過程控制試驗67

1、實驗六、單容水箱液位 PID 控制系統(tǒng)一、實驗?zāi)康?、通過實驗熟悉單回路反饋控制系統(tǒng)的組成和工作原理。2、研究系統(tǒng)分別用 P、PI 和 PID 調(diào)節(jié)器時的階躍響應(yīng)。3、研究系統(tǒng)分別用 P、PI 和 PID 調(diào)節(jié)器時的抗擾動作用。4、定性地分析 P、 PI 和 PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。二、實驗設(shè)備1、THKGK-1型過程控制實驗裝置：GK-02 、 GK-03 、 GK-04 、 GK-07（2 臺 ）2、萬用表一只3、計算機(jī)系統(tǒng)三、實驗原理1、單容水箱液位控制系統(tǒng)圖 7-1 、單容水箱液位控制系統(tǒng)的方塊圖圖 7-1 為單容水箱液位控制系統(tǒng)。這是一個單回路反饋控制系統(tǒng)，它的控制

2、任務(wù)是使 水箱液位等于給定值所要求的高度；并減小或消除來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動的影響。單回 路控制系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡單、投資省、操作方便、且能滿足一般生產(chǎn)過程的要求，故它在過 程控制中得到廣泛地應(yīng)用。當(dāng)一個單回路系統(tǒng)設(shè)計安裝就緒之后，控制質(zhì)量的好壞與控制器參數(shù)的選擇有著很大 的關(guān)系。合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇得不合適， 則會導(dǎo)致控制質(zhì)量變壞，甚至?xí)瓜到y(tǒng)不能正常工作。因此，當(dāng)一個單回路系統(tǒng)組成以 后，如何整定好控制器的參數(shù)是一個很重要的實際問題。一個控制系統(tǒng)設(shè)計好以后，系統(tǒng) 的投運和參數(shù)整定是十分重要的工作。圖 7-2 單容液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)由原來的手動操作切換

3、到自動操作時，必須為無擾動，這就要求調(diào)節(jié)器的輸出量 能及時地跟蹤手動的輸出值，并且在切換時應(yīng)使測量值與給定值無偏差存在。一般言之，具有比例（ P）調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個有差系統(tǒng)，比例度的大小不僅會影 響到余差的大小，而且也與系統(tǒng)的動態(tài)性能密切相關(guān)。比例積分（ PI ）調(diào)節(jié)器，由于積分 的作用，不僅能實現(xiàn)系統(tǒng)無余差，而且只要參數(shù)， Ti 選擇合理，也能使系統(tǒng)具有良好的 動態(tài)性能。比例積分微分（ PID）調(diào)節(jié)器是在 PI 調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分 D 的作用，從 而使系統(tǒng)既無余差存在，又能改善系統(tǒng)的動態(tài)性能（快速性、穩(wěn)定性等） 。在單位階躍作用 下，P、PI、PID 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分別如圖 7-3

4、 中的曲線、所示。圖 7-3 、P、PI 和 PID 調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線四、驗內(nèi)容與步驟1、比例（ P）調(diào)節(jié)器控制1）、按圖 7-1 所示，將系統(tǒng)接成單回路反饋系統(tǒng)（接線參照實驗一）。其中被控對象是上水箱，被控制量是該水箱的液位高度h1。2）、啟動工藝流程并開啟相關(guān)的儀器，調(diào)整傳感器輸出的零點與增益。3）、在老師的指導(dǎo)下，接通單片機(jī)控制屏，并啟動計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，為記錄過渡過程 曲線作好準(zhǔn)備。4）、在開環(huán)狀態(tài)下，利用調(diào)節(jié)器的手動操作開關(guān)把被控制量“手動”調(diào)到等于給定值 （一般把液位高度控制在水箱高度的50%點處）。5）、觀察計算機(jī)顯示屏上的曲線，待被調(diào)參數(shù)基本達(dá)到給定值后，即可將調(diào)節(jié)器切換到 純

5、比例自動工作狀態(tài)（積分時間常數(shù)設(shè)置于最大，積分、微分作用的開關(guān)都處于“關(guān)”的 位置，比例度設(shè)置于某一中間值， “正 - 反”開關(guān)拔到“反”的位置，調(diào)節(jié)器的“手動”開 關(guān)撥到“自動”位置） ，讓系統(tǒng)投入閉環(huán)運行。6）、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對系統(tǒng)加擾動信號（在純比例的基礎(chǔ)上加擾動，一般可通過改變設(shè) 定值實現(xiàn)）。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差大小。7）、減小，重復(fù)步驟 6，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。8）、增大，重復(fù)步驟 6，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。9）、選擇合適的值就可以得到比較滿意的過程控制曲線。10）、注意：每當(dāng)做完一次試驗后，必須待系統(tǒng)穩(wěn)定后再做另一次

6、試驗。2、比例積分調(diào)節(jié)器（ PI ）控制1）、在比例調(diào)節(jié)實驗的基礎(chǔ)上，加入積分作用（即把積分器“I ”由最大處“關(guān)” 旋至中間某一位置，并把積分開關(guān)置于“開”的位置） ，觀察被控制量是否能回到設(shè)定值，以驗 證在 PI 控制下，系統(tǒng)對階躍擾動無余差存在。2）、固定比例度值（中等大?。?，改變 PI 調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)值 Ti ，然后觀察加階 躍擾動后被調(diào)量的輸出波形，并記錄不同 Ti 值時的超調(diào)量 p。表二、值不變、不同 Ti 時的超調(diào)量 p積分時間常數(shù)Ti大中小超調(diào)量 p3）、固定積分時間 T i 于某一中間值，然后改變的大小，觀察加擾動后被調(diào)量輸出的 動態(tài)波形，并列表記錄不同值下的超調(diào)量p

7、。表三、 Ti 值不變、不同值下的 p比例度大中小超調(diào)量 p4）、選擇合適的和 Ti 值，使系統(tǒng)對階躍輸入擾動的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過程 曲線。此曲線可通過改變設(shè)定值（如設(shè)定值由50%變?yōu)?60%）來獲得。3、比例積分微分調(diào)節(jié)（ PID）控制1）、在 PI 調(diào)節(jié)器控制實驗的基礎(chǔ)上，再引入適量的微分作用，即把D 打開。然后加上與前面實驗幅值完全相等的擾動，記錄系統(tǒng)被控制量響應(yīng)的動態(tài)曲線，并與實驗步驟（二） 所得的曲線相比較，由此可看到微分D 對系統(tǒng)性能的影響。2）、選擇合適的、 Ti 和 Td，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過程曲線（階躍輸 入可由給定值從 50%突變至 60%來實現(xiàn)）

8、。3）、用計算機(jī)記錄實驗時所有的過渡過程實時曲線，并進(jìn)行分析。五、注意事項1、實驗線路接好后，必須經(jīng)指導(dǎo)老師檢查認(rèn)可后才能接通電源。2、必須在老師的指導(dǎo)下，啟動計算機(jī)系統(tǒng)和單片機(jī)控制屏。3、若參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)失控，不能達(dá)到設(shè)定值。六、實驗報告要求1、繪制單容水箱液位控制系統(tǒng)的方塊圖。2、用接好線路的單回路系統(tǒng)進(jìn)行投運練習(xí)，并敘述無擾動切換的方法。3、P 調(diào)節(jié)時，作出不同值下的階躍響應(yīng)曲線。Ti 值時4、PI 調(diào)節(jié)時，分別作出 Ti 不變、不同值時的階躍響應(yīng)曲線和不變、不同 的階躍響應(yīng)曲線。5、畫出 PID 控制時的階躍響應(yīng)曲線，并分析微分D的作用。6、比較 P、PI 和 PID 三種

9、調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)余差和動態(tài)性能的影響。實驗七、雙容水箱液位 PID 控制系統(tǒng)一、實驗?zāi)康?、熟悉單回路雙容液位控制系統(tǒng)的組成和工作原理。2、研究分別用 P、 PI 和 PID 調(diào)節(jié)器時系統(tǒng)的動態(tài)性能。3、定性地分析 P、 PI 和 PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。4、掌握臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。5、掌握 4：1 衰減曲線法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。二、實驗設(shè)備1、THKGK-1型過程控制實驗裝置：GK-02 、 GK-03 、 GK-04 、 GK-07（2 臺 ）2、萬用表一只3、計算機(jī)系統(tǒng)三、實驗原理圖 8-1 、雙容水箱液位控制系統(tǒng)的方框圖圖 8-1 為雙容水箱液位控制系統(tǒng)。這是一個

10、單回路控制系統(tǒng)，它與實驗六不同的是有 兩個水箱相串聯(lián)，控制的目的既要使下水箱的液位高度等于給定值所期望的值，又要具有 減少或消除來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動的影響。顯然，這種反饋控制系統(tǒng)的性能主要取決于 調(diào)節(jié)器 GK-04 的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的合理選擇。由于雙容水箱的數(shù)學(xué)模型是二階的，故它的穩(wěn)定 性不如單容液位控制系統(tǒng)。對于階躍輸入（包括階躍擾動） ，這種系統(tǒng)用比例（ P）調(diào)節(jié)器 去控制，系統(tǒng)有余差，且與比例度近似成正比，若用比例積分（PI ）調(diào)節(jié)器去控制，不僅可實現(xiàn)無余差，而且只要調(diào)節(jié)器的參數(shù)和 Ti 選擇得合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性圖 8-2 、雙容水箱液位控制結(jié)構(gòu)圖比例積分微分（ PID）調(diào)節(jié)

11、器是在 PI 調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分 D 的控制作用，從而 使系統(tǒng)既無余差存在，又使其動態(tài)性能得到進(jìn)一步改善。四、實驗內(nèi)容與步驟1、比例（ P）調(diào)節(jié)器控制1）、按圖 8-1 所示，將系統(tǒng)接成單回路反饋控制系統(tǒng)（接線參照實驗一）。其中被控對象是下水箱，被控制量是下水箱的液位高度h2。2）、啟動工藝流程并開啟相關(guān)的儀器，調(diào)整傳感器輸出的零點與增益。3）、在老師的指導(dǎo)下，接通單片機(jī)控制屏，并啟動計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，為記錄過渡過程 曲線作好準(zhǔn)備。4）、在開環(huán)狀態(tài)下，利用調(diào)節(jié)器的手動操作開關(guān)把被控制量調(diào)到等于給定值（一般把 液位高度控制在水箱高度的 50%點處）。5）、觀察計算機(jī)顯示屏上的曲線，待被調(diào)參數(shù)

12、基本達(dá)到給定值后，即可將調(diào)節(jié)器切換 到純比例自動工作狀態(tài)（積分時間常數(shù)設(shè)置于最大，積分、微分作用的開關(guān)都處于“關(guān)” 的位置，比例度設(shè)置于某一中間值， “正 - 反”開關(guān)拔到“反”的位置，調(diào)節(jié)器的“手動” 開關(guān)撥到“自動”位置） ，讓系統(tǒng)投入閉環(huán)運行。6）、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對系統(tǒng)加擾動信號（在純比例的基礎(chǔ)上加擾動，一般可通過改變 設(shè)定值實現(xiàn)） 。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差大小。7）、減小，重復(fù)步驟 6，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。8）、增大，重復(fù)步驟 6，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。9）、選擇合適的值就可以得到比較滿意的過程控制曲線。10）、注意：每當(dāng)

13、做完一次試驗后，必須待系統(tǒng)穩(wěn)定后再做另一次試驗。表一、不同時的超調(diào)量 p比例度大中小超調(diào)量 p2、比例積分調(diào)節(jié)器（ PI ）控制1）、在比例調(diào)節(jié)實驗的基礎(chǔ)上，加入積分作用（即把積分器“I ”由最大處旋至中間某一位置，并把積分開關(guān)置于“開”的位置） ，觀察被控制量是否能回到設(shè)定值，以驗證在 PI 控制下，系統(tǒng)對階躍擾動無余差存在。2）、固定比例度值（中等大小） ，改變 PI 調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)值 Ti ，然后觀察加 階躍擾動后被調(diào)量的輸出波形，并記錄不同 Ti 值時的超調(diào)量 p。表二、值不變、不同 Ti 時的超調(diào)量 p積分時間常數(shù) Ti大中小超調(diào)量 p3）、固定積分時間 T i 于某一中間值，

14、然后改變的大小，觀察加擾動后被調(diào)量輸出 的動態(tài)波形，并列表記錄不同值下的超調(diào)量p。表三、 Ti 值不變、不同值下的 p比例度大中小超調(diào)量 p4）、選擇合適的和 Ti 值，使系統(tǒng)對階躍輸入擾動的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過 程曲線。此曲線可通過增大設(shè)定值（如設(shè)定值由50%變?yōu)?60%）來獲得。3、比例積分微分調(diào)節(jié)器（ PID）控制1）、在 PI 調(diào)節(jié)器控制實驗的基礎(chǔ)上，再引入適量的微分作用，即把D 打開。然后加上與前面實驗幅值完全相等的擾動，記錄系統(tǒng)被控制量響應(yīng)的動態(tài)曲線，并與實驗步驟 （二）所得的曲線相比較，由此可看到微分D 對系統(tǒng)性能的影響。2）、選擇合適的、 Ti 和 Td，使系統(tǒng)的輸出響

15、應(yīng)為一條較滿意的過渡過程曲線（階躍 輸入可由給定值從 50%突變至 60%來實現(xiàn)）。3）、用秒表和顯示儀表記錄一條較滿意的過渡過程實時曲線。4、用臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)在實際應(yīng)用中，高階系統(tǒng) PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)常用下述臨界比例度法來確定。用臨界比 例度法去整定 PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)既方便又實用。它的具體做法是：1）、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，將調(diào)節(jié)器置于純比例P 控制。逐步減小調(diào)節(jié)器的比例度，并且每當(dāng)減小一次比例度，待被調(diào)量回復(fù)到平衡狀態(tài)后，再手動給系統(tǒng)施加一個5%15%的階躍擾動，觀察被調(diào)量變化的動態(tài)過程。若被調(diào)量為衰減的振蕩曲線，則應(yīng)繼續(xù)減小比例度 ，直到輸出響應(yīng)曲線呈現(xiàn)等幅振蕩為止。如果響應(yīng)

16、曲線出現(xiàn)發(fā)散振蕩，則表示比例度調(diào) 節(jié)得過小，應(yīng)適當(dāng)增大，使之出現(xiàn)如圖 8-4 所示的等幅振蕩。 圖 8-3 為它的實驗方塊圖。圖 8-3 、具有比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)2）、在圖 8-3 所示的系統(tǒng)中，當(dāng)被調(diào)量作等幅振蕩時，此時的比例度就是臨界比 例度，用 k 表示之，相應(yīng)的振蕩周期就是臨界周期Tk。據(jù)此，按下表所列出的經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定 PID 調(diào)節(jié)器的三個參數(shù)、 Ti 和 Td 。圖 8-4 、具有周期 TK 的等幅振蕩 表四 、用臨界比例度 k 整定 PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱kTi(S)Td(S)P2kPIkTk/PIDk3）、必須指出，表格中給出的參數(shù)值是對調(diào)節(jié)器參數(shù)的一個初略設(shè)

17、計，因為它是根據(jù) 大量實驗而得出的結(jié)論。若要獲得更滿意的動態(tài)過程（例如：在階躍作用下，被調(diào)參量作 4：1 地衰減振蕩） ，則要在表格給出參數(shù)的基礎(chǔ)上，對、Ti（或 Td）作適當(dāng)調(diào)整。5、用衰減曲線法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)：與臨界比例度法類似，不同的是本方法先根據(jù)由實驗所得的阻尼振蕩衰減曲線（為4 :1 ），求得相應(yīng)的比例度 s 和曲線的振蕩周期 Ts ，然后按表五給出的經(jīng)驗公式，確定調(diào) 節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。獲得系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線按 4:1 衰減的具體步驟如下：1）、置調(diào)節(jié)器積分時間 Ti 到最大值（ Ti= ），微分時間 Td為零（Td=0） ，比例度為 較大值，讓系統(tǒng)投入閉環(huán)運行。2）、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，

18、作設(shè)定值階躍擾動，并觀察系統(tǒng)的響應(yīng)。若系統(tǒng)響應(yīng)衰減太快， 則增大比例度；反之，系統(tǒng)響應(yīng)衰減過慢，應(yīng)減小比例度。如此反復(fù)直到系統(tǒng)出現(xiàn)如圖 85 所示 4:1 的衰減振蕩過程。圖 8-5、4：1 衰減響應(yīng)曲線 記下此時的比例度 s 和振蕩周期 Ts 的數(shù)值。3）、利用 s 和 Ts 值，按表五給出的經(jīng)驗公式，求調(diào)節(jié)器參數(shù)、Ti 和 Td 數(shù)值。表五 4:1 衰減曲線法整定計算公式調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱TiTdPsPIsPIDs五、注意事項1、實驗線路接好后，必須經(jīng)指導(dǎo)老師檢查認(rèn)可后方可接通電源。2、水泵啟動前，出水閥門應(yīng)關(guān)閉，待水泵啟動后，再逐漸開啟出水閥，直至某一適當(dāng) 開度。3、在老師的指導(dǎo)下，開

19、啟單片機(jī)控制屏和計算機(jī)系統(tǒng)。六、實驗報告要求1、畫出雙容水箱液位控制實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。2、按圖 8-2 要求接好實驗線路，經(jīng)老師檢查無誤后投入運行。3、用臨界比例度法和衰減曲線法分別計算P、 PI 、PID 調(diào)節(jié)的參數(shù)，并分別列出系統(tǒng)在這三種方式下的余差和超調(diào)量。4、作出 P 調(diào)節(jié)器控制時，不同值下的階躍響應(yīng)曲線。5、作出 PI 調(diào)節(jié)器控制時，不同和 Ti 值時的階躍響應(yīng)曲線。6、畫出 PID 控制時的階躍響應(yīng)曲線，并分析微分D對系統(tǒng)性能的影響。7、綜合評價 P、 PI 、和 PID 三種調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)性能的影響。實驗八、水箱壓力 PID 控制系統(tǒng)一、實驗?zāi)康?、了解壓力傳感器的結(jié)構(gòu)原理及使用方

20、法。2、研究單回路壓力 PID 控制系統(tǒng)。3、掌握手動 / 自動無擾動切換的方法。4、學(xué)會用反應(yīng)曲線法對 PID 參數(shù)進(jìn)行整定。二、實驗裝置1、THKGK-1型過程控制實驗裝置：GK-02 、 GK-03 GK-04 、 GK-07（2 臺 ）2、計算機(jī)及監(jiān)控軟件三、實驗原理1、壓力傳感器變送原理簡介 此壓力變送器的敏感核心采用了高性能的硅壓阻式壓力充油芯體，內(nèi)部的專用集成電 路將傳感 器毫伏信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)距離的傳輸電流或電壓信號，可以直接與計算機(jī)接口 卡、控制儀表、智能儀表或 PLC 等方便連接，該系列產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制、石 油、化工、冶金等行業(yè)。2、單回路壓力控制系統(tǒng)方框圖圖 10-1 、單回路壓力控制系統(tǒng)圖 10-2 、單回路壓力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖單回路壓力控制系統(tǒng)如圖 10-1 所示。系統(tǒng)如要實現(xiàn)無擾動地由手動操作切換到自動運 行，則要求調(diào)節(jié)器能自動地跟蹤手動輸出，且要在切換時使測量值與給定值無偏差存在。改變 PID 調(diào)