東南大學自動控制原理實驗三

1、實驗名稱：閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)研究自動化學院自動化東南大學自動控制實驗室實驗報告課程名稱：自動控制原理實驗專 業(yè): 學 號: 實驗組別： 實驗時間：2017/11/17院（系）: 姓 名: 實驗室: 同組人員：一實驗目的和要求 3二實驗原理 3三實驗方案與實驗步驟 4四實驗設(shè)備與器材配置 5五實驗記錄 5六實驗總結(jié) 6七預習與回答 9實驗目的和要求實驗目的：（ 1）通過實例展示， 認識自動控制系統(tǒng)的組成、 功能和自動控制原理課程主要解決的問 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。報告要求：（ 1） 用文字敘說，工程上，正確實現(xiàn)閉環(huán)負反饋的方法。（ 2） 說明實

2、驗步驟（ 1）至（ 6）的意義。（ 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。（ 4） 你認為本實驗最重要的器件是哪個？作用是什么？（5） 寫出系統(tǒng)傳遞函數(shù)， 用勞斯判據(jù)說明： 閉環(huán)工作時， 4.7K 可變電阻為 8圈（ Kp=19.2 ） 時，數(shù)字表的現(xiàn)象和原因。（ 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。（7）用教材上穩(wěn)態(tài)誤差理論公式E=R/1+Kp （0型）計算驗證穩(wěn)態(tài)誤差測量值 e。注意：R 是改變的輸入電壓，用數(shù)字表測得。開環(huán)增益 Kp 在帶了負載以后，實際下降了一半。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

3、 “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(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)學形式來表達、研究和 設(shè)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(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)

4、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)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。(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(diào)節(jié)器K值過大時,控制系統(tǒng)會產(chǎn)生典型的現(xiàn)象一一振蕩。本實驗也可以認為是一個真實的電壓控制系統(tǒng)。三. 實驗方案與實驗步驟

5、(1) 如圖接線，建議使用運算放大器U8、U10、U9、U11、U13。先開環(huán)，即比較器接輸出一端的反饋電阻100K Q接地。將可變電阻47K Q (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 Q, Kp=2.4。經(jīng)仔細檢查后 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”。(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，找出故障原因，并記錄。(3) 先按表格先調(diào)好可變電阻47K Q的規(guī)定圈數(shù)，再調(diào)給定電位器 RP2,在確保

6、空載輸出為2.00V的前提下，再加上1K Q的擾動負載。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 Q負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。(4) 正確判斷并實現(xiàn)反饋！(課堂提問)理解后閉環(huán)，即反饋端電阻100K Q接系統(tǒng)輸出。(5) 按表格調(diào)可變電阻 47K Q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 Q的擾動負載，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：將第二運放的10K Q改

7、為100K Q; 47K Q可變電阻改為10卩F電容，調(diào)電位器 RP2，確?？蛰d輸出為 2.00V后再加載，測輸出電壓值并記錄。四. 實驗設(shè)備與器材配置THBDC-1實驗平臺五. 實驗記錄開環(huán)空載加1K Q負載開環(huán)增益調(diào)4.7K電阻1圈(Kp=2.4)2圈(Kp=4.8 )4圈(Kp=9.6 )8圈(Kp=19.2 )輸出電壓2.00V1.01.01.01.0閉環(huán)加1K Q負載開環(huán)增益調(diào)4.7K電阻1圈(Kp=2.4 )2圈(Kp=4.8 )4圈(Kp=9.6 )8圈(Kp=19.2 )輸出電壓2.00V1.61.71.8振蕩穩(wěn)態(tài)誤差 測量值e1.30.70.4振蕩穩(wěn)態(tài)誤差 計算值E1.30.

8、70.4振蕩測量改變的輸入電壓，用數(shù)字表測得:1圈2圈4圈8圈R/V2.82.42.2振蕩將比例環(huán)節(jié)換成積分調(diào)節(jié)器，測量輸出電壓值:輸出電壓值：2.0V六實驗總結(jié)實驗數(shù)據(jù)處理： 穩(wěn)態(tài)誤差理論公式： E=R/1+Kp, R 是改變的輸入電壓，用數(shù)字表測得： 1 圈： E=2.8/（1+2.4/2）=1.32 圈： E=2.4/（1+4.8/2 ）=0.74 圈： E=2.2/（1+9.6/2 ）=0.48 圈：振蕩實驗結(jié)果分析討論：1） 用文字敘說，工程上，正確實現(xiàn)閉環(huán)負反饋的方法。實現(xiàn)閉環(huán)負反饋的方法主要有四種，一是用輸出與輸入做加減法。二是帶極性判斷加減。 三是根據(jù)電壓變化量加減。四是閉環(huán)的

9、情況下根據(jù)誤差的變化來選擇正反饋和負反饋，正 反饋誤差發(fā)散，負反饋誤差收斂。正確的方法為三和四，但在工程上，正確實現(xiàn)閉環(huán)負反 饋的方法只有第三種，如果使用第四種方法會導致飛車。正確實現(xiàn)閉環(huán)負反饋的方法為：如果輸入信號增加，測量反饋信號，若增加，就將輸入信號與反饋信號構(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。意義：步驟一：先進行基本的開環(huán)操作，讓平臺正常工作。步驟二：調(diào)節(jié)電位器 RP2,確保交直流數(shù)字電壓表的電壓能夠調(diào)到2.00V步驟三：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，說明開環(huán)與閉

10、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。步驟四：正確判斷并實現(xiàn)負反饋，確保在閉環(huán)條件下的基準電壓為2V步驟五： 閉環(huán)下， 使 Kp 從小變化到大， 測量此時的輸出電壓， 觀察 8 圈時數(shù)字表的現(xiàn)象。 數(shù)字電壓表現(xiàn)象，在 8 圈時，輸出電壓值出現(xiàn)了振蕩不穩(wěn)定的情況。步驟六：比例環(huán)節(jié)帶負載輸出電壓會下降，而積分環(huán)節(jié)不會，使輸出更穩(wěn)定，對積分環(huán)節(jié) 進行測量驗證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。擾動”給定輸入U。比較器器3：|了 U:：吧被控對象調(diào)節(jié)器1C0KTTlnTVF-單2位反饋丄 JFJF實驗鳥閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)研究接銭圖4) 你

11、認為本實驗最重要的器件是哪個？作用是什么？本實驗最重要的器件時調(diào)節(jié)器，作用是根據(jù)反饋的結(jié)果對輸入的信號進行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)Kp的值，以便于觀察開環(huán)和閉環(huán)控制時，在不同Kp的條件下，加負載時輸出電壓值。5) 寫出系統(tǒng)傳遞函數(shù)，用勞斯判據(jù)說明：閉環(huán)工作時，4.7K可變電阻為8圈(Kp=19.2 )時，數(shù)字表的現(xiàn)象和原因。每一個模塊的傳遞函數(shù)如下：比例環(huán)節(jié)：G1 ( s) = - K慣性環(huán)節(jié):G2(s)= - 2/(0.2s+1)G3(s)= -1/(0.094s+1)G4(s)= -2.55/(0.051s+1)單位反饋：H(s)=1系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：G(s)=G1(s)G2(s)G3(s)G4(s)

12、/ 1+H(s)G1(s)G2(s)G3(s)G4(s)G(s) =5.1?0.0009588?3 +0.033794?2 +0.345?+1+5.1?勞斯表:S30.00095880.345sz0.0337941+5.1K0.345 -0.0283719* (1+5.1K )1+5.1K若系統(tǒng)穩(wěn)定，則第一列全為正數(shù)：0.345 -0.0283719（1+5.1K ） 01+5.1K0求出K的范圍為：2.19 K-0.196Kp=5.1K1Kp11.17，故系統(tǒng)的傳遞函數(shù)在復平面右邊平面出現(xiàn)了根，因此系統(tǒng)不穩(wěn)定，由于運放有飽和電壓，輸出并不會趨于無窮大，而是在 一定范圍內(nèi)振蕩。6）比較表格中的

13、實驗數(shù)據(jù)，說明開環(huán)與閉環(huán)控制效果。答：開環(huán)下，加相同的阻值的負載，在不同增益KP情況下獲得相同的輸出電壓，該電壓較空載輸出電壓有明顯偏差，而實現(xiàn)了閉環(huán)控制后，加相同阻值的負載，隨著增益KP有限度的增大，輸出電壓越接近空載時輸出電壓.7）用教材上穩(wěn)態(tài)誤差理論公式 E=R/1+Kp （0型）計算驗證穩(wěn)態(tài)誤差測量值e。注意：R是改變的輸入電壓，用數(shù)字表測得。開環(huán)增益Kp在帶了負載以后，實際下降了一半。答：由數(shù)據(jù)可得，開環(huán)增益越大，穩(wěn)態(tài)誤差越小，但開環(huán)增益過大，就會產(chǎn)生系統(tǒng)振蕩。對本系統(tǒng)而言，階躍信號下的系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和開環(huán)增益的關(guān)系如下：?=?七.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：要實現(xiàn)閉環(huán)負反饋，則根據(jù)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。如果輸入信號增加，測量反饋信號，若增加，就將輸入信號與反饋信號構(gòu)成 減法電路實現(xiàn)。反之構(gòu)成加法電路實現(xiàn)。(2) 你認為表格中加1K Q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)電壓值更接近 2V，因為在本實驗中，開環(huán)情況下，當出現(xiàn)擾動時，系統(tǒng)不具備 調(diào)節(jié)能力，因此偏離 2V較遠。閉環(huán)情況下，當