东南大学自控实验3：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：院 （系）：姓 名：学 号：实验时间：评定成绩：审阅教师：

专 业：

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。

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：

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。

（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，找出原因。

（3） 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

（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，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。

（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。

表格： 开环 可调电阻 开环增益 输出电压（V） 闭环 可调电阻 开环增益 输入电压（v） 输出电压（v） 稳态误差 空载 2.00 2.00 1圈 （Kp=2.4） 2.86 1.54 1.32 1圈 （Kp=2.4） 1.00 加1KΩ负载 2圈 （Kp=4.8） 1.00 加1KΩ负载 2圈 （Kp=4.8） 2.41 1.71 0.7 4圈 （Kp=9.6） 2.20 1.83 0.37 8圈 （Kp=19.2） 震荡 震荡 — 4圈 （Kp=9.6） 1.01 8圈 （Kp=19.2） 1.01

六、问题分析：

（1） 用文字叙说正确实现闭环负反馈的方法。

答：答：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。实现的方法是：将信号的正向通道与反馈通路构成闭合回路，如果输入信号增加，测量反馈信号，若增加，就将输入信号与反馈信号构成剪发电路实现。反之构成加法电路实现。

（2） 说明实验步骤（1）至（6）的意义。

答：（1）将电路连成开环系统，即K=1/10

（2）使空载时输出电压为2V，并将2V作为输出基准电压

（3）在给定值下增加扰动。观察在没有负反馈的情况下，输出电压与给定值的偏差 （4）正确实现负反馈，确保在闭环条件下的基准电压为2V

（5）增大控制增益，并在2V基准电压下，对加入负载前后的输出电压进行测量并比较，可以看到偏差逐渐缩小

（6）将三阶系统改成四阶系统，在没有比例环节情况下，观察只有积分环节的作用

（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。 答：

（4） 你认为本实验最重要的器件是哪个？意义是什么？ 答：

（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。

答：

（6） 比较表格中的实验数据，说明开环与闭环控制效果。

答：

（7） 用表格数据说明开环增益与稳态误差的关系。 答

七、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：

（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：

（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：