驗(yàn)三閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)研究(1)通過實(shí)例展示，認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成、功能及自動(dòng)控制原理課程所要解決的問題。(2)會(huì)正確實(shí)現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋。(3)通過開、閉環(huán)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明閉環(huán)控制效果。(1)在實(shí)際控制系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，如何正確實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋閉環(huán)？的加減問題，它是通過增量法實(shí)現(xiàn)的，具體如下：2.輸入一個(gè)增或者減的變化量；3.相應(yīng)的，反饋?zhàn)兓繒?huì)有增減；(2)你認(rèn)為表格中加1KΩ載后，開環(huán)的電壓值與閉環(huán)的電壓值，哪個(gè)更接近2V？答：閉環(huán)更接近。因?yàn)樵陂_環(huán)系統(tǒng)下浮現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)前部份不會(huì)產(chǎn)生變化。故而系統(tǒng)不具有調(diào)很大，也就會(huì)與2V相去甚遠(yuǎn)。但在閉環(huán)系統(tǒng)下浮現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，由于有反饋的存在，擾動(dòng)產(chǎn)生的影響會(huì)被反饋到輸入端，系統(tǒng)就從輸入部份產(chǎn)生了調(diào)整，經(jīng)過調(diào)整后的電壓值會(huì)與2V相差更小些。(3)學(xué)自動(dòng)控制原理課程，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要設(shè)計(jì)哪一部份？答：應(yīng)當(dāng)是系統(tǒng)的整體框架及誤差調(diào)節(jié)部份。對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)，功能部份是“被控對(duì)象”部份，這部份可由對(duì)應(yīng)專業(yè)設(shè)計(jì)，反饋部份大多是傳感器，因此可由傳感器的專業(yè)設(shè)計(jì)，而自控原理關(guān)注(1)利用各種實(shí)際物理裝置(如電子裝置、機(jī)械裝置、化工裝置等)在數(shù)學(xué)上的“相似性”，將各種實(shí)際物理裝置從感興趣的角度經(jīng)過簡化、并抽象成相同的數(shù)學(xué)形式。我們?cè)谠O(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，不必研究每一種實(shí)際裝置，而用幾種“等價(jià)”的數(shù)學(xué)形式來表達(dá)、研究和設(shè)計(jì)。又由于人本身的自然屬性，人對(duì)數(shù)學(xué)而言，不能直接感受它的自然物理屬性，這給我們分析和設(shè)計(jì)帶來了艱難。所才不出門，遍知天下事”。實(shí)際上，在后面的課程里，不同專業(yè)的學(xué)生將面對(duì)不同的實(shí)際物理對(duì)替代各種實(shí)際物理對(duì)象。(2)自動(dòng)控制的根本是閉環(huán)，盡管有的系統(tǒng)不能直接感受到它的閉環(huán)形式，如步進(jìn)機(jī)電控制，專家系統(tǒng)等，從大局看，還是閉環(huán)。閉環(huán)控制可以帶來想象不到的好處，本實(shí)驗(yàn)就是用開環(huán)和閉環(huán)在負(fù)載擾動(dòng)下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，說明閉環(huán)控制效果。自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，其原因之一就是取決調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和算法的設(shè)計(jì)(本課程主要用串聯(lián)調(diào)節(jié)、狀態(tài)反饋)，本實(shí)驗(yàn)為了簡潔，采用單閉環(huán)、比例調(diào)節(jié)器K。通過實(shí)驗(yàn)證明：不同的K，對(duì)系性能產(chǎn)生不同的影響，以說明正確設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器算(3)為了使實(shí)驗(yàn)有代表性，本實(shí)驗(yàn)采用三階(高階)系統(tǒng)。這樣，當(dāng)調(diào)節(jié)器K值過大時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生典型的現(xiàn)象——振蕩。本實(shí)驗(yàn)也可以認(rèn)為是一個(gè)真正的電壓控制系統(tǒng)。(1)如圖接線，建議使用運(yùn)算放大器U8、U10、U9、U11、U13。先開環(huán)，即比較器一端的反饋電阻K(2)按下“階躍按鍵”鍵，調(diào)“負(fù)輸出”端電位器RP2，使“交/直流數(shù)字電壓表”的電壓為2.00V。如果調(diào)不到，則對(duì)開環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行逐級(jí)檢查，找出故障原因，并記下。(3)先按表格先調(diào)好可變電阻47KΩ的規(guī)定圈數(shù)，再調(diào)給定電位器RP2，在確?？蛰d輸出為2.00V的KΩ負(fù)載前必須保證此時(shí)的電壓是2.00V。(4)正確判斷并實(shí)現(xiàn)反饋！(課堂提問)再閉環(huán)，即反饋端電阻100KΩ接系統(tǒng)輸出。在可變電阻為8圈時(shí)數(shù)字表的現(xiàn)象。并用理論證明。環(huán)環(huán)可調(diào)電阻開環(huán)增益輸出電壓可調(diào)電阻開環(huán)增益輸出電壓可調(diào)電阻開環(huán)增益輸出電壓A計(jì)算值及測量值之間的誤差圈(Kp=19.2)2圈4圈(Kp=4.8)(Kp=9.6)(Kp=2.4)2圈4圈(Kp=4.82圈4圈(Kp=4.8)(Kp=9.6)(Kp=2.4)-2.42-2.20振蕩————(6)輸出電壓值U=1.98V。(1)用文字?jǐn)⒄f正確實(shí)現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋的方法。答：實(shí)現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋，就是讓輸入和擾動(dòng)下輸出的變化量相互抵消，達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。1.加減3.增電壓(變化量)對(duì)于反饋系統(tǒng)，都是按照偏差控制的系統(tǒng)，偏差就是指輸入信號(hào)與反饋信號(hào)之差，因此，正確的方案是增電壓方法，就是考慮變化量的關(guān)系的方法。增電壓的方法，是將電壓的變化量作為參考量。通過輸入和輸出的變化量的關(guān)系，來判斷反饋的方法，這個(gè)方法可以確保實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋，即實(shí)現(xiàn)了通過反饋和輸入偏差的抵消達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。(2)說明實(shí)驗(yàn)步驟(1)至(6)的意義。答：步驟(1)中將比較器端100KΩ電阻接地，是為了實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制。電位器左旋到底，再右旋一圈，是為了調(diào)節(jié)第二個(gè)比例放大器的放大倍數(shù)。步驟(3)是在開環(huán)控制的條件下，測量空載輸出為2V時(shí)，加負(fù)載時(shí)的電壓輸出值。與閉環(huán)控制條件下的測量值進(jìn)行比較，說明開環(huán)與閉環(huán)控制的差異。同時(shí)也為了說明在開環(huán)控制的條件下，Kp變化對(duì)輸出量沒有影響。步驟(5)是在閉環(huán)控制的條件下，測量空載輸出為2V時(shí)，加負(fù)載時(shí)的電壓輸出值，與開環(huán)控制進(jìn)行比較。同時(shí)也為了說明在閉環(huán)控制的條件下，Kp變化對(duì)輸出量的影響步驟(6)是為了說明將第二個(gè)比例環(huán)節(jié)換成積分環(huán)節(jié)，使輸出更穩(wěn)定。(3)畫出本實(shí)驗(yàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的各個(gè)組成部份，并指出對(duì)應(yīng)元件。反饋：由于本系統(tǒng)中全部是電信號(hào)，因此沒實(shí)用到傳感器，反饋是一根導(dǎo)線(4)你認(rèn)為本實(shí)驗(yàn)最重要的器件是哪個(gè)？意義是什么？阻，因此在前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，47K可變電阻是實(shí)驗(yàn)中最重要的器件。在第三個(gè)實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)變調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)在系統(tǒng)中起到了調(diào)節(jié)增益的作用，通過調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的作用，系統(tǒng)的放大倍數(shù)在改變。調(diào)節(jié)器本身就是控制系統(tǒng)的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，如果沒有調(diào)節(jié)器，惟獨(dú)反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)將無法達(dá)到控制調(diào)節(jié)的目的，系統(tǒng)在反饋之后主要依賴于調(diào)節(jié)器對(duì)變化量的調(diào)節(jié)，達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的，因此調(diào)節(jié)器這部份是最重要的。而且，調(diào)節(jié)器也是控制的主要體現(xiàn)。(5)寫出系統(tǒng)傳遞函數(shù)，用勞斯判據(jù)說明可變電阻為8圈時(shí)數(shù)字表的現(xiàn)象和原因。答：首先，對(duì)于慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)的表達(dá)式是：所以，每一個(gè)模塊的傳遞函數(shù)如下：G(s)=一K比例環(huán)節(jié)：1慣性環(huán)節(jié)：20.2s+130.094s+140.051s+11234將上面的各個(gè)模塊的傳遞函數(shù)代入，化簡后得到下面的系統(tǒng)傳遞函數(shù)：G(s)G(s)=0.0009588s3+0.033794s2+0.345s+1+5.1k如果系統(tǒng)穩(wěn)定，那末第一列都是正數(shù)，因此，求出K的范圍：K2.19R22KK=5.1KpKp滿足以上條件時(shí)，系統(tǒng)才干夠穩(wěn)定。K當(dāng)旋轉(zhuǎn)8圈時(shí)，p的值超過的穩(wěn)定的范圍，因此系統(tǒng)的傳遞函數(shù)浮現(xiàn)了虛軸右半邊的極點(diǎn)，因此系統(tǒng)不穩(wěn)定，但由于運(yùn)放有飽和電壓，因此，輸出并不會(huì)趨于無窮大，而是在一定的范圍內(nèi)振(6)比較表格中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，說明開環(huán)與閉環(huán)控制效果。答：開環(huán)控制下，由于不對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，因此控制效果很差，僅僅靠運(yùn)放穩(wěn)壓調(diào)節(jié)是不能夠達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的，因此，在空載和負(fù)載下輸出值有很大的變化。閉環(huán)控制下，系統(tǒng)通過反饋，能夠?qū)_動(dòng)帶來的變化量減小甚至理想情況下消除，達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出在閉環(huán)反饋情況下系統(tǒng)輸出有了明顯改善，特別是在積分調(diào)節(jié)器的作用下，系統(tǒng)輸出穩(wěn)定性很高。但閉環(huán)控制也有缺陷，就是開環(huán)增益受到限制，開環(huán)增益不能夠無限大，當(dāng)開環(huán)增益超過一定的限度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生振蕩。(7)用表格數(shù)據(jù)說明開環(huán)增益與穩(wěn)態(tài)誤差的關(guān)系。振蕩—穩(wěn)態(tài)誤差—我們可以分析，得到如下結(jié)論：開環(huán)增益越大，穩(wěn)態(tài)誤差越小，但開環(huán)增益達(dá)到一定大小后，系