閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)研究(共14頁)

1、東南大學能環(huán)學院(xuyun)實 驗 報 告課程名稱： 熱工過程(guchng)自動控制原理第三次實驗(shyn)實驗名稱: 閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)研究院 （系）： 專 業(yè)： 姓 名： 學 號： 實 驗 室： 實驗組別：同組人員： 實驗時間： 評定成績： 審閱教師：目 錄一、實驗(shyn)目的3二、實驗(shyn)設備3三、實驗(shyn)原理3四、實驗步驟4五、實驗記錄5六、實驗總結(jié)6一、實驗(shyn)目的1、通過實例展示，認識自動控制(z dn kn zh)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(zhngqu)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

2、、實驗設備THBDC-1型 控制理論計算機控制技術(shù)實驗平臺三、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(jīng)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，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

3、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(jn gun)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(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)(jigu)和算法的設計（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(ciyng)三階

4、（高階）系統(tǒng)。這樣，當調(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。本實驗也可以認為是一個真實的電壓控制系統(tǒng)。四、實驗步驟1、如圖接線，將線路(xinl)接成開環(huán)形式，即比較器端接反饋的100K電阻(dinz)接地。將可變電阻470K（必須接可變電阻上面兩個插孔）左旋到底歸零，再右旋1圈。經(jīng)仔細檢查后上電。打開15伏的直流電源開關(kigun)，彈起“不鎖零”紅色按鍵。2、按下“階躍按鍵”鍵，調(diào)“負輸出”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)進行逐級檢查，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2.0

5、0V的前提下，再加上1K的擾動負載，2圈、4圈、8圈依次檢測，填表4、正確判斷并實現(xiàn)反饋?。ㄕn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2.00V的前提下，再加上1K的擾動負載，2圈、4圈、8圈依次檢測，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，即第二運放的10K電阻改為100K電阻；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。五、實驗記錄開環(huán)空載加1K負載可調(diào)電阻開環(huán)增益1圈（Kp=2.4）2圈（Kp=4.8）4圈（K

6、p=9.6）8圈（Kp=19.2）輸出電壓2.00V1.00V1.00V1.00V1.00V閉環(huán)加1K負載可調(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2.00V1.51V1.70V1.82V振蕩穩(wěn)態(tài)誤差0.49V0.30V0.18V振蕩比例環(huán)節(jié)換成積分(jfn)調(diào)節(jié)器：即第二運放的10K電阻(dinz)改為(i wi)阻值為100K的電阻；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 U = 2.00V。六、實驗總結(jié)1、預習與回答1）在實際控制系統(tǒng)調(diào)試時，如何正確實現(xiàn)負反饋閉環(huán)？答：負

7、反饋閉環(huán)，就是要求輸入和反饋的誤差相抵的情況，并非單純的加減問題。因此，實現(xiàn)負反饋，我們需要逐步考察系統(tǒng)在輸入端和反饋端的變化情況，根據(jù)變化量決定是相加還是相減。2）你認為表格中加1K負載后，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)電壓值應當更接近2V。在本實驗中的系統(tǒng)，開環(huán)下，當出現(xiàn)擾動時，系統(tǒng)前部分是不會產(chǎn)生變化，即擾動的影響很大部分是加載在后面部分，所以，系統(tǒng)不具有調(diào)節(jié)能力，對擾動的反應會很大，因此，會偏離空載時的2V很多。閉環(huán)下，當系統(tǒng)出現(xiàn)擾動，由于反饋，擾動產(chǎn)生的影響也被反饋到了輸入端，所以，系統(tǒng)從輸入部分就產(chǎn)生調(diào)整，在調(diào)整下系統(tǒng)的偏離程度會減小，因此，閉環(huán)的電壓值更接近

8、2V。3）學自動控制原理課程(kchng)，在控制系統(tǒng)設計中主要設計哪一部份？答：控制系統(tǒng)中，我認為主要設計調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，以及系統(tǒng)的整體規(guī)劃。對于一個系統(tǒng)，功能部分是“被控對象(duxing)”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)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(diào)和誤差(wch)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。2、思考題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：a. 加減b. 正電壓c. 增電壓（變化量）d. 先閉環(huán)考察誤差e，然

9、后再作調(diào)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(bzhu)（1）至（6）的意義。答：第一步：接線，首先是按照設計好的系統(tǒng)圖將各個原件(yun jin)連接成模塊，然后將各個模塊連接起來。第一步連接之后，將線路接成開環(huán)形式，即第一個環(huán)節(jié)的比較器接反饋的100K電阻(dinz)接地，為下一步的開環(huán)實驗做好準備。在第一步接線

10、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)誤差的變化做好準備。打開15伏的直流電源開關，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，因此應該放到“不鎖零”上。第二步：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。當無法調(diào)節(jié)到2.00V時，應仔細檢查系統(tǒng)連接。主要可能出錯的原因大致如下：運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，直接導致后面

11、環(huán)節(jié)運放飽和；接入的電容出現(xiàn)錯誤，或者是電容損壞，導致電路沒有放大能力。除此之外，還有可能是元器件本身就已經(jīng)被損壞。第三步：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的擾動負載，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)應該具有良好的穩(wěn)定能力，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)不是一個好的系統(tǒng)。第四步：將系統(tǒng)(xtng)改接成為(chngwi)閉環(huán)反饋系統(tǒng)，在閉環(huán)

12、反饋的情況下，進行后面的實驗，觀察(gunch)閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)起到的作用。第五步：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的擾動負載，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)反饋的作用下，系統(tǒng)的抗擾動能力變強。第六步：將比例環(huán)節(jié)換成積分調(diào)節(jié)器：即第二運放的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）畫出本實驗自動控制系統(tǒng)的各個組成部分，并指出對

13、應元件。答：系統(tǒng)：被控(bi kn)對象：調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)(hunji)：當換成積分調(diào)節(jié)器時，調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)是10F的電容(dinrng)。擾動：擾動是負載RL反饋：由于(yuy)本系統(tǒng)中全部是電信號，因此沒有用到傳感器，反饋是一根導線設定(sh dn)電壓：4）你認為本實驗最重要(zhngyo)的器件是哪個？意義是什么？答：我認為本實驗最重要的器件是調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的器件。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，

14、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)，如果沒有調(diào)節(jié)器，只有反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)將無法達到控制調(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5）寫出系統(tǒng)傳遞函數(shù)，用穩(wěn)定判據(jù)(pn j)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(gunxng)環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)的表達式是：所以(suy)，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

15、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(ync)，求出K的范圍： 所以(suy)，求出R2的取值范圍(fnwi)： 滿足以上條件時，系統(tǒng)才能夠穩(wěn)定。當旋轉(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：開環(huán)控制下，由于不對擾動進行調(diào)整，因此控制效果很差，僅僅靠運放穩(wěn)壓調(diào)節(jié)是不能夠達到穩(wěn)定輸出的目

16、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?qū)_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(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(shumng)開環(huán)增益與穩(wěn)態(tài)誤差的關系。答：根據(jù)(gnj)表格數(shù)據(jù)：輸出電壓2.00V1.51V1.70V1.82V振蕩穩(wěn)態(tài)誤差0.49V0.30V0.18V振蕩我們可以分析，得到(d do)如下結(jié)論：開環(huán)增益越大，穩(wěn)態(tài)誤差越小，但開環(huán)增益達到一定大小后，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