2015东南大学自控实验报告_实验三闭环电压控制系统研究

1东南大学《自动控制原理》实验报告实验名称：实验三闭环电压控制系统研究院（系）：专业：姓名：学号：实验室：416实验组别：同组人员：实验时间：2015年11月24日评定成绩：审阅教师：2实验三闭环电压控制系统研究一、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）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）在数学上的“相似性”，将各种实际物理装置从感兴趣的角度经过简化、并抽象成相同的数学形式。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对象，而“模拟实物”的实验方式可以做到举一反三，我们就是用下列“模拟实物”——电路系统，替代各种实际物理对象。（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，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（本课程主要用串联调节、状态反馈），本实验为了简洁，采用单闭环、比例调节器K。通过实验证明：不同的K，对系性能产生不同的影响，以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。本实验也可以认为是一个真实的电压控制系统。三、实验设备：THBDC-1实验平台四、实验线路图：3五、实验步骤：（1）如图接线，建议使用运算放大器U8、U10、U9、U11、U13。先开环，即比较器一端的反馈电阻100KΩ接地。将可变电阻47KΩ（必须接可变电阻47K上面两个插孔）左旋到底时，电阻值为零。再右旋1圈，阻值为4.7KΩ。经仔细检查后上电。打开15伏的直流电源开关，必须弹起“不锁零”红色按键。（2）按下“阶跃按键”键，调“负输出”端电位器RP2，使“交/直流数字电压表”的电压为2.00V。如果调不到，则对开环系统进行逐级检查，找出故障原因，并记下。（3）先按表格先调好可变电阻47KΩ的规定圈数，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。分别右旋调2圈、4圈、8圈后依次测试，填表。注意：加1KΩ负载前必须保证此时的电压是2.00V。（4）正确判断并实现反馈！（课堂提问）再闭环，即反馈端电阻100KΩ接系统输出。（5）先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，分别右旋调2圈、4圈、8圈依次测试，填表要注意在可变电阻为8圈时数字表的现象。并用理论证明。（6）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。表格：开环空载加1KΩ负载可调电阻开环增益1圈（Kp=2.4）2圈（Kp=4.8）4圈（Kp=9.6）8圈（Kp=19.2）输出电压2.00V1.05V1.04V1.04V1.04V闭环加1KΩ负载可调电阻开环增益1圈（Kp=2.4）2圈（Kp=4.8）4圈（Kp=9.6）8圈（Kp=19.2）输出电压2.00V1.54V1.69V1.83V振荡4稳态误差e1.30V0.71V0.37V振荡稳态误差计算值E1.30V0.71V0.38V振荡六、报告要求：（1）用文字叙说正确实现闭环负反馈的方法。答：闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈。实现的方法是：将信号的正向通道与反馈通路构成闭合回路，如果输入信号增加，测量反馈信号，若增加，就将输入信号与反馈信号构成减法电路实现。反之构成加法电路实现。（2）说明实验步骤（1）至（6）的意义。步骤（1）：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。步骤（2）：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。步骤（3）：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。步骤（4）：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。步骤（5）：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。步骤（6）：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5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。调节器被控对象反馈设定被控量（电压）（传感器）扰动被控对象：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RL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：6（4）你认为本实验最重要的器件是哪个？意义是什么？我认为最重要的器件是调节环节。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）写出系统传递函数，用劳斯判据说明可变电阻为8圈时数字表的现象和原因。首先，对于惯性环节，传递函数的表达式是：212()11RRKGsRCsTs所以，每一个模块的传递函数如下：比例环节：1()GsK惯性环节：22()0.21Gss31()0.0941Gss42.55()0.0511Gss反馈环节：()1Hs所以，系统的传递函数：712341234()()()()()1()()()()()GsGsGsGsGsHsGsGsGsGs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()0.00095880.0337940.34515.1KGssssk根据劳斯判据，S30.00095880.345S20.0337941+5.1KS10.345-0.0283719（1+5.1K）S00.345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R2的取值范围：222RK5.15.12.1911.17ppKKK满足以上条件时，系统才能够稳定。当旋转8圈时，pK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。验正误差公式。根据表格数据：输出电压2.00V1.30V0.71V0.37V振荡稳态误差1.30V0.71V0.38V振荡我们可以分析，得到如下结论：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：81ssAeK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。如果要求系统对于阶跃输入作用稳态误差为零，那么就要选用I型以及I型以上的系统。但是，对于系统本身来讲，开环增益过高，可能导致系统内部的不稳定，比如运放饱和等，在系统内部已经不稳定，闭环反馈也无法达到稳定。七、预习与回答：（1）在实际控制系统调试时，如何正确实现负反馈闭环？答：负反馈闭环，就是要求输入和反馈的误差相抵的情况，并非单纯的加减问题。因此，实现负反馈，我们需要逐步考察系统在输入端和反馈端的变化情况，根据变化量决定是相加还是相减。（2）你认为表格中加1KΩ载后，开环的电压值与闭环的电压值，哪个更接近2V？答：闭环电压值应当更接近2V。在本实验中的系统，开环下，当出现扰动时，系统前部分是不会产生变化，即扰动的影响很大部分是加载在后面部分，因此，系统不具有调节能力，对扰动的反应很大，因此，会偏离空载时的2V很多。闭环下，当系统出现扰动，由于反馈，扰动产生的影响也被反馈到了输入端，因此，系统从输入部分就产生调整，在调整下系统的偏离程度会减小，因此，闭环的电压值更接近2V。（3）学自动控制原理课程，在控制系统设计中主要设计哪一部份？答：控制系统中，我认为主要设计调节环节，以及系统的整体规划。对于一个系统，功能部分是“被控对象”部分，这部分可由对应专业设计，反馈部分大多是传感器，因此可由传感器的专业设计，而自控原理关注的是系统整体的稳定性，因此，控制系统设计中心就要集中在整个系统的协调和误差调节环节。