第一篇：狀態(tài)反饋控制器設(shè)計

第五章 狀態(tài)反饋控制器的設(shè)計

題目：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：

u1s?61s?121sy

要求：閉環(huán)系統(tǒng)的輸出超調(diào)量?≤5%，峰值時間tp≤0.5s。分別求出開環(huán)、PID閉環(huán)、狀態(tài)反饋閉環(huán)、PID/狀態(tài)反饋閉環(huán)的單位階躍響應(yīng)，并分析相應(yīng)曲線得出結(jié)論。

1．開環(huán)系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)

圖 1 開環(huán)系統(tǒng)仿真模型

1.4開環(huán)系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線1.210.8階躍響應(yīng)0.60.40.20050100150200仿真時間（s）250300350400 圖2 開環(huán)系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)

分析：由圖中的響應(yīng)曲線可知開環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定，通過開環(huán)傳遞函數(shù)GK（s）=可以判斷出開環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。

1也32s?18s?72s2．閉環(huán)傳遞函數(shù)及其單位階躍響應(yīng)

（1）閉環(huán)傳遞函數(shù)GB(s)=

1，特征根分別為?1=-12.0138，?2=-5.9722，32s?18s?72s?1?3=-0.0139。

（2）閉環(huán)傳遞函數(shù)仿真模型及其單位階躍響應(yīng)曲線見圖

3、圖4。

圖3 閉環(huán)傳遞函數(shù)仿真模型

圖4 閉環(huán)傳遞函數(shù)單位階躍響應(yīng)

分析：響應(yīng)曲線表明，系統(tǒng)是穩(wěn)定的，但是系統(tǒng)的響應(yīng)時間太長，遠達不到要求。

3．加入PID控制器，并進行參數(shù)整定后的單位階躍響應(yīng)

圖 5 PID控制仿真模型

其中參數(shù)設(shè)置為： K p =256.8，K i =0.2，K d=23.2。

圖6 PID閉環(huán)控制輸出波形圖

分析：通過Workspace數(shù)據(jù)查詢可知峰值時間tp=0.98686s，最大輸出值為1.0485，所以超調(diào)量為4.85%，滿足要求，峰值時間達不到要求。

4．加入狀態(tài)反饋控制器的單位階躍響應(yīng)

圖7 狀態(tài)反饋控制仿真模型

其中H1 到H3依次為10000、284.8、96.1。

1.2x 10-4Unit Step Response10.8Output0.60.40.2000.10.20.30.40.5time(sec)0.60.70.8

圖8 狀態(tài)反饋控制單位階躍響應(yīng) 分析：通過Workspace數(shù)據(jù)查詢可知峰值時間tp=0.4492s，最大輸出值為1.0449，所以超調(diào)量為4.49%，滿足性能指標(biāo)要求。

5．狀態(tài)反饋/PID控制的單位階躍響應(yīng)

圖9 狀態(tài)反饋/PID控制仿真模型

其中PID參數(shù)設(shè)置為： K p =1.05，K i =0.01，K d=0；狀態(tài)反饋控制H1 到H3依次為10000、284.8、96.1。

圖10 狀態(tài)反饋/PID控制單位階躍響應(yīng)

分析：通過Workspace數(shù)據(jù)查詢可知峰值時間tp=0.4446s，最大輸出值為1.0443，所以超調(diào)量為4.43%，滿足性能指標(biāo)要求。

總結(jié)：

綜合比較，狀態(tài)反饋控制設(shè)計簡單，比較容易實現(xiàn)系統(tǒng)要求的指標(biāo)，在本次調(diào)試過程當(dāng)中，雖然PID/狀態(tài)反饋控制最后的峰值時間和超調(diào)量比單純的狀態(tài)反饋控制要小，但是相差不大且系統(tǒng)復(fù)雜，PID調(diào)節(jié)也需要實際的經(jīng)驗，才能調(diào)試出理想的響應(yīng)曲線。

第二篇：開題報告-倒立擺系統(tǒng)狀態(tài)反饋控制器的設(shè)計

開題報告

電氣工程及自動化

倒立擺系統(tǒng)狀態(tài)反饋控制器的設(shè)計

一、綜述本課題國內(nèi)外研究動態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義

倒立擺作為一個研究控制理論的實驗裝置，其系統(tǒng)具有高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性和強耦合等特性，現(xiàn)代控制理論的研究人員將它視為典型的研究對象，這是因為倒立擺的控制過程能有效地反映控制中的許多關(guān)鍵問題，問題、隨動問題以及跟蹤問題。并且可以不斷從中發(fā)掘出新的控制策略和控制方法。二十世紀(jì)九十年代以來，更加復(fù)雜多種形式的倒立擺系統(tǒng)成為控制理論研究領(lǐng)域的熱點。隨著擺桿上端繼續(xù)再鉸鏈另外的擺桿，控制難度將不斷增大。因此，多級倒立擺的高度非線性和不確定性，使其控制穩(wěn)定成為控制界公認(rèn)的難題。

許多新的控制理論，都通過倒立擺實驗加以驗證，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、擬人控制都受到倒立擺的檢驗。通過對倒立擺的控制，我們能用來檢驗新的控制方法是否有較強的處理非線性和不穩(wěn)定性問題的能力。因此倒立擺具有重要的理論價值。該課題的研究一直受到國內(nèi)外者的廣泛關(guān)注，成為控制熱門研究課題之一。

在國外，對倒立擺系統(tǒng)穩(wěn)定控制的研究始于60年代，我國則從70年代中期開始研究。對倒立擺系統(tǒng)的研究，主要是對兩個問題進行考慮。一個是如何使倒立擺起擺；另一個是如何使倒立擺穩(wěn)定擺動。目前，對這兩個問題的研究非常熱門。很多學(xué)者已對這兩個問題提出了不同的控制方法。

倒立擺起擺就是倒立擺系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個平衡狀態(tài)。在這個過程中既要起擺快速，又不能有過大的超調(diào)。倒立擺起始擺動有許多控制方法，其中最主要的是能量控制、最優(yōu)控制、智能控制。目前有已有幾種方法成功實現(xiàn)倒立擺的起擺控制，這些方法都是基于非線性理論的控制方法。

倒立擺穩(wěn)定控制的研究也一樣熱門，且也有一定的成果。國內(nèi)外專家學(xué)者根據(jù)經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論應(yīng)用極點配置法，設(shè)計模擬控制器，先后解決了單級倒立擺與二級倒立擺的穩(wěn)定控制問題。隨著計算機的廣泛應(yīng)用，又陸續(xù)實現(xiàn)了數(shù)控二級倒立擺的穩(wěn)定控制。目前對四級倒立擺的控制的研究也已經(jīng)開始研究并取得了一定的成就。

用不同的控制方法控制不同類型的倒立擺，已經(jīng)成為了最具有挑戰(zhàn)性的課題之一。國內(nèi)外對倒立擺系統(tǒng)提出并實現(xiàn)多種控制方法，狀態(tài)反饋控制是其中的一種。狀態(tài)反饋控制實際上指系統(tǒng)的狀態(tài)變量通過比例環(huán)節(jié)送到輸入端去的反饋方式。狀態(tài)反饋控制方式體現(xiàn)了現(xiàn)代控制理論的特色。狀態(tài)反饋中的狀態(tài)變量能較好地反映系統(tǒng)的內(nèi)部特性，所以狀態(tài)反饋控制比輸出反饋控制能更好地改善系統(tǒng)的性能。因為狀態(tài)反饋的狀態(tài)變量反映的是系統(tǒng)內(nèi)部特性，故狀態(tài)變量一般很難從外部直接測量出。

對倒立擺機理的研究具有重要的理論和實際意義，成為控制理論中經(jīng)久不衰的研究課題。倒立擺系統(tǒng)不僅具有結(jié)構(gòu)簡單、原理清晰、易于實現(xiàn)等特點，而且可以用與它有關(guān)的實驗來研究控制理論中許多典型問題，這主要是因為它是一個典型的多變量系統(tǒng)。許多理論都可以用在這樣的非線性系統(tǒng)，這些理論有觀測器理論、狀態(tài)反饋理論和濾波理論等。航天、機器人領(lǐng)域、軍工還有一般工業(yè)過程基本上都用到了控制倒立擺系統(tǒng)所用到的方法，如控制火箭發(fā)射垂直度、控制機器人平衡行走和控制衛(wèi)星飛行姿態(tài)等。

另一方面對系統(tǒng)的研究也比較有實用價值。日常生活中的一些控制問題和倒立擺控制都很相像，如我們所見到的任何重心在上、支點在下的控制問題，控制空間飛行器和各類伺服云臺使之穩(wěn)定的問題。因此對倒立擺的穩(wěn)定控制在航天、機器人領(lǐng)域、軍工還有一般工業(yè)過程領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用，如穩(wěn)定控制衛(wèi)星發(fā)射架、穩(wěn)定控制海上鉆井平臺、控制火箭衛(wèi)星姿態(tài)、控制機器人雙足行走、控制飛機安全著陸和控制化工過程等都是很好的例子。

除此之外，我們可以利用倒立擺系統(tǒng)的非線性、多變量、不穩(wěn)定等特性來描述線性控制領(lǐng)域中不穩(wěn)定系統(tǒng)的穩(wěn)定性和非線性控制領(lǐng)域中的非線性觀測器、無源性控制、變結(jié)構(gòu)控制、摩擦補償、自由行走等控制思想，而且新的控制理論和控制方法也可以被我們發(fā)掘出來。相關(guān)的成果在機器人和航空航天等方面獲得了廣闊的應(yīng)用。

二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題：

由于倒立擺系統(tǒng)本身的不穩(wěn)定和非線性，雖然可根據(jù)工作機理或運行經(jīng)驗給出某種數(shù)學(xué)模型，但在控制中難免會有不精確的地方，這樣就給我們在設(shè)計和調(diào)試時帶來許多困難。使倒立擺能正常擺動，是我們控制的目標(biāo)。

因此，本次研究的基本內(nèi)容就是要解決倒立擺正常穩(wěn)定擺動的問題。所用的方法就是用極點配置法和線性最優(yōu)控制理論LQR算法來設(shè)計狀態(tài)反饋控制器，從而對倒立擺進行有效控制。

要解決的主要問題有以下幾點

（1）

要知道控制對象。

（2）

如何來設(shè)狀態(tài)反饋控制器。

（3）

要達到何種程度的控制精度。

（4）

通過何種途徑來驗證控制是否滿足設(shè)計要求。

三、研究步驟、方法及措施：

（1）以固高小車直線一級倒立擺系統(tǒng)為研究對象，對其進行數(shù)學(xué)建模。

（2）了解狀態(tài)反饋控制的基本理論，掌握用狀態(tài)反饋控制控制器的設(shè)計方法，并對具體對象用極點配置法和線性最優(yōu)控制理論LQR算法來設(shè)計狀態(tài)反饋控制控制器。

（3）通過應(yīng)用狀態(tài)反饋控制理論對對象進行狀態(tài)反饋控制控制器設(shè)計之后，對其進行MATLAB仿真，并實現(xiàn)實時控制。

（4）通過觀察仿真圖形及實時控制情況，看是否滿足控制要求，如果不滿足則通過更該控制器中的參數(shù)再對其進行仿真，直到使得仿真結(jié)果滿足設(shè)計要求為止。

四、參考文獻

[1]張彬.小車倒立擺系統(tǒng)擺起與穩(wěn)定控制研究[D].青島大學(xué),2009.[2]焦靈俠.模糊控制在倒立擺系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].西安工業(yè)大學(xué),2010.[3]郭釗俠,方建安,苗清影.倒立擺系統(tǒng)及其智能控制研究[J].東華大學(xué)學(xué)報,2003，29(2):122~125.[4]薛安克,王俊宏,柴利等.倒立擺控制仿真與試驗研究現(xiàn)狀[D].杭州電子工業(yè)學(xué)院智能信息與控制技術(shù)研究所,2003.[5]趙世敏.倒立擺控制系統(tǒng)試驗指導(dǎo)書[M].清華大學(xué)自動化系,2007.[6]劉微微,張靜.單級倒立擺LQR控制方法的魯棒穩(wěn)定性分析[J].黑龍江水專學(xué)報,2010,37(2):105-108.[7]焦靈俠,張荷芳.二級倒立擺的模糊控制研究[D].電子設(shè)計工程,2009.[8]邢景虎,陳其工,江明.基于LQR的直線一級倒立擺最優(yōu)控制系統(tǒng)研究[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2007(6):3-5.

第三篇：基于傳遞函數(shù)的控制器設(shè)計

【實驗名稱】

基于傳遞函數(shù)的控制器設(shè)計

【實驗?zāi)康摹?/p>

1．熟練掌握用MATLAB語句繪制頻域曲線。2．掌握控制系統(tǒng)頻域范圍內(nèi)的分析校正方法。

3．掌握用頻率特性法進行串聯(lián)校正設(shè)計的思路和步驟?！緦嶒炘怼?/p>

控制系統(tǒng)設(shè)計的思路之一就是在原系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上，對原特性加以校正，使之達到要求的性能指標(biāo)。最常用的經(jīng)典校正方法有根軌跡法和頻域法。而常用的串聯(lián)校正裝置有超前校正、滯后校正和超前滯后校正裝置。本實驗主要討論在MATLAB環(huán)境下進行串聯(lián)校正設(shè)計。

1．基于頻率法的串聯(lián)超前校正

超前校正裝置的主要作用是通過其相位超前效應(yīng)來改變頻率響應(yīng)曲線的形狀，產(chǎn)生足夠大的相位超前角，以補償原來系統(tǒng)中元件造成的過大的相位滯后。因此校正時應(yīng)使校正裝置的最大超前相位角出現(xiàn)在校正后系統(tǒng)的開環(huán)截止頻率?c處。

例9-1：單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)?K，試確定串聯(lián)校正

s(s?1)裝置的特性，使系統(tǒng)滿足在斜坡函數(shù)作用下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差小于0.1，相角裕度r?450。

解：根據(jù)系統(tǒng)靜態(tài)精度的要求，選擇開環(huán)增益

1s2k1?s(s?1)ess?LimsE(s)?Lims?s?0s?0?0.1?K?10

取K?12，求原系統(tǒng)的相角裕度。>>num0=12;

den0=[2,1,0];

w=0.1:1000;[gm1,pm1,wcg1,wcp1]=margin(num0,den0);

[mag1,phase1]=bode(num0,den0,w);[gm1,pm1,wcg1,wcp1] margin(num0,den0)

%計算系統(tǒng)的相角裕度和幅值裕度，并繪制出Bode圖

grid;ans =

Inf

11.6548

Inf

2.4240 由結(jié)果可知，原系統(tǒng)相角裕度r?11.6，?c?2.4rad/s，不滿足指標(biāo)要求，系

0統(tǒng)的Bode圖如圖9-1所示?？紤]采用串聯(lián)超前校正裝置，以增加系統(tǒng)的相角裕度。

確定串聯(lián)裝置所需要增加的超前相位角及求得的校正裝置參數(shù)。

?c????0??(??450,?0為原系統(tǒng)的相角裕度,?取50,令?m??c)

??1?sin?m

1?sin?me=5;r=45;r0=pm1;phic=(r-r0+e)*pi/180;alpha=(1+sin(phic))/(1-sin(phic));將校正裝置的最大超前角處的頻率?m作為校正后系統(tǒng)的剪切頻率?c。則有：

20lgGc(j?c)G0(j?c)?0?G0(j?c)?圖9-1 原系統(tǒng)的Bode圖

1?

即原系統(tǒng)幅頻特性幅值等于?20lg?時的頻率，選為?c。

根據(jù)?m=?c，求出校正裝置的參數(shù)T。即T? [il,ii]=min(abs(mag1-1/sqrt(alpha)));wc=w(ii);T=1/(wc*sqrt(alpha));numc=[alpha*T,1];denc=[T,1];[num,den]=series(num0,den0,numc,denc);

%原系統(tǒng)與校正裝置串聯(lián)

1?c?。[gm,pm,wcg,wcp]=margin(num,den);%返回系統(tǒng)新的相角裕度和幅值裕度

printsys(numc,denc)

%顯示校正裝置的傳遞函數(shù)

disp(’校正之后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:’);printsys(num,den)

%顯示系統(tǒng)新的傳遞函數(shù)

[mag2,phase2]=bode(numc,denc,w);%計算指定頻率內(nèi)校正裝置的相角范圍和幅值范圍

[mag,phase]=bode(num,den,w);%計算指定頻率內(nèi)系統(tǒng)新的相角范圍和幅值范圍

subplot(2,1,1);semilogx(w,20*log10(mag),w,20*log10(mag1),’--’,w,20*log10(mag2),’-.’);grid;

ylabel(’幅值(db)’);

title(’--Go,-Gc,GoGc’);subplot(2,1,2);

semilogx(w,phase,w,phase1,’--’,w,phase2,’-’,w,(w-180-w),’:’);grid;

ylabel(’相位(0)’);xlabel(’頻率(rad/sec)’);title([‘校正前：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm1)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm1),’0’;’校正后：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm),’0’]);

圖9-2 系統(tǒng)校正前后的傳遞函數(shù)及Bode圖 2．基于頻率法的串聯(lián)滯后校正

滯后校正裝置將給系統(tǒng)帶來滯后相角。引入滯后裝置的真正目的不是為了提供一個滯后相角，而是要使系統(tǒng)增益適當(dāng)衰減，以便提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。

滯后校正的設(shè)計主要是利用它的高頻衰減作用，降低系統(tǒng)的截止頻率，以便能使得系統(tǒng)獲得充分的相位裕量。

例5-2：單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為，G(s)?K

s(0.1s?1)(0.2s?1)試確定串聯(lián)校正裝置的特性，使校正后系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)等于30/s，相角裕度r?400，幅值裕量不小于10dB，截止頻率不小于2.3rad/s。

解：根據(jù)系統(tǒng)靜態(tài)精度的要求，選擇開環(huán)增益

Kv?LimsG(s)?Lims?s?0s?0K?30?K?30

s(0.1s?1)(0.2s?1)利用MATLAB繪制原系統(tǒng)的bode圖和相應(yīng)的穩(wěn)定裕度。

>>num0=30;

den0=conv([1,0],conv([0.1,1],[0.2,1]));

w=logspace(-1,1.2);[gm1,pm1,wcg1,wcp1]=margin(num0,den0);[mag1,phase1]=bode(num0,den0,w);[gm1,pm1,wcg1,wcp1] margin(num0,den0)

grid;

ans =

0.5000-17.2390 7.0711

9.7714 由結(jié)果可知，原系統(tǒng)不穩(wěn)定，且截止頻率遠大于要求值。系統(tǒng)的Bode圖如圖5-3所示，考慮采用串聯(lián)超前校正無法滿足要求，故選用滯后校正裝置。

根據(jù)對相位裕量的要求，選擇相角為???1800????(??50~100,??400)處的頻率作為校正后系統(tǒng)的截止頻率?c。確定原系統(tǒng)在新?c處的幅值衰減到0dB時所需的衰減量為?20lg?。一般取校正裝置的轉(zhuǎn)折頻率分別為

圖9-3 原系統(tǒng)的Bode圖

1111?(~)?c和。T510?Te=10;r=40;r0=pm1;phi=(-180+r+e);[il,ii]=min(abs(phase1-phi));

wc=w(ii);beit=mag1(ii);T=10/wc;

numc=[ T,1];denc=[ beit*T,1];

[num,den]=series(num0,den0,numc,denc);%原系統(tǒng)與校正裝置串聯(lián)

[gm,pm,wcg,wcp]=margin(num,den);%返回系統(tǒng)新的相角裕度和幅值裕度

printsys(numc,denc)

%顯示校正裝置的傳遞函數(shù)

disp(’校正之后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:’);

printsys(num,den)

%顯示系統(tǒng)新的傳遞函數(shù)

[mag2,phase2]=bode(numc,denc,w);%計算指定頻率內(nèi)校正裝置的相角范圍和幅值范圍

[mag,phase]=bode(num,den,w);%計算指定頻率內(nèi)系統(tǒng)新的相角范圍和幅值范圍

subplot(2,1,1);semilogx(w,20*log10(mag),w,20*log10(mag1),’--’,w,20*log10(mag2),’-.’);grid;

ylabel(’幅值(db)’);

title(’--Go,-Gc,GoGc’);subplot(2,1,2);

semilogx(w,phase,w,phase1,’--’,w,phase2,’-’,w,(w-180-w),’:’);grid;

ylabel(’相位(0)’);xlabel(’頻率(rad/sec)’);title([‘校正前：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm1)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm1),’0’;’校正后：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm),’0’]);

圖9-4 系統(tǒng)校正前后的傳遞函數(shù)及Bode圖

3．基于頻率法的串聯(lián)滯后-超前校正

滯后-超前校正裝置綜合了超前校正和滯后校正的優(yōu)點，從而改善了系統(tǒng)的性能。

例9-3：單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)?K，若要求

s(s?1)(0.4s?1)相角裕度r?450，幅值裕量大于10dB，Kv?10(1/s)，試確定串聯(lián)校正裝置的特性。

解：根據(jù)系統(tǒng)靜態(tài)精度的要求，選擇開環(huán)增益

Kv?LimsG(s)?K?10

s?0利用MATLAB繪制原系統(tǒng)的bode圖和相應(yīng)的穩(wěn)定裕度，如圖5-5所示。>>num0=10;

den0=conv([1,0],conv([1,1],[0.4,1]));w=logspace(-1,1.2);[gm1,pm1,wcg1,wcp1]=margin(num0,den0);[mag1,phase1]=bode(num0,den0,w);[gm1,pm1,wcg1,wcp1] margin(num0,den0)

grid;

ans = 0.3500-24.1918 1.5811 2.5520

圖9-5 原系統(tǒng)的Bode圖

由結(jié)果可以看出，單級超前裝置難以滿足要求，故設(shè)計一個串聯(lián)滯后-超前裝置。

選擇原系統(tǒng)?1800的頻率為新的截止頻率?c，則可以確定滯后部分的T2和?。其中

111，??10。由原系統(tǒng)，?c?1.58rad/s，此時的幅值為??c?T2?T2100.1?c9.12dB。

根據(jù)校正后系統(tǒng)在新的幅值交接頻率處的幅值必須為0dB，確定超前校正部分的T1。在原系統(tǒng)(?c,?20lgG0(j?c))，即（1.58,-9.12）處畫一條斜率為20dB/dec的直線，此直線與0dB線及-20dB線的交點分別為超前校正部分的兩個轉(zhuǎn)折頻率。

wc=1.58;beit=10;T2=10/wc;lw=20*log10(w/1.58)-9.12;[il,ii]=min(abs(lw+20));

w1=w(ii);numc1=[1/w1,1];denc1=[1/(beit*w1),1];numc2=[ T2,1];denc2=[ beit*T2,1];[numc,denc]=series(numc1,denc1,numc2,denc2);[num,den]=series(num0,den0,numc,denc);printsys(numc,denc)

disp(’校正之后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:’);printsys(num,den)

[mag2,phase2]=bode(numc,denc,w);[mag,phase]=bode(num,den,w);

[gm,pm,wcg,wcp]=margin(num,den);

subplot(2,1,1);semilogx(w,20*log10(mag),w,20*log10(mag1),’--’,w,20*log10(mag2),’-.’);grid;

ylabel(’幅值(db)’);

title(’--Go,-Gc,GoGc’);subplot(2,1,2);semilogx(w,phase,w,phase1,’--’,w,phase2,’-’,w,(w-180-w),’:’);

grid;

ylabel(’相位(0)’);xlabel(’頻率(rad/sec)’);title([‘校正后：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm),’0’]);

圖9-6 系統(tǒng)校正前后的傳遞函數(shù)及Bode圖

三、實驗內(nèi)容

1．某單位負反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)?4，試設(shè)計一超前

s(s?1)校正裝置，使校正后系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)Kv?20s?1，相位裕量??500，增益裕量20lgKg?10dB。

解：根據(jù)系統(tǒng)靜態(tài)精度的要求，選擇開環(huán)增益

Kv?LimsG(s)?4K?20?K?5

s?0利用MATLAB繪制原系統(tǒng)的bode圖和相應(yīng)的穩(wěn)定裕度，如下圖所示。>>num0=[20];

den0=[1 1 0];w=logspace(-1,1.2);[gm1,pm1,wcg1,wcp1]=margin(num0,den0);[mag1,phase1]=bode(num0,den0,w);[gm1,pm1,wcg1,wcp1] margin(num0,den0)

ans =

Inf

12.7580

Inf

4.4165

0由結(jié)果可知，原系統(tǒng)相角裕度r?12.758，?c?4.4165rad/s，不滿足指標(biāo)要求，系統(tǒng)的Bode圖如下圖所示。考慮采用串聯(lián)超前校正裝置，以增加系統(tǒng)的相角裕度。

確定串聯(lián)裝置所需要增加的超前相位角及求得的校正裝置參數(shù)。

?c????0??(??450,?0為原系統(tǒng)的相角裕度,?取100,令?m??c)

??1?sin?m

1?sin?me=10;r=50;r0=pm1;phic=(r-r0+e)*pi/180;alpha=(1+sin(phic))/(1-sin(phic));將校正裝置的最大超前角處的頻率?m作為校正后系統(tǒng)的剪切頻率?c。則有：

20lgGc(j?c)G0(j?c)?0?G0(j?c)?1?

即原系統(tǒng)幅頻特性幅值等于?20lg?時的頻率，選為?c。

根據(jù)?m=?c，求出校正裝置的參數(shù)T。即T?1?c?。

[il,ii]=min(abs(mag1-1/sqrt(alpha)));wc=w(ii);T=1/(wc*sqrt(alpha));numc=[alpha*T,1];denc=[T,1];[num,den]=series(num0,den0,numc,denc);

%原系統(tǒng)與校正裝置串聯(lián)

[gm,pm,wcg,wcp]=margin(num,den);%返回系統(tǒng)新的相角裕度和幅值裕度

printsys(numc,denc)

%顯示校正裝置的傳遞函數(shù)

disp('校正之后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:');printsys(num,den)

%顯示系統(tǒng)新的傳遞函數(shù)

[mag2,phase2]=bode(numc,denc,w);%計算指定頻率內(nèi)校正裝置的相角范圍和幅值范圍

[mag,phase]=bode(num,den,w);%計算指定頻率內(nèi)系統(tǒng)新的相角范圍和幅值范圍

subplot(2,1,1);semilogx(w,20*log10(mag),w,20*log10(mag1),’--’,w,20*log10(mag2),’-.’);grid;

ylabel(’幅值(db)’);

title(’--Go,-Gc,GoGc’);subplot(2,1,2);

semilogx(w,phase,w,phase1,’--’,w,phase2,’-’,w,(w-180-w),’:’);grid;

ylabel(’相位(0)’);xlabel(’頻率(rad/sec)’);title([‘校正前：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm1)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm1),’0’;’校正后：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm),’0’]);

num/den =

0.32589 s + 1

----------------

0.06387 s + 1 校正之后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:

num/den =

6.5178 s + 20

-----

0.06387 s^3 + 1.0639 s^2 + s

2．某單位負反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)?k，試設(shè)計一個合3(s?1)適的滯后校正網(wǎng)絡(luò)，使系統(tǒng)階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差約為0.04，相角裕量約為450。

解：根據(jù)系統(tǒng)靜態(tài)精度的要求，選擇開環(huán)增益

1sk1?(s?1)3ess?LimsE(s)?Lims?s?0s?0?0.04?K?24

利用MATLAB繪制原系統(tǒng)的bode圖和相應(yīng)的穩(wěn)定裕度，如圖下所示。>>num0=24;

den0=conv([1,1],conv([1,1],[1,1]));w=logspace(-1,1.2);[gm1,pm1,wcg1,wcp1]=margin(num0,den0);[mag1,phase1]=bode(num0,den0,w);[gm1,pm1,wcg1,wcp1] margin(num0,den0)

grid;

由結(jié)果可知，原系統(tǒng)不穩(wěn)定。系統(tǒng)的Bode圖如圖所示，考慮采用串聯(lián)超前校正無法滿足要求，故選用滯后校正裝置。

根據(jù)對相位裕量的要求，選擇相角為???1800????(??50~100,??400)處的頻率作為校正后系統(tǒng)的截止頻率?c。確定原系統(tǒng)在新?c處的幅值衰減到0dB時所需的衰減量為?20lg?。一般取校正裝置的轉(zhuǎn)折頻率分別為1111?(~)?c和。T510?Te=10;r=45;r0=pm1;phi=(-180+r+e);[il,ii]=min(abs(phase1-phi));wc=w(ii);beit=mag1(ii);T=10/wc;numc=[ T,1];denc=[ beit*T,1];[num,den]=series(num0,den0,numc,denc);%原系統(tǒng)與校正裝置串聯(lián)

[gm,pm,wcg,wcp]=margin(num,den);%返回系統(tǒng)新的相角裕度和幅值裕度 printsys(numc,denc)

%顯示校正裝置的傳遞函數(shù) disp(’校正之后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:’);printsys(num,den)

%顯示系統(tǒng)新的傳遞函數(shù)

[mag2,phase2]=bode(numc,denc,w);%計算指定頻率內(nèi)校正裝置的相角范圍和幅值范圍

[mag,phase]=bode(num,den,w);%計算指定頻率內(nèi)系統(tǒng)新的相角范圍和幅值范圍

subplot(2,1,1);semilogx(w,20*log10(mag),w,20*log10(mag1),’--’,w,20*log10(mag2),’-.’);grid;

ylabel(’幅值(db)’);

title(’--Go,-Gc,GoGc’);subplot(2,1,2);

semilogx(w,phase,w,phase1,’--’,w,phase2,’-’,w,(w-180-w),’:’);grid;

ylabel(’相位(0)’);xlabel(’頻率(rad/sec)’);title([‘校正前：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm1)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm1),’0’;’校正后：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm),’0’]);

第四篇：數(shù)字PID控制器設(shè)計

數(shù)字PID控制器設(shè)計

設(shè)計任務(wù)：

設(shè)單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

設(shè)計數(shù)字PID控制器，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差不大于0.1，超調(diào)量不大于20%，調(diào)節(jié)時間不大于0.5s。采用增量算法實現(xiàn)該PID控制器。

具體要求：

1.采用Matlab完成控制系統(tǒng)的建立、分析和模擬仿真，給出仿真結(jié)果。

2.設(shè)計報告內(nèi)容包含數(shù)字PID控制器的設(shè)計步驟、Matlab仿真的性能曲線、采樣周期T的選擇、數(shù)字控制器脈沖傳遞函數(shù)和差分方程形式。

3.設(shè)計工作小結(jié)和心得體會。4.列出所查閱的參考資料。

數(shù)字PID控制器設(shè)計報告

一、設(shè)計目的 了解數(shù)字PID控制算法的實現(xiàn)；

掌握PID控制器參數(shù)對控制系統(tǒng)性能的影響；

能夠運用MATLAB/Simulink 軟件對控制系統(tǒng)進行正確建模并對模塊進行正確的參數(shù)設(shè)置；

加深對理論知識的理解和掌握； 5 掌握計算機控制系統(tǒng)分析與設(shè)計方法。

二、設(shè)計要求

1采用增量算法實現(xiàn)該PID控制器。

2熟練掌握PID設(shè)計方法及MATLAB設(shè)計仿真。

三、設(shè)計任務(wù)

設(shè)單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

設(shè)計數(shù)字PID控制器，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差不大于0.1，超調(diào)量不大于20%，調(diào)節(jié)時間不大于0.5s。采用增量算法實現(xiàn)該PID控制器。

四、設(shè)計原理

1.數(shù)字PID原理結(jié)構(gòu)框圖

2.增量式PID控制算法

?u?k??KPe?k??KI?e?i??KD??e?k??e?k?1??i?0?

=u(k-1)+Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] =u(k-1)+(Kp+Ki+Kd)e(k)-(Kp+2Kd)e(k-1)+Kde(k-2)所以Δu(k)=u(k)-u(k-1)

=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

=(Kp+Ki+Kd)e(k)-(Kp+2Kd)e(k-1)+Kde(k-2)整理：

Δu(k)= Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)A= Kp+Ki+Kd

B=-(Kp+2Kd)C=Kd

五、Matlab仿真選擇數(shù)字PID參數(shù)

（擴充臨界比例度法/擴充響應(yīng)曲線法 具體整定步驟）

利用擴充臨界比例帶法選擇數(shù)字PID參數(shù)，擴充臨界比例帶法是以模擬PID調(diào)節(jié)器中使用的臨界比例帶法為基礎(chǔ)的一種數(shù)字PID參數(shù)的整定方法。其整定步驟如下：； 1)選擇合適的采樣周期T；

2)在純比例的作用下,給定輸入階躍變化時,逐漸加大比例作用Kp(即減小比例帶?),直至系統(tǒng)出現(xiàn)等幅震蕩,記錄比例增益Kc,及振蕩周期Tc。Kc成 為臨界振蕩比例增益(對應(yīng)的臨界比例帶?),Tc成為臨界振蕩周期。

=1/150S^3+6/25S^2+37/30S+1 在MATLAB下輸入如下程序：

num=[1];

den=[1/150,6/25,37/30,1];sys=tf(num,den);p=[20:2:45];for i=1:length(p)

Gc=feedback(p(i)*sys,1);step(Gc)hold on end;grid

title('Kp變化時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線')axis([0,3,0,2.3])仿真階躍響應(yīng)如下圖：

調(diào)整參數(shù)：p=[35:2:45] 程序如下： num=[1];

den=[1/150,6/25,37/30,1];sys=tf(num,den);p=[35:2:45];for i=1:length(p)

Gc=feedback(p(i)*sys,1);step(Gc)hold on end;grid title('Kp變化時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線')axis([0,3,0,2.3])仿真階躍響應(yīng)如下圖：

由圖像可知：當(dāng)Kp在40~45之間時，系統(tǒng)會出現(xiàn)等幅振蕩。為進一步得到準(zhǔn)確的Kp，調(diào)整程序參數(shù)p=[40:1:45]，程序如下： num=[1];

den=[1/150,6/25,37/30,1];sys=tf(num,den);p=[40:1:45];for i=1:length(p)

Gc=feedback(p(i)*sys,1);step(Gc)hold on end;grid

title('Kp變化時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線')axis([0,3,0,2.3])仿真階躍響應(yīng)如下圖：

由圖像進一步精確得Kc約為43時，系統(tǒng)出現(xiàn)等幅震蕩，震蕩周期Tc約為0.5s。

擴充臨界比例帶法選擇數(shù)字PID參數(shù)的計算公式如下表所示：

3）選擇控制度?？刂贫鹊亩x為數(shù)字調(diào)節(jié)器和模擬調(diào)節(jié)所對應(yīng)的過度過程的誤差平方積分之比，即控制度=?0??2eDdt?0edt2式中，eD為數(shù)字調(diào)節(jié)器的控制誤差;e為模擬調(diào)節(jié)器的控制誤差.當(dāng)控制度為1.05時,數(shù)字調(diào)節(jié)器魚模擬調(diào)節(jié)器的控制效果相當(dāng);當(dāng)控制度為2時,數(shù)字調(diào)節(jié)器比模擬調(diào)節(jié)器的控制效果差一倍；在此選控制度為1.05。按選擇的控制度指標(biāo)及Tc,Kc實驗測得值,由查表選擇相應(yīng)的計算公式計算采樣周期：T=0.007，Kp=27，Ti=0.245，Td=0.07;KI?KiT?KPT=0.77，KD?Kd?KPTD=270，Ki=0.23

TITTTc=0.5 則T=Tc*0.014=0.5*0.014=0.007;

Kp=Kc*0.63=43*0.63=27.09;

Ti=Tc*0.49=0.5*0.49=0.245;

Td=Tc*0.14=0.5*0.14=0.07;

Kp=27.09;

Ki=Kp*T/Ti=27.09*0.007/0.245=0.774;

Kd=Kp*Td/T=27.09*0.07/0.007=270.09;

六、Matlab/Simulink 控制系統(tǒng)建模 1.控制器

ΔU(Z)=(Kp+Ki+Kd)E(Z)-(Kp+2Kd)/Z*E(Z)+Kd/Z^2*E(Z)則D(Z)=ΔU(Z)/E(Z)=(Kp+Ki+Kd)-(Kp+2Kd)/Z+Kd/Z^2 =[(Kp+Ki+Kd)Z^2-(Kp+2Kd)Z+Kd]/Z^2 2.仿真模型圖

將 Kp=27.09;

Ki=Kp*T/Ti=27.09*0.007/0.245=0.774;

Kd=Kp*Td/T=27.09*0.07/0.007=270.09帶入，得：

Kp+Ki+Kd=27.09+0.774+270.09=297.95 Kp+2Kd=27.09+2*270.09=567.27 Kd=270.09

即D(Z)=[297.95*Z^2-567.27*Z+270.09]/Z^2

G0(S)=43/[0.00667S^3+0.24S^2+1.2333S+1] 3.輸出階躍響應(yīng)曲線

Scope中得到階躍響應(yīng)曲線如下所示：

4、試湊法微調(diào)參數(shù) 由階躍響應(yīng)圖像可得：

Y(∞）=0.96，則穩(wěn)態(tài)誤差Ess=1-0.96=0.04 超調(diào)量

=（1.1-0.96）/0.96*100%=14.6% 調(diào)整時間Ts=0.27s

系統(tǒng)有少量的穩(wěn)態(tài)誤差，則適當(dāng)增大KI參數(shù)，使得KI參數(shù)由0.774變?yōu)?.774；

Scope中得到階躍響應(yīng)曲線如下所示：

由圖像可知：此時穩(wěn)態(tài)誤差Ess減為1-0.98=0.02，超調(diào)量=(1.1-1)/1*100%=10%,調(diào)整時間減少為Ts=0.15s，但該曲線不夠平滑，調(diào)整：Kp=36.08，Ki=2.770，Kd=270.08，降低傳遞函數(shù)的K值為36

Scope中得到階躍響應(yīng)曲線如下所示：

此時穩(wěn)態(tài)誤差幾乎為0，調(diào)整時間Ts為0.3s，超調(diào)量為(1.05-1)/1*100%=5%,基本符合要求

5.最終PID參數(shù)及輸出響應(yīng)曲線 當(dāng)Kp=36.08 Ki=2.770 Kd=270.08時

最終輸出階躍響應(yīng)曲線為：

七、設(shè)計心得體會

通過這次設(shè)計，重新認(rèn)識了計算機控制系統(tǒng)的數(shù)字PID控制，基本掌握了數(shù)字PID控制的基本規(guī)律，也認(rèn)識到計算機控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，檢驗了我所學(xué)的知識，體會了控制系統(tǒng)三大指標(biāo)“穩(wěn)，準(zhǔn)，快”的意義.加深了我對自動控制系統(tǒng)的了解，同時也對比例、積分、微分控制有了更進一步的認(rèn)識。

比例系數(shù)的加大，將使系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，加大比例系數(shù)可以減少穩(wěn)態(tài)誤差。但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分控制通常影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有助于消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。而微分作用的增加則可以改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，但也可能降低系統(tǒng)的抗干擾能力。比例+積分控制器可以使系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。而比例+微分控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。

這次設(shè)計過程讓我們把理論知識付諸于實踐，這對以后的學(xué)習(xí)帶來了更大的 幫助!

八、參考文獻

1．陳懷琛.MATLAB及在電子信息課程中的應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2009 2．趙廣元.MATLAB與控制系統(tǒng)仿真實踐.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009

第五篇：路燈控制器設(shè)計報告

路燈控制器的設(shè)計

一.設(shè)計任務(wù)和要求

設(shè)計要求：

1、自制電路供電的穩(wěn)壓電源；

2、LED采用恒流供電。

3、該控制器具有環(huán)境亮度檢測和控制功能，當(dāng)處于暗（亮）環(huán)境下能夠自動開（關(guān)）燈，為了演示方便，在現(xiàn)場演示時，當(dāng)調(diào)光臺燈（模擬自然光）較暗（較亮）時相當(dāng)于暗環(huán)境（亮環(huán)境），此時另一個白光LED（模擬路燈）將被點亮（熄滅），以此實現(xiàn)光控功能。

二.方案說明

安裝在公共場所或道路兩旁的路燈，通常是隨環(huán)境的亮和暗而自動的關(guān)斷和開啟或者自身亮度，同時可以對消耗的電功率進行測量。實驗時用1W白光LED（3.3V@300mA）代替路燈，用調(diào)光臺燈替代環(huán)境光線變化。

三.原理電路設(shè)計

1.單元電路設(shè)計.本光控路燈包括

(1)光敏采樣部分,當(dāng)光敏三極管處于不同光照強度下,它的阻值變化很大.將光敏三極管串聯(lián)一個適當(dāng)?shù)碾娮?接入電路中,輸出量作為開關(guān)值.無光照強度或光照強度很小時,采樣值接近VCC.當(dāng)光照強度增加到一定程度時,采樣值為一個較小值,并且隨著光照繼續(xù)增強,采樣值也隨著減小.(2)電位器調(diào)節(jié)電壓部分.當(dāng)光照達到一定強度時,通過調(diào)節(jié)電位器改變它的電壓,使之與光敏采樣部分的采樣值相等即可.(3)集成運放器部分.需要用到集成運放器的開環(huán)性能和閉環(huán)性能.當(dāng)集成運放處于開環(huán)狀態(tài)時.它是一個電壓比較器,對同相輸入端和反相輸入端的電壓進行比較.若同相輸入端的電壓高于反相輸入端的電壓,則輸出高電平;若同相輸入端的電壓低于反相輸入端的電壓,則輸出零(單電源)或低電平(雙電源).(4)三極管放大部分.使用三極管對集成運放器的微弱輸出電流進行放大,從而使led燈能正常發(fā)光.2.元件選擇

(1).光敏器件選擇

光敏三極管和普通三極管相似，也有電流放大作用，只是它的集電極電流不只是受基極電路和電流控制，同時也受光輻射的控制。通?；鶚O不引出，但一些光敏三極管的基極有引出，用于溫度補償和附加控制等作用。光敏三極管又稱光電三極管，它是一種光電轉(zhuǎn)換器件，其基本原理是光照到P-N結(jié)上時，吸收光能并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋．?dāng)光敏三極管加上反向電壓時，管子中的反向電流隨著光照強度的改變而改變，光照強度越大，反向電流越大，大多數(shù)都工作在這種狀態(tài)。當(dāng)具有光敏特性的PN 結(jié)受到光輻射時，形成光電流，由此產(chǎn)生的光生電流由基極進入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個放大了相當(dāng)于β倍的信號電流。不同材料制成的光敏三極管具有不同的光譜特性，與光敏二極管相比，具有很大的光電流放大作用，即很高的靈敏度。

本次設(shè)計選擇的是3DU33型號光敏三極管.在1000lx，V=10v條件下，電流典型值為10 mA.故可推測在1000lx,V=5A條件下，電路大約為5mA。且在有光條件下，電流最小值為2 mA.電路圖如下

(2)電位器選擇

本次設(shè)計電位器選擇通用型3296系列103A電位器，阻值為10k.圖如下

（3）集成運算放大器選擇。本次選擇LM358運算放大器。

LM358里面包括有兩個高增益、獨立的、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運放，適用于電壓范圍很寬的單電源，而且也適用于雙電源工作方式，它的應(yīng)用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運放的地方使用 電路如下

（4）三極管選擇。

本次選用S8050 NPN型三極管。三極管8050是非常常見的NPN型晶體三極管，在各種放大電路中經(jīng)?？吹剿?，應(yīng)用范圍很廣，主要用于功率放大、開關(guān)。參數(shù)： 耗散功率0.625W（貼片：0.3W）

集電極電流0.5A 集電極--基極電壓40V 集電極--發(fā)射極擊穿電壓25V 集電極-發(fā)射極飽和電壓 0.6V 特征頻率fT 最小150MHZ 典型值產(chǎn)家的目錄沒給出 引腳排列為EBC或ECB 838電子

按三極管后綴號分為 B C D檔 貼片為 L H檔

放大倍數(shù)B85-160 C120-200 D160-300 L100-200 H200-350

3.整體電路

實驗原理

光敏采樣值輸出到前1/2 LM358同相輸入端，電位器調(diào)節(jié)部分電壓輸出到前1/2 LM358反相輸入端。當(dāng)同相輸入端電壓值高于反相輸入端電壓值時，U1A輸出高電平，反之輸出零。U1B是引入負反饋閉環(huán)的運算放大器，可以由理想集成運算放大器虛短，虛端方法來分析電路。當(dāng)U1A輸出為零時，反相輸入端電平也為零，U1B輸出為0，led燈滅。當(dāng)U1A輸出高電平時，由虛短可判斷反相輸入端電壓也為等值高電平。三極管工作在放大區(qū)，放大電流，led燈亮。

四.性能測試與分析

理論數(shù)據(jù)分析：在有一定光照條件下，光敏三極管的電流為2-5 mA.經(jīng)計算考量，選取與光敏三極管串聯(lián)的電阻為800歐。為使調(diào)節(jié)范圍足夠大，滿足設(shè)計要求，選取R3=R6=1k,電位器R4=10k.在同相輸入端大于反相輸入端的電壓值時，集成運算放大器最大輸出幾mA的電流，理論流過led燈最大電流為300mA。在光照足夠強時，同相輸入端電壓值小于反相輸入端，電壓比較器輸出零，此時三極管be間電壓小于開啟電壓，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，流過led燈的電流為零。

仿真數(shù)據(jù)：無光照條件下，U1A同相輸入端輸入值即光敏部分采樣值為4.993V，反相輸入端電壓值為2.363V，U1A輸出4.023V，輸出電流幾乎為零。三極管基極電流為0.036A，流過led燈的電流值為0.400A（protues仿真沒有S8050三極管和光敏三極管，故分別用TIP41和光敏電阻代替，與理論數(shù)據(jù)分析有差距）實測數(shù)據(jù): 無光時,U1A同相輸入端電壓為4.91V,反相輸入端電壓為3.74V,U1A輸出端電壓為4.01V,電流幾乎為零.此時測得led燈兩端電壓約為3.20V.逐漸增大光照強度,發(fā)現(xiàn)某一時刻led燈開始明顯變暗,并且隨著光強緩慢增加,led燈繼續(xù)變暗,直至只有微弱燈光.此時測得led燈兩端電壓為2.43V.整個過程中,U1A同相輸入端電壓始終小于反相輸入端電壓值,U1A輸出電壓為零.U2A同相及反相輸入端電壓都為零,輸出端有0.64V電壓.誤差分析: 處于臨界光照時,運算放大器同相及反相輸入端電壓差值很小,容易波動.運算放大器均是采用直接耦合的方式，直接耦合式放大電路的各級的Q點是相互影響的，由于各級的放大作用，第一級的微弱變化，會使輸出級產(chǎn)生很大的變化。當(dāng)輸入短路時（由于一些原因使輸入級的Q點發(fā)生微弱變化 象：溫度），輸出將隨時間緩慢變化，這樣就形成了零點漂移。產(chǎn)生零漂的原因是：晶體三極管的參數(shù)受溫度的影響。解決零漂最有效的措施是：采用差動電路

六.實驗心得

本次課程實驗設(shè)計是我們?nèi)私M齊心協(xié)力,默契的團隊配合.從初期方案的確定,到實驗室共同焊板子,還有后來共同解決遇到的電路問題,每個人都很積極地去解決困難.通過此次設(shè)計，能夠一步了解了光敏三極管的原理和特性，把我們所學(xué)到的知識應(yīng)用到了實踐，結(jié)合模擬電路和數(shù)字電路知識，經(jīng)一步鞏固和掌握前面所學(xué)的知識，收獲很大。

七.參考文獻

[1] 華成英，童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006：74-116.[2] 謝自美 電子線路設(shè)計[M];華中科技大學(xué)出版社;[3] 百度文庫,道客巴巴資料以及電子愛好者論壇等