東南大學(xué)自控實驗三閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)研究(共6頁)

1、東南大學(xué)自動控制(z dn kn zh)實驗室實 驗 報 告課程名稱： 自動控制(z dn kn zh)原理實驗(shyn) 實驗名稱： 閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)研究 院（ 系）：能源與環(huán)境學(xué)院 專 業(yè)：熱能與動力工程姓 名： 學(xué) 號： 實 驗 室：自動控制實驗室 實驗時間：2015.11.19 評定成績： 審閱教師： 一、實驗?zāi)康模?）通過實例(shl)展示，認(rèn)識自動控制系統(tǒng)的組成、功能和自動控制原理課程主要22解決(jiju)的問題。（2）會正確(zhngqu)實現(xiàn)閉環(huán)負(fù)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、實驗原理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(xué)上的

2、“相似性”，將各種實際物理裝置從感興趣的角度經(jīng)過簡化、并抽象成相同的數(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，我們就是用下列“模擬實物”電路系統(tǒng)，替代各種實際物理對象。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)

3、形式，如步進(jìn)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(fù)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(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和算法的設(shè)計（本課程主要用串聯(lián)調(diào)節(jié)、狀態(tài)反饋），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。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(shyn)步驟：

4、如圖接線(ji xin)，建議使用運算放大器U8、U10、U9、U11、U13。先開環(huán)，即比較(bjio)器接輸出一端的反饋電阻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，即系統(tǒng)增益Kp=0。再右旋1圈，阻值為4.7K，Kp=2.4。經(jīng)仔細(xì)檢查后接通220伏電源，再打開+15、-15伏電源開關(guān)，彈起紅色按鍵“不鎖零”。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，則對開環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行逐級檢查，找出故障原因，并記錄。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，在確保空載輸出為2.00V的前提

5、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，測得各數(shù)據(jù)填表。 注意：為了數(shù)據(jù)可比性，加1 K負(fù)載前必須保證電壓是2.00V。穩(wěn)態(tài)誤差測量值e是比較器的輸出，用數(shù)字表測得。 正確判斷并實現(xiàn)反饋?。ㄕn堂提問）理解后閉環(huán)，即反饋端電阻100K接系統(tǒng)輸出。按表格調(diào)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。將比例環(huán)節(jié)換成積分調(diào)節(jié)器：將第二運放的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后

6、再加載，測輸出電壓值并記錄。六、實驗結(jié)果1.實驗表格開環(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2.00V1.00V1.00V1.00V0.99V閉環(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2.00V1.53V1.69V1.83V振蕩Vi-2.87-2.86V-2.41V-2.200.17V穩(wěn)態(tài)誤差0.881.350.710.38將比例環(huán)節(jié)換成積分調(diào)節(jié)器后的輸出電壓2.00V2.實驗問題(wnt)分析：（1）用文字?jǐn)⒄f正確(zhngqu

7、)實現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋的方法。答：理論上來說有四種(s zhn)方法，實現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋，就是讓輸入和擾動下輸出的變化量相互抵消，達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。1. 加減2. 正電壓3. 增電壓（變化量）4. 先閉環(huán)考察誤差e，然后再作調(diào)整但是在工程上最可靠是變化量的方法。首先給定一個輸入電壓值，例如5V，得到輸出電壓。然后使輸入電壓增加或減少一個值，例如增加到8V，得到此時的輸出電壓。比較的差值，如果是正值，即也增加，此時采用減法電路實現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋；如果是負(fù)值，即減小，此時采用加法電路實現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋。（2）說明實驗步驟（1）至（6）的意義。答：（1）將電路連接成開環(huán)空載形式，并做好一系列準(zhǔn)備工作，包括可變電阻值

8、和15V直流電源開關(guān)的供電等等。 （2）調(diào)節(jié)以保證開環(huán)空載時的輸出電壓為2.00V。如果發(fā)現(xiàn)錯誤，逐個檢查放大器是否正常工作，來確保實驗的順利進(jìn)行。 （3）開環(huán)時，在改變調(diào)節(jié)系數(shù)（可變電阻大小），并同時保證此種調(diào)節(jié)系數(shù)下空載輸出電壓為2.00V的條件下，測出有1K負(fù)載時的輸出電壓。比較開環(huán)時的各個輸出電壓值，以得到規(guī)律。 （4）調(diào)節(jié)電路連線，將反饋端電阻接至系統(tǒng)輸出，使得電路為閉環(huán)狀態(tài)。 （5）閉環(huán)時，在改變調(diào)節(jié)系數(shù)（可變電阻大?。?，并同時保證此種調(diào)節(jié)系數(shù)下空載輸出電壓為2.00V的條件下，測出有1K負(fù)載時的輸出電壓。比較閉環(huán)時的各個輸出電壓值和反饋效果。 （6）將原來的比例調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)(hunj

9、i)換成積分調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，測量此時的輸出電壓值，比較反饋效果?？偟膩碚f，實驗(shyn)要實現(xiàn)的就是用開環(huán)和閉環(huán)在負(fù)載擾動下的實驗數(shù)據(jù)，說明閉環(huán)控制的效果。（3）畫出本實驗自動(zdng)控制系統(tǒng)的各個組成部分，并指出對應(yīng)元件。被控對象（第35級的運放）調(diào)節(jié)器（第2級比例環(huán)節(jié)）擾動（1K負(fù)載）反饋（100K電阻）被控量（運放輸出電壓）比較器（第1級減法器環(huán)節(jié)）階躍輸入答：（4）你認(rèn)為本實驗最重要的器件是哪個？意義是什么？答：自動控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，原因之一就是取決調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)。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)器本身就是控制系統(tǒng)的一個非常重要的環(huán)節(jié)

10、，如果沒有調(diào)節(jié)器，只有反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)將無法達(dá)到控制調(diào)節(jié)的目的，系統(tǒng)在反饋之后主要依賴于調(diào)節(jié)器對變化量的調(diào)節(jié)，達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的，因此調(diào)節(jié)器這部分是最重要的。而且，調(diào)節(jié)器也是控制的主要體現(xiàn)方面，所以調(diào)節(jié)器，即第二級比例環(huán)節(jié)在本實驗中最重要。通過調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，提高開環(huán)增益。閉環(huán)后，在振蕩內(nèi)調(diào)節(jié)時，增益越大，反饋效果越好，輸出電壓越接近2.00V。是實驗中最核心、最重要的部分。（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圈時數(shù)字表的現(xiàn)象和原因。答：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)：反饋(fnku)環(huán)節(jié)：所以(suy)，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：將

11、上面(shng min)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 0.345-0.0283719（1+5.1K）S0 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，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(nèi)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：比較表格1和表格2同一列的實驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)并有負(fù)載時，輸出電壓大致保持為1.00V；而當(dāng)系統(tǒng)處于閉環(huán)反饋狀態(tài)時，輸出電壓更接近于2.00V，誤差更小。說明閉環(huán)控制的效果比開環(huán)控制的效果要理想的多。（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。答：由表格2閉環(huán)狀態(tài)時的輸出電壓可以發(fā)現(xiàn)：開環(huán)增益越高，穩(wěn)態(tài)誤差越小，即輸出電壓越接近于2.00V。理論上，由于系統(tǒng)沒有積分環(huán)節(jié)，所以該系統(tǒng)是0型系統(tǒng)。對于階躍輸入，其穩(wěn)