自控实验3报告

东南大学能源与环境学院

实 验 报 告

课程名称： 热工过程自动控制原理

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： 曾骥敏 学 号： 03009427 实 验 室： 实验组别： 同组人员： 赵佳骏 实验时间：2011年 11月 11 日 评定成绩： 审阅教师：

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闭环电压控制系统研究实验报告 能源与环境学院 曾骥敏 03009427

目录

标题 页码 一、 实验目的 3 二、 实验原理 3 三、 实验设备 3 四、 实验线路图 3 五、 实验步骤 4 六、 实验表格与数据 4 七、 实验要求解答 5 八、 实验总结 8

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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

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五、实验步骤

（1）

如图接线，将线路接成开环形式，即比较器端接反馈的100KΩ电阻接地。将可变电阻470KΩ（必须接可变电阻上面两个插孔）左旋到底归零，再右旋1圈。经仔细检查后上电。打开15伏的直流电源开关，弹起“不锁零”红色按键。

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，找出原因。

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，2圈、4圈、8圈依次检测，填表 正确判断并实现反馈！再闭环，即反馈端电阻100KΩ接系统输出。

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，2圈、4圈、8圈依次检测，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。

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。

（2） （3） （4） （5）

（6）

六、实验表格与数据

开环 可调电阻 开环增益 输出电压 闭环 可调电阻 开环增益 输出电压 稳态误差

空载 2.00V 2.00V - 1圈 （Kp=2.4） 1.57V 0.43V 1圈 （Kp=2.4） 1.00V 加1KΩ负载 2圈 （Kp=4.8） 1.00V 加1KΩ负载 2圈 （Kp=4.8） 1.71V 0.29V 4圈 （Kp=9.6） 1.83V 0.17V 8圈 （Kp=19.2） 不稳定 - 4圈 （Kp=9.6） 0.99V 8圈 （Kp=19.2） 1.01V 4

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实验步骤（6）测得输出电压值为2.00V。

七、实验要求解答

（1） 用文字叙说正确实现闭环负反馈的方法。

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，而在此实验中，将实验标示有“开环”、“闭环”的开关闭合，便实现了闭环负反馈。

（2） 说明实验步骤（1）至（6）的意义。

实验步骤（1）至（3）表示的是在开环条件下，开环增益电阻逐渐增加的情况下测定输出的电压，从而得出稳态偏差。而实验步骤（4）至（5），表示在闭环条件下，增益电阻逐渐增加的情况下各测定输出的电压，从而得出稳态偏差。实验步骤（6）表示的是积分调节器的跟踪作用。

（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。

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（4） 你认为本实验最重要的器件是哪个？意义是什么？

积分调节器。意义是减小控制系统的偏差。

（5） 写出系统传递函数，用稳定判据说明可变电阻为8圈时数字表的现象和原因。

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（6） 比较表格中的实验数据，说明开环与闭环控制效果。

（7） 用表格数据说明开环增益与稳态误差的关系。

表格中数据显示，开环增益时，系统的稳态误差没有改变，所以开环增益与稳态误差无关。

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八、实验总结

此次实验，在上课理论的基础上进一步加深了我对积分调节作用的特点的印象。实验步骤（6）中，将第二个比例环节换成积分环节后，测得电压仍然为2.00V。而书上描述说，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就越快。只用当偏差等于0时，调节过程才停止，调节系统才能平衡。调节过程如果结束，则表示必定没有偏差。这就是积分调节的特点。

而实验中，闭环增益达到8圈时，测出的输出电压不稳定，这刚好可以用课堂上所学习的稳定性判据做判别，又一次加深了我对书上理论内容的理解。 （特别感谢此次实验课老师的悉心辅导和自控原理老师的课堂理论教导！）

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