自动控制原理实验

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。
明在开环控制的条件下， Kp 变化对输出量没有影响。
步骤（ 5）是在闭环控制的条件下，测量空载输出为 2V 时，加负载时的电压输出值，
与开环控制进行比较。同时也为了说明在闭环控制的条件下，
Kp 变化对输出量的影
响
步骤（ 6）是为了说明将第二个比例环节换成积分环节，使输出更稳定。
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
（ 4） 你认为本实验最重要的器件是哪个？意义是什么？
答：最重要的是比例调节的器件。在前两个实验中，开环和闭环下的调节部分都是
47K 的可变电阻，因此在前两个实验中， 47K 可变电阻是实验中最重要的器件。 在第
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
（ 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。
0.38
A
-2.86
-2.90
-2.42
-2.20
振荡
计算稳态误差 e —
1.31
0.72
0.38
计算值及测量
—
值之间的误差
-0.75%
-1.37%
-2.56%
表格中，计算稳态误差 e 的公式为：
可见，计算出的稳态误差值 e 与测量出的 e 值误差较小，属于正常情况。
（6）输出电压值 U = 1.98V 。
1.00
4圈 （ Kp=9.6 ）
1.00
8圈 （ Kp=19.2 ）
1.00
闭环
加 1KΩ负载
可调电阻 开环增益 输出电压
2.00V
1圈 （ Kp=2.4 ）
1.54
2圈 （ Kp=4.8 ）
1.72
4圈 （ Kp=9.6 ）
1.85
8圈 （ Kp=19.2 ）
稳0.71
K 2.19
5.1 k
所以，求出 R2 的取值范围： R2
22K
K p
5.1 K
Kp 5.1 2.19 11.17
满足以上条件时，系统才能够稳定。
当旋转 8 圈时， Kp 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。
。
（ 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： 闭环更接近。因为在开环系统下出现扰动时，系统前部分不会产生变化。故而
系统不具有调节能力，对扰动的反应很大，也就会与
2V 相去甚远。
但在闭环系统下出现扰动时，由于有反馈的存在，扰动产生的影响会被反馈到输入
端，系统就从输入部分产生了调整，经过调整后的电压值会与
（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
10μ F 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。
开环
空载
表格：
加 1KΩ负载
可调电阻 开环增益 输出电压
2.00V
1圈 （ Kp=2.4 ）
1.00
2圈 （ Kp=4.8 ）
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 1 K Ω负载前必须保证此时的电压是 2.00V 。
自动控制原理实验 实验报告
实验三 闭环电压控制系统研究
学号
姓名
时间 2014 年 10 月 21 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。
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。
器也是控制的主要体现。
（ 5） 写出系统传递函数，用劳斯判据说明可变电阻为 答：首先，对于惯性环节，传递函数的表达式是：
G( s )
R2 R1 R2Cs 1
K Ts 1
所以，每一个模块的传递函数如下：
比例环节： G1( s )
K
G2( s)
惯性环节：
2 0.2 s 1
8 圈时数字表的现象和原因。
G3( s )
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
（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。
三个实验中，调节环节变成了积分调节器，因此
10μ F 的电容是最重要的器件。
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
2V 相差更小些。
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： 应当是系统的整体框架及误差调节部分。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。
（ 7） 用表格数据说明开环增益与稳态误差的关系。
答：
根据表格数据：
输出电压
2.00 V
1.55V
1.69 V
稳态误差
—
1.32 V
0.73 V
1.82 V 0.39 V
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：
1 0.094 s 1
G4( s )
2.55 0.051s 1
反馈环节： H( s ) 1
所以，系统的传递函数：
G( s )
G1( s )G2(s )G3( s )G4( s ) 1 H( s )G1( s )G2( s )G3( s )G4( s )
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：
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 4.7K Ω。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
G( s )
5.1 K 0.0009588 s 3 0.033794 s 2
根据劳斯判据，
S3 0.0009588
0.345