tǒng)。但是，對于系統(tǒng)本身來講，開環(huán)增益過高，可能導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部的不穩(wěn)定，比方運(yùn)放飽和等，在系統(tǒng)內(nèi)部已經(jīng)不穩(wěn)定，閉環(huán)反響也無法到達(dá)穩(wěn)定。七、預(yù)習(xí)與答復(fù)：（1） 在實際控制系統(tǒng)調(diào)試時，如何正確實現(xiàn)負(fù)反響閉環(huán)？答：負(fù)反響閉環(huán)，就是要求輸入和反響的誤差相抵的情況，并非單純的加減問題。因此，實現(xiàn)負(fù)反響，我們需要逐步考察系統(tǒng)在輸入端和反響端的變化情況，根據(jù)變化量決定是相加還是相減。（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，哪個更接近2V？答：閉環(huán)電壓值應(yīng)當(dāng)更接近2V。在本實驗中的系統(tǒng)，開環(huán)下，當(dāng)出現(xiàn)擾動時，系統(tǒng)前局部是不會產(chǎn)生變化，即擾動的影響很大局部是加載在后面局部，因此，系統(tǒng)不具有調(diào)節(jié)能力，對擾動的反響很大，因此，會偏離空載時的2V很多。閉環(huán)下，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動，由于反響，擾動