自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn) 控制基礎(chǔ) 實(shí)驗(yàn)三 閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)研究

《自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)》實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)三閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)研究姓名：學(xué)號(hào)：專(zhuān)業(yè)：自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室：常州樓419實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2011年10月19日同組人員：評(píng)定成績(jī)：審閱教師：

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模海?）通過(guò)實(shí)例展示，認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成、功能及自動(dòng)控制原理課程所要解決的問(wèn)題。（2）會(huì)正確實(shí)現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋。（3）通過(guò)開(kāi)、閉環(huán)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明閉環(huán)控制效果。二、預(yù)習(xí)與回答（1）在實(shí)際控制系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，如何正確實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋閉環(huán)？答：負(fù)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(wèn)題。因此，實(shí)現(xiàn)負(fù)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(rèn)為表格中加1KΩ載后，開(kāi)環(huán)的電壓值與閉環(huán)的電壓值，哪個(gè)更接近2V？答：閉環(huán)電壓值應(yīng)當(dāng)更接近2V。在本實(shí)驗(yàn)中的系統(tǒng)，開(kāi)環(huán)下，當(dāng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)前部分是不會(huì)產(chǎn)生變化，即擾動(dòng)的影響很大部分是加載在后面部分，因此，系統(tǒng)不具有調(diào)節(jié)能力，對(duì)擾動(dòng)的反應(yīng)很大，因此，會(huì)偏離空載時(shí)的2V很多。閉環(huán)下，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)，由于反饋，擾動(dòng)產(chǎn)生的影響也被反饋到了輸入端，因此，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(huì)減小，因此，閉環(huán)的電壓值更接近2V。（3）學(xué)自動(dòng)控制原理課程，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要設(shè)計(jì)哪一部份？答：控制系統(tǒng)中，我認(rèn)為主要設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，以及系統(tǒng)的整體規(guī)劃。對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)，功能部分是“被控對(duì)象”部分，這部分可由對(duì)應(yīng)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)，反饋部分大多是傳感器，因此可由傳感器的專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)，而自控原理關(guān)注的是系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性，因此，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中心就要集中在整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和誤差調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。三、實(shí)驗(yàn)線路圖四、實(shí)驗(yàn)步驟（1）如圖接線，將線路接成開(kāi)環(huán)形式，即比較器端接反饋的100KΩ電阻接地。將可變電阻470KΩ（必須接可變電阻上面兩個(gè)插孔）左旋到底歸零，再右旋1圈。經(jīng)仔細(xì)檢查后上電。打開(kāi)15伏的直流電源開(kāi)關(guān)，彈起“不鎖零”紅色按鍵。（2）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(duì)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行逐級(jí)檢查，找出原因。（3）先按表格調(diào)好可變電阻47KΩ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1KΩ的擾動(dòng)負(fù)載，2圈、4圈、8圈依次檢測(cè)，填表（4）正確判斷并實(shí)現(xiàn)反饋?。ㄕn堂提問(wèn)）再閉環(huán)，即反饋端電阻100KΩ接系統(tǒng)輸出。（5）先按表格調(diào)好可變電阻47KΩ的圈數(shù)，再調(diào)給定電位器RP2，在確保空載輸出為2.00V的前提下，再加上1KΩ的擾動(dòng)負(fù)載，2圈、4圈、8圈依次檢測(cè)，填表要注意在可變電阻為8圈時(shí)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(yùn)放的10KΩ改為100KΩ；47KΩ可變電阻改為10μF電容，調(diào)電位器RP2，確?？蛰d輸出為2.00V時(shí)再加載，測(cè)輸出電壓值。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開(kāi)環(huán)空載加1KΩ負(fù)載可調(diào)電阻開(kāi)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2.00V1.00V1.00V1.00V1.00V閉環(huán)—加1KΩ負(fù)載可調(diào)電阻開(kāi)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2.00V1.54V1.71V1.82V振蕩穩(wěn)態(tài)誤差—1.15V0.67V0.37V振蕩比例環(huán)節(jié)換成積分調(diào)節(jié)器：即第二運(yùn)放的10KΩ改為100KΩ；47KΩ可變電阻改為10μF電容，調(diào)電位器RP2，確保空載輸出為2.00V時(shí)再加載，測(cè)輸出電壓值U=1.99V。六、實(shí)驗(yàn)分析（1）用文字?jǐn)⒄f(shuō)正確實(shí)現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋的方法。答：實(shí)現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋，就是讓輸入和擾動(dòng)下輸出的變化量相互抵消，達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。實(shí)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，然后再作調(diào)整對(duì)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(hào)與反饋信號(hào)之差，因此，正確的方案是增電壓方法，就是考慮變化量的關(guān)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(guò)輸入和輸出的變化量的關(guān)系，來(lái)判斷反饋的方法，這個(gè)方法可以確保實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋，即實(shí)現(xiàn)了通過(guò)反饋和輸入偏差的抵消達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。（2）說(shuō)明實(shí)驗(yàn)步驟（1）至（6）的意義。答：第一步：接線，首先是按照設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)圖將各個(gè)原件連接成模塊，然后將各個(gè)模塊連接起來(lái)。第一步連接之后，將線路接成開(kāi)環(huán)形式，即第一個(gè)環(huán)節(jié)的比較器接反饋的100KΩ電阻接地，為下一步的開(kāi)環(huán)實(shí)驗(yàn)作出準(zhǔn)備。在第一步接線中，接入的是可變電阻470KΩ是用來(lái)調(diào)整開(kāi)環(huán)增益的，為后面步驟中測(cè)量不同增益下穩(wěn)態(tài)誤差的變化。打開(kāi)15伏的直流電源開(kāi)關(guān)，用于系統(tǒng)供電。彈起“不鎖零”紅色按鍵，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中需要使用電容，“鎖零”使得電容不起作用，因此應(yīng)該放到“不鎖零”上。第二步：按下“階躍按鍵”鍵，這一動(dòng)作是給系統(tǒng)一個(gè)階躍輸入，本實(shí)驗(yàn)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(fù)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(dāng)無(wú)法調(diào)節(jié)到2.00V時(shí)，應(yīng)仔細(xì)檢查系統(tǒng)連接。主要可能出錯(cuò)的原因大致如下：運(yùn)放前后的電阻阻值接入錯(cuò)誤，使得前級(jí)輸出電壓放大倍數(shù)過(guò)高，直接導(dǎo)致后面環(huán)節(jié)運(yùn)放飽和。接入的電容出現(xiàn)錯(cuò)誤，或者是電容損壞，導(dǎo)致電路沒(méi)有放大能力。除此，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47KΩ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1KΩ的擾動(dòng)負(fù)載，2圈、4圈、8圈依次檢測(cè)，這一步主要是測(cè)量開(kāi)環(huán)狀態(tài)下，添加負(fù)載擾動(dòng)前后的輸出變化，觀察系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的調(diào)整情況。從測(cè)量數(shù)據(jù)看，輸出電壓隨擾動(dòng)變化很大，一個(gè)好的系統(tǒng)應(yīng)該具有良好的擾動(dòng)能力，即在擾動(dòng)情況下的輸出變化很小，理想的系統(tǒng)在擾動(dòng)下輸出不發(fā)生變化，通過(guò)這一步驟，也能說(shuō)明開(kāi)環(huán)系統(tǒng)不是一個(gè)好的系統(tǒng)。第四步：將系統(tǒng)改接成為閉環(huán)反饋系統(tǒng)，在閉環(huán)反饋的情況下，進(jìn)行后面的實(shí)驗(yàn)，觀察閉環(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47KΩ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1KΩ的擾動(dòng)負(fù)載，2圈、4圈、8圈依次檢測(cè)，通過(guò)以上調(diào)整和測(cè)量，驗(yàn)證了在閉環(huán)反饋的作用下，系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力變強(qiáng)。第六步：將比例環(huán)節(jié)換成積分調(diào)節(jié)器：即第二運(yùn)放的10KΩ改為100KΩ；47KΩ可變電阻改為10μF電容，調(diào)電位器RP2，確?？蛰d輸出為2.00V時(shí)再加載，測(cè)輸出電壓值。這一步是實(shí)驗(yàn)觀察積分調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)性能，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(huà)出本實(shí)驗(yàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的各個(gè)組成部分，并指出對(duì)應(yīng)元件。答：系統(tǒng)：被控對(duì)象：調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)：當(dāng)換成積分調(diào)節(jié)器時(shí)，調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)是10μF的電容。擾動(dòng)：擾動(dòng)是負(fù)載RL反饋：由于本系統(tǒng)中全部是電信號(hào)，因此沒(méi)有用到傳感器，反饋是一根導(dǎo)線設(shè)定電壓：（4）你認(rèn)為本實(shí)驗(yàn)最重要的器件是哪個(gè)？意義是什么？答：我認(rèn)為本實(shí)驗(yàn)最重要的器件是調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的器件。在前面兩個(gè)小實(shí)驗(yàn)中，開(kāi)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(gè)小實(shí)驗(yàn)中47K可變電阻是實(shí)驗(yàn)中最重要的器件。在第三個(gè)小實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)變成了積分調(diào)節(jié)器，因此10μF的電容式實(shí)驗(yàn)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，通過(guò)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(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，如果沒(méi)有調(diào)節(jié)器，只有反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)將無(wú)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(lài)于調(diào)節(jié)器對(duì)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（5）寫(xiě)出系統(tǒng)傳遞函數(shù)，用穩(wěn)定判據(jù)說(shuō)明可變電阻為8圈時(shí)數(shù)字表的現(xiàn)象和原因。答：首先，對(duì)于慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)的表達(dá)式是：所以，每一個(gè)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(gè)模塊的傳遞函數(shù)代入，化簡(jiǎn)后得到下面的系統(tǒng)傳遞函數(shù)：根據(jù)勞斯判據(jù)，S30.00095880.345S20.0337941+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：所以，求出R2的取值范圍：滿足以上條件時(shí)，系統(tǒng)才能夠穩(wěn)定。當(dāng)旋轉(zhuǎn)8圈時(shí)，的值超過(guò)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(diǎn)，因此系統(tǒng)不穩(wěn)定，但由于運(yùn)放有飽和電壓，因此，輸出并不會(huì)趨于無(wú)窮大，而是在一定的范圍內(nèi)振蕩。（6）比較表格中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，說(shuō)明開(kāi)環(huán)與閉環(huán)控制效果。答：開(kāi)環(huán)控制下，由于不對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，因此控制效果很差，僅僅靠運(yùn)放穩(wěn)壓調(diào)節(jié)是不能夠達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的，因此，在空載和負(fù)載下輸出值有很大的變化。閉環(huán)控制下，系統(tǒng)通過(guò)反饋，能夠?qū)_動(dòng)帶來(lái)的變化量減小甚至理想情況下消除，達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(kāi)環(huán)增益受到限制，開(kāi)環(huán)增益不能夠無(wú)限大，當(dāng)開(kāi)環(huán)增益超過(guò)一定的限度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生振蕩。（7）用表格數(shù)據(jù)說(shuō)明開(kāi)環(huán)增益與穩(wěn)態(tài)誤差的關(guān)系。答：根據(jù)表格數(shù)據(jù)：輸出電壓2.00V1.54V1.71V1.82V振蕩穩(wěn)態(tài)誤差—1.15V0.67V0.37V振蕩我們可以分析，得到如下結(jié)論：開(kāi)環(huán)增益越大，穩(wěn)態(tài)誤差越小，但開(kāi)環(huán)增益達(dá)到一定大小后，系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生