实验一 闭环控制系统研究

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）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。

三、实验设备：

THBDC-1实验平台

四、实验线路图（模拟实物图）

五、实验步骤：

（1） 如图接线，将线路接成开环形式，即A点接地。将调节器K（47KΩ电位器）左旋

归零，再右旋一圈。经仔细检查后上电。

（2） 调电位器RP2，使输出电压为2V，用实验仪上的数字电压表检测。注意：极性开关

向下，阶跃按键压下。

加上1KΩ的电阻做扰动负载，测此时电压表读数，填表。

（3） 正确判断并实现反馈！（课堂选择性提问）再闭环，即连A-a点，

调电位器RP2，使输出电压为2V，用实验仪上的数字电压表检测。 加上1KΩ的电阻做扰动负载，测此时电压表读数，填表。

（4） 将调节器K转再右旋一圈，调电位器RP2，使输出电压为2V，用实验仪上的数字

电压表检测。

加上1KΩ的电阻做扰动负载，测此时电压表读数，填表。

（5） 将调节器K转再右旋二圈，调电位器RP2，使输出电压为2V，用实验仪上的数字

电压表检测。

加上1KΩ的电阻做扰动负载，测此时电压表读数，填表。

（6） 将调节器K转再右旋四圈，调电位器RP2，使输出电压为2V，用实验仪上的数字

电压表检测，仔细看数字电压否有稳定读数？

（7） 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：

开环 调节系数 输出电压 闭环 调节系数 输出电压 空载 2V 空载 2V K=1/10圈 K=1/10圈 加1KΩ负载 K=2/10圈 K=4/10圈 K=8/10圈 加1KΩ负载 K=2/10圈 K=4/10圈 K=8/10圈

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） 画出展示的磁悬浮控制系统功能框图，并指出各部分对应器件。 （4） 从自动控制原理角度，说明实验步骤（6）电压表读数的原因。 （5） 比较表格中的实验数据，说明闭环控制效果

（6） 用比拟手法说明电动自行车爬坡与表格的关系（设电动自行车有速度控制装置） （7） 表格与稳态误差的关系 （8） 按常规方式书写实验报告

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？

（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？ （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？