东南大学自动化学院
姓 名：专 业：组 别：设计时间：评定成绩：
《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： 自动化 实 验 室： 同组人员： 2014年10 月 31日
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、闭环实验数据说明闭环控制效果。
二、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。
（4）预习劳斯判据和稳态误差。
答：劳斯判据：假若劳斯阵列表中第一列系数均为正数，则该系统是稳定的，即特征方程所有的根均位于根平面的左半平面。假若第一列系数有负数，则第一列系数符号的改变次数等于在右半平面上根的个数。
稳态误差：
稳态误差按照产生的原因分为原理性误差和实际性误差两类： ①原理性误差为了跟踪输出量的期望值和由于外扰动作用的存在，控制系统在原理上必然存在的一类稳态误差。当原理性稳态误差为零时，控制系统称为无静差系统，否则称为有静差系统。原理性稳态误差能否消除，取决于系统的组成中是否包含积分环节（见控制系统的典型环节）。
②实际性误差系统的组成部件中的不完善因素（如摩擦、间隙、不灵敏区等）所造成的稳态误差。这种误差是不可能完全消除的，只能通过选用高精度的部件，提高系统的增益值等途径减小。
三、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。
四、实验设备
THBDC-1实验平台
五、实验线路图
六、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，即比较器接
输出一端的反馈电阻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，即系统增益Kp=0。再右旋1圈，阻值为4.7KΩ，Kp=2.4。经仔细检查后接通220伏电源，再打开+15、-15伏电源开关，弹起红色按键“不锁零”。
（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，并记录。
（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，测得各数据填表。 注意：为了数据可比性，加1 KΩ负载前必须保证电压是2.00V。稳态误差e是比较器的输出。
（4） 正确判断并实现反馈！（课堂提问）理解后闭环，即反馈端电阻100KΩ接系统输出。 （5） 按表格调可变电阻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：将第二运放的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后再加载，测输出电压值并记录。
七、实验数据
开环 开环增益 调4.7K电阻 输出电压 闭环 开环增益 调4.7K电阻 输出电压 VA 空载 2.00V 2.00V 1圈 （Kp=2.4） 1.54V -2.84V 1.32V 1.29V 1圈 （Kp=2.4） 1.01V 加1KΩ负载 2圈 （Kp=4.8） 1.00V 加1KΩ负载 2圈 （Kp=4.8） 1.71V -2.42V 0.72V 0.71V 4圈 （Kp=9.6） 1.82V -2.20V 0.38V 0.38V 8圈 （Kp=19.2） 振荡 振荡 振荡 振荡 4圈 （Kp=9.6） 1.00V 8圈 （Kp=19.2） 1.01V 稳态误差e （测量值） 稳态误差公式（计算值）
由上表格可知，稳态误差测量值与理论公式计算值非常接近，在误差允许范围内相等。 换成积分电路后，测得输出电压为2.00V。
八、实验分析
（1） 用文字叙说正确实现闭环负反馈的方法。
答：实现闭环负反馈，就是让输入和扰动下输出的变化量相互抵消，达到稳定输出的目的。实现反馈有如下四种方案：
1. 加减。 2. 正电压。
3. 增电压（变化量）。
4. 先闭环考察误差e，然后再作调整。 对于反馈系统，都是按照偏差控制的系统，偏差就是指输入信号与反馈信号之差，因此，正确的方案是增电压方法，就是考虑变化量的关系的方法。增电压的方法，是将电压的变化量作为参考量。通过输入和输出的变化量的关系，来判断反馈的方法，这个方法可以确保实现负反馈，即实现了通过反馈和输入偏差的抵消达到稳定输出的目的。
（2） 说明实验步骤（1）至（6）的意义。
答：第一步：将比较器端100KΩ电阻接地，是为了实现开环控制，构成开环系统；电位器左旋到底，再右旋一圈，是为了调节比例放大器的放大倍数。
第二步：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)
第三步：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。
第四步：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。
第五步：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。
第六步：将比例环节换成积分调节器，用于比较两种调节方式对于负载引入的微扰的影响，说明将比例环节换成积分环节，使输出更稳定。
（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。 答：
系统如下：
输入：
比较器：