东南大学能源与环境学院
实验报告
课程名称：自动控制基础
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：周兴学号：03011127
实验室：418 实验组别：XX
同组人员：张亚丽实验时间：2013年10月30 日评定成绩：审阅教师：
目录
一．实验目的 (3)
二．实验设备 (3)
三．实验原理 (3)
四．实验线路图 (4)
五．实验步骤 (4)
六．报告要求 (5)
七．实验结果与分析 (5)
八．思考与回答 (11)
九．实验总结 (17)
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）学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．实验设备
1. THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验平台；
2. PC机一台(含上位机软件)、数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、采接卡接口线。
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）数学上的“相似性”，将各种实际物理装置经过简化、并抽象成数学形式。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，人对纯数学而言，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、仿真的形式把纯数学形式再变成“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装置，而“模拟实物”的实验方式可以举一反三，我们就是用下列“模拟实物”——电路，也有实际物理装置——电机，替代各种实际物理装置。
（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，两个演示实例说明这一点。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（本课程主要用串联校正、极点配置），本实验为了简洁，采用单闭环、比例算法K。通过实验证明：不同的统K，对系性能产生不同的影响。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。本实验可以认为是真实
的电压控制系统。
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100KΩ电阻接地。将调节器47KΩ电位器（接上面两个孔）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。
注意：极性开关向下，阶跃按键取按下状态。
（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。
（4）正确判断并实现反馈！（课堂选择性提问）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。
（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1KΩ的电阻扰动负载，测此各次电压表读数，填表。
要注意8圈时数字表的现象。并用理论证明。
（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。
表格:
六．报告要求
（1）用文字叙说正确实现闭环负反馈的方法。
（2）说明实验步骤（1）至（6）的意义。
（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。
（4）本实验最重要的器件是哪个？意义是什么？
（5）用稳定判据说明实验步骤（6）电压表读数的原因。
（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。
七．实验结果与分析
比例环节换成积分调节器：即第二运放的10K改为100K；47K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U = 1.99V。
（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：接线，首先是按照设计好的系统图将各个原件连接成模块，然后将各个模块连接起来。第一步连接之后，将线路接成开环形式，即第一个环节的比较器接反馈的100KΩ电阻接地，为下一步的开环实验作出准备。在第一步接线中，接入的是可变电阻470KΩ是用来调整开环增益的，为后面步骤中测量不同增益下稳态误差的变化。打开15伏的直流电源开关，用于系统供电。弹起“不锁零”红色按键，这是因为实验中需要使用电容，“锁零”使得电容不起作用，因此应该放到“不锁零”上。
第二步：按下“阶跃按键”键，这一动作是给系统一个阶跃输入，本实验主要考察电压控制，即系统在直流阶跃输入作用下的输出。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。从测量数据看，输出电压随扰动变化很大，一个好的系统应该具有良好的扰动能力，即在扰动情况下的输出变化很小，理想的系统在扰动下输
