自動控制原理實驗

1、自動控制原理實驗實驗報告實驗三閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)研究學號姓名時間 2014年 10月 21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、實驗目的：（ 1）通過實例展示，認識自動控制系統(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)負反饋。（ 3）通過開、閉環(huán)實驗數(shù)據(jù)說明閉環(huán)控制效果。二、預習與回答：（ 1）在實際控制系統(tǒng)調試時，如何正確實現(xiàn)負反饋閉環(huán)？答： 負反饋閉環(huán)，不是單純的加減問題，它是通過增量法實現(xiàn)的，具體如下：1. 系統(tǒng)開環(huán)；2. 輸入一個增或減的變化量；3. 相應的，反饋變化量會有增減；4.若增大，也增大，則需用減法器；5. 若增大，減小，則需用加法器，即。（

2、 2）你認為表格中加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)更接近。因為在開環(huán)系統(tǒng)下出現(xiàn)擾動時，系統(tǒng)前部分不會產生變化。故而系統(tǒng)不具有調節(jié)能力，對擾動的反應很大，也就會與2V相去甚遠。但在閉環(huán)系統(tǒng)下出現(xiàn)擾動時，由于有反饋的存在，擾動產生的影響會被反饋到輸入端，系統(tǒng)就從輸入部分產生了調整，經過調整后的電壓值會與2V 相差更小些。因此，閉環(huán)的電壓值更接近2V 。（ 3）學自動控制原理課程，在控制系統(tǒng)設計中主要設計哪一部份？答： 應當是系統(tǒng)的整體框架及誤差調節(jié)部分。對于一個系統(tǒng)，功能部分是“被控對象”部分，這部分可由對應專業(yè)設計，反饋部分大多是傳感器，因此可由傳感器的專業(yè)

3、設計，而自控原理關注的是系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性，因此，控制系統(tǒng)設計中心就要集中在整個系統(tǒng)的協(xié)調和誤差調節(jié)環(huán)節(jié)。二、實驗原理：（ 1） 利用各種實際物理裝置（如電子裝置、機械裝置、化工裝置等）在數(shù)學上的“相似性”，將各種實際物理裝置從感興趣的角度經過簡化、 并抽象成相同的數(shù)學形式。 我們在設計控制系統(tǒng)時，不必研究每一種實際裝置，而用幾種“等價”的數(shù)學形式來表達、研究和設計。又由于人本身的自然屬性，人對數(shù)學而言，不能直接感受它的自然物理屬性，這給我們分析和設計帶來了困難。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

4、， 不同專業(yè)的學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，我們就是用下列“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，如步進電機控制，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)在負載擾動下的實驗數(shù)據(jù)，說明閉環(huán)控制效果。自動控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，其原因之一就是取決調節(jié)器的結構和算法的設計（本課程主要用串聯(lián)調節(jié)、 狀態(tài)反饋），本實驗為了簡潔，采用單閉環(huán)、 比例調節(jié)器K 。通過實驗證明：不同的 K ，對系性能產生不同的影響，以說明正確設計調節(jié)器算法的重要性。（

5、3） 為了使實驗有代表性， 本實驗采用三階 （高階） 系統(tǒng)。這樣，當調節(jié)器 K 值過大時，控制系統(tǒng)會產生典型的現(xiàn)象振蕩。本實驗也可以認為是一個真實的電壓控制系統(tǒng)。三、實驗設備：THBDC-1 實驗平臺四、實驗線路圖 ：五、實驗步驟：（ 1） 如圖接線，建議使用運算放大器U8、 U10、 U9、 U11、U13 。先開環(huán)，即比較器一端的反饋電阻 100K 接地。將可變電阻 47K （必須接可變電阻 47K 上面兩個插孔）左旋到底時，電阻值為零。再右旋1 圈，阻值為 4.7K 。經仔細檢查后上電。打開15 伏的直流電源開關，必須彈起“不鎖零”紅色按鍵。（2）按下“階躍按鍵”鍵，調“負輸出”端電位器

6、RP2，使“交 /直流數(shù)字電壓表”的電壓為 2.00V 。如果調不到，則對開環(huán)系統(tǒng)進行逐級檢查，找出故障原因，并記下。（3）先按表格先調好可變電阻47K 的規(guī)定圈數(shù)，再調給定電位器RP2，在確?？蛰d輸出為 2.00V 的前提下，再加上 1K 的擾動負載。分別右旋調2 圈、4 圈、8 圈后依次測試，填表。 注意：加1 K 負載前必須保證此時的電壓是2.00 V 。（4）正確判斷并實現(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）先按表格調好可變電阻47K 的圈數(shù)，再調給定電位器RP2，在確?？蛰d輸出為2.00V 的前提下，再加上1K 的擾動負載，分別右旋調2 圈、 4 圈、

7、 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)換成積分調節(jié)器：即第二運放的10K 改為 100K ； 47K 可變電阻改為 10 F 電容，調電位器RP2，確保空載輸出為 2.00V時再加載，測輸出電壓值。表格：開環(huán)空載加 1K負載可調電阻1 圈2 圈4 圈8 圈開環(huán)增益（ Kp=2.4 ）（ Kp=4.8 ）（ Kp=9.6 ）（ Kp=19.2 ）輸出電壓2.00V1.001.001.001.00閉環(huán)加 1K負載可調電阻1 圈2 圈4 圈8 圈開環(huán)增益（Kp=2.4 ）（ Kp=4.8 ）（ Kp=9.6 ）（ Kp=19.2 ）輸出電壓2.

8、00V1.541.721.85穩(wěn)態(tài)誤差 e0.871.320.710.38A-2.86-2.90-2.42-2.20振蕩計算穩(wěn)態(tài)誤差 e1.310.720.38計算值及測量-0.75%-1.37%-2.56%值之間的誤差表格中，計算穩(wěn)態(tài)誤差e 的公式為：可見，計算出的穩(wěn)態(tài)誤差值e 與測量出的e 值誤差較小，屬于正常情況。（6）輸出電壓值U = 1.98V。六、報告要求：（ 1） 用文字敘說正確實現(xiàn)閉環(huán)負反饋的方法。答：實現(xiàn)閉環(huán)負反饋，就是讓輸入和擾動下輸出的變化量相互抵消，達到穩(wěn)定輸出的目的。實現(xiàn)反饋有如下四種方案：1. 加減2. 正電壓3. 增電壓（變化量）4. 先閉環(huán)考察誤差 e，然后再作

9、調整對于反饋系統(tǒng)，都是按照偏差控制的系統(tǒng)，偏差就是指輸入信號與反饋信號之差，因此，正確的方案是增電壓方法，就是考慮變化量的關系的方法。增電壓的方法，是將電壓的變化量作為參考量。通過輸入和輸出的變化量的關系，來判斷反饋的方法，這個方法可以確保實現(xiàn)負反饋，即實現(xiàn)了通過反饋和輸入偏差的抵消達到穩(wěn)定輸出的目的。（ 2） 說明實驗步驟（ 1）至（ 6）的意義。答：步驟（ 1）中將比較器端100K 電阻接地，是為了實現(xiàn)開環(huán)控制。電位器左旋到底，再右旋一圈，是為了調節(jié)第二個比例放大器的放大倍數(shù)。步驟（ 3）是在開環(huán)控制的條件下，測量空載輸出為2V 時，加負載時的電壓輸出值。與閉環(huán)控制條件下的測量值進行比較，

10、說明開環(huán)與閉環(huán)控制的差異。同時也為了說明在開環(huán)控制的條件下，Kp 變化對輸出量沒有影響。步驟（ 5）是在閉環(huán)控制的條件下，測量空載輸出為2V 時，加負載時的電壓輸出值，與開環(huán)控制進行比較。同時也為了說明在閉環(huán)控制的條件下，Kp 變化對輸出量的影響步驟（ 6）是為了說明將第二個比例環(huán)節(jié)換成積分環(huán)節(jié)，使輸出更穩(wěn)定。（ 3）畫出本實驗自動控制系統(tǒng)的各個組成部分，并指出對應元件。被控對象：調節(jié)環(huán)節(jié)：當換成積分調節(jié)器時，調節(jié)環(huán)節(jié)是10F 的電容。擾動：擾動是負載RL反饋：由于本系統(tǒng)中全部是電信號，因此沒有用到傳感器，反饋是一根導線（ 4）你認為本實驗最重要的器件是哪個？意義是什么？答：最重要的是比例調節(jié)

11、的器件。在前兩個實驗中，開環(huán)和閉環(huán)下的調節(jié)部分都是47K 的可變電阻，因此在前兩個實驗中，47K可變電阻是實驗中最重要的器件。在第三個實驗中，調節(jié)環(huán)節(jié)變成了積分調節(jié)器，因此10 F 的電容是最重要的器件。調節(jié)環(huán)節(jié)在系統(tǒng)中起到了調節(jié)增益的作用，通過調節(jié)環(huán)節(jié)的作用，系統(tǒng)的放大倍數(shù)在改變。調節(jié)器本身就是控制系統(tǒng)的一個非常重要的環(huán)節(jié)，如果沒有調節(jié)器，只有反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)將無法達到控制調節(jié)的目的，系統(tǒng)在反饋之后主要依賴于調節(jié)器對變化量的調節(jié)，達到穩(wěn)定輸出的目的，因此調節(jié)器這部分是最重要的。而且，調節(jié)器也是控制的主要體現(xiàn)。（ 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。答：首先

12、，對于慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)的表達式是：R2G sR1K()TsRCs112所以，每一個模塊的傳遞函數(shù)如下：比例環(huán)節(jié)：G1( s )KG2( s)2慣性環(huán)節(jié)：G3( s )G4( s )反饋環(huán)節(jié)：0.2 s110.094 s12.550.051s1H( s )1所以，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：G( s )G1( s )G2(s )G3( s )G4( s )1 H( s )G1( s )G2( s )G3( s )G4( s )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)：()5.1KG s0.0009588 s 30.033794s 20.345 s 1 5.1 k根據(jù)勞斯判據(jù)，S30.0

13、0095880.345S20.0337941+5.1KS10.345-0.0283719 （1+5.1K ）S00.345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：K 2.19所以，求出R2 的取值范圍：R222KKp5.1 KKp5.1 2.1911.17滿足以上條件時，系統(tǒng)才能夠穩(wěn)定。當旋轉 8 圈時， Kp 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，因此系統(tǒng)不穩(wěn)定，但由于運放有飽和電壓，因此，輸出并不會趨于無窮大，而是在一定的范圍內振蕩。（ 6）比較表格中的實驗數(shù)據(jù)，說明開環(huán)與閉環(huán)控制效果。答：開環(huán)控制下，由于不對擾動進行調整，因此控制效果很差，僅僅

14、靠運放穩(wěn)壓調節(jié)是不能夠達到穩(wěn)定輸出的目的，因此，在空載和負載下輸出值有很大的變化。閉環(huán)控制下，系統(tǒng)通過反饋，能夠將擾動帶來的變化量減小甚至理想情況下消除，達到穩(wěn)定輸出的目的。通過實驗數(shù)據(jù)，可以看出在閉環(huán)反饋情況下系統(tǒng)輸出有了明顯改善，尤其是在積分調節(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，當開環(huán)增益超過一定的限度時，就會產生振蕩。（ 7） 用表格數(shù)據(jù)說明開環(huán)增益與穩(wěn)態(tài)誤差的關系。答：根據(jù)表格數(shù)據(jù)：輸出電壓2.00V1.55V1.69 V1.82 V1.32 V0.73 V振蕩穩(wěn)態(tài)誤差0.39 V我們可以分析，得到如下結論：開環(huán)增益越大，穩(wěn)態(tài)誤差越小，但開環(huán)增益達到