东南大学自控实验报告实验三闭环电压控制系统研究.docx
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东南大学自控实验报告实验三闭环电压控制系统研究
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:
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:
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
2.00V
1.05V
1.04V
1.04V
1.04V
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
2.00V
1.54V
1.69V
1.83V
振荡
稳态误差e
1.30V
0.71V
0.37V
振荡
稳态误差计算值E
1.30V
0.71V
0.38V
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。
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:
(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:
所以,每一个模块的传递函数如下:
比例环节:
惯性环节:
反馈环节:
所以,系统的传递函数:
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:
根据劳斯判据,
S30.00095880.345
S20.0337941+5.1K
S10.345-0.0283719(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:
所以,求出R2的取值范围:
满足以上条件时,系统才能够稳定。
当旋转8圈时,
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
2.00V
1.30V
0.71V
0.37V
振荡
稳态误差
1.30V
0.71V
0.38V
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:
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。
2020-2-8