闭环电压控制系统研究

实验报告

课程名称：自动控制原理

实验名称：闭环电压控制系统研究

院（系）：能源与环境学院专业：热能与动力工程姓名：周宇盛学号：********

同组人员：董文实验时间：2012.11.22

评定成绩：审阅教师：

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、闭实验数据说明闭环控制效果

二、实验仪器

THBDC-1 实验平台

三、实现闭环负反馈的方法及原理

控制系统一般由一下几部分构成：被控对象，被调量，给定值，扰动，调节量，调节器，反馈环节等组成。控制就是消除扰动的影响，使被调量恢复到给定值的过程。在该实验中就是通过改变调节器（即改变47KΩ的圈数）来消除R L所带来的扰动。而控制作用的方向与被调量（数字电压表的输电压）的变化相反，这就是负反馈。从扰动R L 产生，使输出电压降低，通过改变调节器47KΩ的圈数，使被调量最终又回到给定值（2V）这个过程需要经历一段时间，这个过程称为调节过程。该试验的控制线路图、方框图如下：

闭环电压控制系统示意图

闭环，加1KΩ扰动电阻控制系统方框图

对应元件：①五个运算放大器（分别对应实验平台8、10、9、11、13）

②调节器47KΩ电位器③数字电压表

④输入电位器RP2 ⑤1KΩ电阻

⑥100KΩ的电阻

四、实验步骤

（1）如图接线，将线路接成开环形式，即比较器端100KΩ电阻接地。

将调节器47KΩ电位器左旋到底归零，再右旋1圈。经仔细检

查后上电。

（2）调电位器输入RP2，用实验仪上的数字电压表检测，确保输出电压为2V。（意义：确保空载输出电压为2V，即给定值）（3）按开环表格改变47KΩ圈数，并每次要调输入电位器RP2，在确保空载2V的条件下，再加上1KΩ的电阻扰动负载，测此不

同Kp时带负载电压表读数，填表。（意义：在给定值下，增加

扰动，在没有反馈的情况下，观察被调量输出电压与给定值的

偏差）

（4）正确判断并实现反馈！再闭环，即加法跳线接输出点，要调给定输入电位器RP2，使空载输出电压为2V。（意义：在闭环的

条件下，确定给定值输出电压=2V）

（5）按闭环表格改变47KΩ圈数，并每次要调电位器RP2，在确保

空载2V 的条件下，加上1K Ω的电阻扰动负载，测此各次电压表读数，填表。（意义：不断用调节器使被调量尽量回复到给定值，缩小偏差）

（6） 将第二个比例环节换成积分：取R=100K ；C=10μF ，在2V 时

加载，测输出电压值。(意义：将三阶系统改成四节系统，在没有比例环节的情况下，观察只有积分调节的作用的特点)

五、实验数据及分析

闭环负反馈分析： H(S)=-k

)

1051.0(55

.2)1094.0(1)12.0(2+-+-+-s s s

加1K Ω负载后传递函数G(s)=)(2

1

1)

(21

S H S H +

系统的特征方程为：（0.2s+1）(0.094s+1)(0.051s+1)+2.55k=0 化简得：0.0009588s 3+0.033794S 2+0.345S+1+2.55K=0

各系数都是同号的。列出劳斯列阵为： S 3 0.0009588 0.33794 S 2 0.034 1+2.55k S 1

034

.000244494.001053116.0K

- 0

S 0 1+2.55K

当K=19.2时，S 1的系数小于0，所以不稳定。 比例环节换成积分环节： H(S)=

s 1

-)

1051.0(55.2)1094.0(1)12.0(2+-+-+-s s s

加负载后：G(s)=)(2

1

1)

(21

S H S H +

系统的特征方程为s （0.2s+1）(0.094s+1)(0.051s+1)+2.55=0 化简得：0.0009588s 4+0.033794S 3+0.345S 2+S+2.55=0 各系数都是同号的。列出劳斯列阵为：

S 4 0.0009588 0.345 2.55 S 3 0.033794 1 S 2 0.316628 2.55 S 1 0.727836 0 S 0 2.55

无符号改变，无正跟，此时闭环系统稳定

六、实验总结

将第二个比例环节换成积分后，测得电压U=2V 。自动控制系统

中采用只有积分作用的调节器时，只要对象的被调量不等于给定值，执行器就会不停的动作，而且如果偏差e的数值越大，执行器输出值的变化速度也越快。只有当偏差等于零（即被调量等于给定值）时，调节过程才停止，调节系统才能平衡。调节过程如能结束，必定是没有偏差。这是使用积分调节作用的特点。

由表格数据，开环在加1KΩ的扰动后输出电压明显降低，且随着调节系数K P的改变对输出电压毫无影响。所以，随着开环增益K P 的改变，对稳态误差没有影响。而闭环在加1KΩ的扰动后虽然电压有降低，但没有开环严重，且随着调节量的改变，输出电压会越来越趋向于给定值。由稳态误差e=A／1+K P,以及表格数据说明，此时随着K P的不断增大，e不断减小，但K P越大，系统便会不稳定，如在47K Ω达到8圈时，输出电压便不稳定，这是由于比例系数的过分增大，虽使被调量离给定值越近，但会造成调节过程的反复震荡，最终使被调量永远也达不到给定值。综上所述，闭环会比开环更好，且K P越大，e越小。但K P过大，系统会不稳定。