工業(yè)自動化儀表與過程控制試驗指導(dǎo)書

1、僅供個人參考工業(yè)自動化儀表與過程控制Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse授課學(xué)時：8 8課時授課班級：芙蓉自動化09010901、09020902授課學(xué)期：20122012年上學(xué)期授課教師：敖章洪不得用于商業(yè)用途僅供個人參考工業(yè)自動化儀表與過程控制實驗項目一覽表廳 P實驗項目實驗學(xué)時實驗類型實驗要求1實驗裝置的基本操作與儀表調(diào)試2驗證必做2單容/雙容水箱對象特性的測試2驗證必做3單容/雙容水有i液位PID控制系統(tǒng)2驗證必做4液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究2綜合限選（2選1）5PLC單容/雙容水多f液位PID控制系統(tǒng)2綜合

2、實驗參考書：1.TKGK-1 型操作說明書.實驗指導(dǎo)書不得用于商業(yè)用途僅供個人參考實驗一實驗裝置的基本操作與儀表調(diào)試實驗學(xué)時：2 學(xué)時實驗類型：驗證實驗要求：必做一、實驗?zāi)康?）、了解本實驗裝置的結(jié)構(gòu)與組成。2）、掌握液位、壓力傳感器的使用方法。3）、掌握實驗裝置的基本操作與變送器儀表的調(diào)整方法。二、實驗設(shè)備1）TKGK-1 型過程控制實驗裝置：交流變頻器 GK-07-2直流調(diào)速器 GK-06PID 調(diào)節(jié)器 GK-042）萬用表三、實驗裝置的結(jié)構(gòu)框圖直流調(diào)速直流電K不得用于商業(yè)用途僅供個人參考圖1-1、液位、壓力、流量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖四、實驗內(nèi)容1、設(shè)備組裝與檢查：1）、將 GK-07-2、

3、GK-06、GK-04 掛件由左至右依次掛于實驗屏上。并將掛件的三芯藍(lán)插頭插于相應(yīng)的插座中。2）、檢查掛件的電源開關(guān)是否關(guān)閉。3）、用萬用表檢查掛件的電源保險絲是否完好。2、系統(tǒng)接線1）、直流部分：將一臺 GK04 的 PID 調(diào)節(jié)器的自動/手動切換開關(guān)撥到“手動”位置，并將其“輸出”接 GK06 的控制電壓“輸入”；GK06 的“電樞電壓”和“勵磁電壓”輸出端分別接 GK01 的直流他勵電動機的“電樞電壓”和“勵磁電壓”輸入端。2）、交流部分：將另一臺 GK04 的 PID 調(diào)節(jié)器的自動/手動切換開關(guān)撥到“手動”位置，并將其“輸出”端接 GK-07-2 變頻器的“2 2”與“5 5”接線端；

4、將 GK-07-2 變頻器的輸出“A A、B B、C C”接 GK-01 上三相異步電機的“A A、B B、C C”輸入端；將三相異步電機接成三角形，即“A A”接ZZ”、BB”接XX”、CC”接Y”；GK-07-2的“SDSD”接“STRSTR”使電機正轉(zhuǎn)打水，（若此時電機為反轉(zhuǎn)則“SDSD”接“STFSTF”）。3、啟動實驗裝置：1）、將實驗裝置電源插頭接到220V 市電電源。2）、打開電源空氣開關(guān)與電源總鑰匙開關(guān)。3）、按下電源控制屏上的啟動按鈕，即可開啟電源，交流電壓表指示 220V。4、儀表調(diào)整：（儀表的零位與增益調(diào)節(jié)）在 GK-02 裝置結(jié)構(gòu)展示屏的左側(cè)，有五組傳感器檢測信號輸出：

5、LT1、PT、LT2、FT、TT（輸出標(biāo)準(zhǔn)信號 DC05V）,它們旁邊分別設(shè)有數(shù)字顯示器，以顯示相應(yīng)的輸出值。在LT1、PT、LT2 數(shù)字顯示器的右邊各有二個電位器，可通過這些電位器調(diào)整相應(yīng)傳感器的零位和增益，在每次實驗進(jìn)行之前，必須作好這些準(zhǔn)備工作。調(diào)試步驟如下：1）、將三根？6 的橡皮導(dǎo)氣管（約 0.6m 長）的一端分別豎直地插入上、下水箱底部（上水箱兩根，下水箱一根），再將它們的另一端接到三個差壓傳感器（MPX2010DP）的正壓室。2）、打開閥 1、閥 3,關(guān)閉閥 7、閥 8,（或者打開閥 7、閥 8,關(guān)閉閥 1、閥 3）關(guān)閉閥 2、閥 4、閥 5、閥 6,然后開啟變頻器（或直流調(diào)速器

6、），啟動一個齒輪泵，給上、下水箱供水，使其液面均上升至 10cm 高度，關(guān)閉變頻器（或直流調(diào)速器）。3）、將各增益調(diào)節(jié)電位器置于中間位置，然后調(diào)節(jié)零位調(diào)節(jié)電位器，使 LT1 兩端的輸出電壓為 3.33V（顯示器顯示 10.00）,LT2 兩端的輸出電壓為 3.33V（顯示器顯示10.00）,PT 兩端的輸出電壓為 3.33V（顯示器顯示 980）。4）、零位調(diào)節(jié)a、打開閥 2、閥 4,排空上、下水箱中的水，關(guān)閉閥 2、閥 4。b、 調(diào)節(jié)“零位調(diào)節(jié)”電位器， 使 LT1、 LT2 和 PT 輸出為零伏， 顯示器顯示為 00.00cm。注：穩(wěn)定幾分鐘后進(jìn)入下一步。5）、開始增益調(diào)節(jié)：a、啟動齒輪泵

7、，使上、下水箱水位上升至于 10cm 高度，然后再關(guān)閉齒輪泵。b、調(diào)節(jié)“增益調(diào)節(jié)”電位器，使 LT1、LT2 顯示器顯示 10.00cm,Pa 顯示器顯不得用于商業(yè)用途給定量.交流電不得用于商業(yè)用途GK-0GK-0僅供個人參考示 980Pa。6）、重復(fù)實驗步驟 4、5,反復(fù)調(diào)整零位和增益，使上、下水箱水位為零時，LT1、LT2、PT 輸出都為 0V（顯示器顯示 00.00）;上、下水箱水位上升至于 10cm 高度時，LT1 兩端的輸出電壓為 3.33V（顯示器顯示 10.00）,LT2 兩端的輸出電壓為 3.33V（顯示器顯示10.00）,PT 兩端的輸出電壓為 3.33V（顯示器顯示 980

8、）。實驗二單容/雙容水箱對象特性的測試實驗學(xué)時：2 學(xué)時實驗類型：驗證實驗要求：必做一、實驗?zāi)康?）、了解單/雙容水箱的自衡特性。2）、掌握單容/雙容水箱的數(shù)學(xué)模型及其階躍響應(yīng)曲線。3）、由實測單容/雙容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線，用相關(guān)的方法分別確定它們的參數(shù)。二、實驗設(shè)備1）、TKGK-1 型過程控制實驗裝置：PID 調(diào)節(jié)器：GK-04變頻器：GK-07-22）、萬用表一只3）、計算機一臺三、實驗原理階躍響應(yīng)測試法是系統(tǒng)在開環(huán)運行狀況下，待工況穩(wěn)定后，通過調(diào)節(jié)器手動改變對象的輸入信號（階躍信號）。同時，記錄對象的輸出數(shù)據(jù)和階躍響應(yīng)曲線，然后根據(jù)給定對象模型的結(jié)構(gòu)形式，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的處理，

9、確定模型中的相關(guān)參數(shù)。圖解法是確定模型參數(shù)的一種實用方法，不同的模型結(jié)構(gòu)，有不同的圖解方（一）、單容水箱其數(shù)學(xué)模型可用一階慣性環(huán)節(jié)來近似描述，且用下述方法求取對象的特征參數(shù)。單容水箱液位開環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖 3-1 所示：僅供個人參考圖3-1、單容水箱液位開環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖設(shè)水箱的進(jìn)水量為 Qi,出水量為 Q2,水箱的液面高度為 h,出水閥 V2固定于某一開度值。根據(jù)物料動態(tài)平衡的關(guān)系，求得：d：hR2*C*：h=R2*.：Qdt在零初始條件下，對上式求拉氏變換，得：式中， T=R2*C 為水箱的時間常數(shù) （注意： 閥 V2的開度大小會影響到水箱的時問常數(shù)） ，K=R2為過程的放大倍數(shù)， 也是閥 V

10、2的液阻， C 為水箱的底面積。 令輸入流量 Qi（S）=RO/S,RO為常量，則輸出液位的高度為：G(s)=H(s)Qi(s)R2KR2*C*S1-T*S13-1H(S)=KRoS(TS1)KRoSKRoS1/T3-2-t即 h(t)=KRo(1-eT)3-3當(dāng) t?時，h()=KRO.因而有Kh()輸出穩(wěn)態(tài)值二 M 二階躍輸入當(dāng) t=T 時，則有：-1h(T)=KR0(1-e)=0.632KRo=0.632h(二二)式(3-3)表階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是所示。由式（3-4）可知該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的 63.2%所對應(yīng)的時間， 就是水箱的時間常數(shù) To 該時間常數(shù) T 也可以通過坐標(biāo)原點對響應(yīng)曲

11、線作切線，此切線與穩(wěn)態(tài)值的交點所對應(yīng)的時間就是時間常數(shù) T,其理論依據(jù)是:照戶=0=巫=凹不彳#用手商業(yè)用途TeTT(3-4)3-4僅供個人參考上式表示 h(t)若以在原點時的速度 h5)/T 恒速變化，即只要花 T 秒時間就可達(dá)到穩(wěn)態(tài)值 h(8)。式(3-2)中的 K 值由下式求?。?二)、雙容水箱雙容水箱液位控制結(jié)構(gòu)圖如圖 3-3 所示:圖3-3、雙容水箱液位控制結(jié)構(gòu)圖設(shè)流量 Qi為雙容水箱的輸入量，下水箱的液位高度 H2為輸出量，根據(jù)物料動態(tài)平衡關(guān)系，并考慮到液體傳輸過程中的時延，其傳遞函數(shù)為圖3-4、階躍響應(yīng)曲線對于式(3-5)所示的二階過程，0,32ti/t20.46。當(dāng) ti/t2

12、=0.32 時，為一階環(huán)節(jié);當(dāng) ti/t2=0.46 時，過程的傳遞函數(shù) G(S)=K/(TS+i)2 2(此時 Ti=T2=T=(ti+t2)/2*2.i8)過曲線的拐點做一條切線，它與橫軸交于 A 點，OA 即為滯后時間常數(shù)TiT2tiK=h(OO)/R0=輸入穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入江江. .G(S)=Qi(S)(Ti*S1)(T2*S1)(3-5)式中 K=R4,TI=R2CI,T2=R4c2,R2、分別為上水箱和下水箱的容量系數(shù)。式中的R4分別為閥 V2和 V4的液阻，Ci和 C2K、Ti和 T2可由實驗求得的階躍響應(yīng)曲線求出。具體的做法是在圖 3-4 所示的階躍響應(yīng)曲線上取:i)、h2(t

13、)穩(wěn)態(tài)值的漸近線 h2(oo)；2)、h2(t)|t=ti=0,4h2()時曲線上的點 A 和對應(yīng)的時間 ti;3)、h2(t)|t=t2=0,8h2(8)時曲線上的點 B 和對應(yīng)的時間 t2o然后，利用下面的近似公式計算式3-5 中的參數(shù) K、和 T2。其中：h2()輸入穩(wěn)態(tài)值RO4)、TiT2：階躍輸入量ti.t2?2：(i.740.55)(TiT2)2t2不得用于商業(yè)用途僅供個人參考四、實驗內(nèi)容與步驟1）、對上、下水箱液位傳感器進(jìn)行零點與增益的調(diào)整。2）、按照圖 3-1 的結(jié)構(gòu)框圖，完成系統(tǒng)的接線（接線參照實驗 1）,并把 PID調(diào)節(jié)器的“手動/自動”開關(guān)置于“手動”位置，此時系統(tǒng)處于開

14、環(huán)狀態(tài)。3）、將單片機控制屏 GK-03 的輸入信號端“LT1、LT2”分別接 GK-02 的傳感器輸出端“LT1、LT2；用配套通訊線將 GK-03 的“串行通信口”與計算機的 COM1 連接；啟動單片機控制屏 GK-03,用單片機控制屏 GK-03 的鍵盤設(shè)置回路 1 和回路 3 的采樣時間 St=2,標(biāo)尺上限 CH=150（詳見本書第一部分單片機控制屏 GK-03使用說明第 10 頁）；然后用上位機控制監(jiān)控軟件對液位進(jìn)行監(jiān)視并記錄過程曲線。4）、利用 PID 調(diào)節(jié)器的手動旋鈕調(diào)節(jié)輸出，將被控參數(shù)液位控制在 4cm 左右。5）、觀察系統(tǒng)的被調(diào)量一一水箱的水位是否趨于平衡狀態(tài)。若已平衡，記錄

15、此時調(diào)節(jié)器手動輸出值VO以及水箱水位的高度 h1和顯示儀表 LT1 的讀數(shù)值并填入下變頻器輸出頻率 f手動輸出 Vo水箱水位高度 h1LT1 顯示值HZvcmcm6）、迅速增調(diào)“手動調(diào)節(jié)”電位器，使 PID 的輸出突加 10%,利用上位機監(jiān)控軟件記下由此引 起 的 階 躍 響 應(yīng) 的 過 程 曲 線 ， 并 根 據(jù) 所 得 曲 線 填 寫 下 表 。t(s)水箱水位h1（cm）LT1讀數(shù)(cm)等到進(jìn)入新的平衡狀態(tài)后，再記錄測量數(shù)據(jù)，并填入下表:變頻器輸出頻率 fPID 輸出 Vo水箱水位高度 h1LT1 顯示值HZvcmcm7）、將“手動調(diào)節(jié)”電位器回調(diào)到步驟 5）前的位置，再用秒表和數(shù)字表

16、記錄由此引起的階躍響應(yīng)過程參數(shù)與曲線。填入下表：t(s)水箱水位h1（cm）LT1讀數(shù)(cm)8）、重復(fù)上述實驗步驟。9）、上述實驗步驟同樣適用于雙容水箱的下水箱液位 h2的控制，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-3 所示，實驗步驟自擬。5)、五、注意事項不得用于商業(yè)用途僅供個人參考1）、做本實驗過程中，閥 V1和 V2不得任意改變開度大?。磺议y 2 開度必須大于閥 4的開度，以保證實驗效果。2）、階躍信號不能取得太大，以免影響系統(tǒng)正常運行；但也不能過小，以防止對象特性的不真實性。一般階躍信號取正常輸入信號的 5%15%。3）、在輸入階躍信號前，過程必須處于平衡狀態(tài)。4）、在老師的幫助下，啟動計算機系統(tǒng)和

17、單片機控制屏。六、實驗報告要求1）、作出一階和二階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。2）、根據(jù)實驗原理中所述的方法，求出一階和二階環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)。七、思考題1）、在做本實驗時，為什么不能任意變化閥 V1或 V2的開度大小？2）、用兩點法和用切線對同一對象進(jìn)行參數(shù)測試，它們各有什么特點？不得用于商業(yè)用途僅供個人參考實驗三單容/雙容水箱液位PIDPID控制系統(tǒng)實驗學(xué)時：2 學(xué)時實驗類型：驗證實驗要求：必做一、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

18、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。5）、掌握臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。6）、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）、THGK-1 型過程控制實驗裝置：GK-03、GK-04GK-06GK-07-22）、萬用表一只3）、秒表一只4）、計算機系統(tǒng)三、實驗原理1、單容水箱液位控制系統(tǒng)GK-04GK-04圖6-1、單容水箱液位控制系統(tǒng)的方塊圖圖 6-1 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)， 它的控制任務(wù)是使水箱液位等于給定值所要求的高度； 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

19、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。合適的控制參不得用于商業(yè)用途干種給心|直流調(diào)西:f|直通電麗GK-06GK-06圖6-2單容液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖僅供個人參考數(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，甚至使系統(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。系統(tǒng)由原來的手動操作切換到自動操作時，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

20、，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，用比例（P）調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個有差系統(tǒng)，比例度 6 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) 6,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）的階躍響應(yīng)分別如圖 6-3中的曲線、所示2、雙容水箱液位控制系統(tǒng)圖7-1、 雙容水箱液位控制系統(tǒng)的方框圖圖 7-1 為雙容水箱液位控制系統(tǒng)。這是一個單回路控

21、制系統(tǒng)，有兩個水箱相串聯(lián)，控制的目的是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) 6 和 Ti 選擇的合理，也能使系統(tǒng)不得用于商業(yè)用途僅供個人參考具有良好的動態(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

22、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。圖6-3、P、PI和PID調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線在單位階躍作用下，P、PI、PID 調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)水?dāng)_動進(jìn)出憂動日腳2一儲水行圖7-2雙容水超液?？刂扑鞔方Y(jié)構(gòu)圖四、實驗內(nèi)容與步驟1、單容水箱液位控制系統(tǒng)（一）、比例（P）調(diào)節(jié)器控制1）、按圖 6-1 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 hio2）、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，接通單片機控制屏，并啟動計算機監(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

23、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 6,重復(fù)步驟 6,觀察過渡過程曲線，并記

24、錄余差大小。8）、增大 6,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 6 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)定后再做另一次試驗。（二）、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 6 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 up。表二、

25、8值不變、不同Ti時的超調(diào)量（Tp積分時間常數(shù) Ti大中小超調(diào)里（Tp3）、固定積分時間 Ti 于某一中間值，然后改變 6 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 6 值下的超調(diào)量 crp。表三、Ti值不變、不同8值下的op比例度 6大中小超調(diào)量（Tp4）、選擇合適的 6 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。（三）、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

26、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。不得用于商業(yè)用途僅供個人參考2）、選擇合適的 6、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)）。3）、用計算機記錄實驗時所有的過渡過程實時曲線，并進(jìn)行分析。2、雙容水箱液位控制系統(tǒng)（一）、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 h2o2）、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，接通單片機控制屏，

27、并啟動計算機監(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

28、錄余差大小。7）、減小 6,重復(fù)步驟 6,觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。8）、增大 6,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 6 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)定后再做另一次試驗。（二）、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 6 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)

29、量的輸出波形，并記錄不同 Ti 值時的超調(diào)量 up。表二、值不變、不同Ti時的超調(diào)量op積分時間常數(shù) Ti大中小超調(diào)里pp3）、固定積分時間 Ti 于某一中間值，然后改變 6 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 6 值下的超調(diào)量 crp。表三、Ti值不變、不同8值下的op比例度 6大中小超調(diào)量 0-p4）、選擇合適的 6 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。（三）、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。

30、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 6、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不得用于商業(yè)用途僅供個人參考（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。（四）、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，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)

31、器的比例度 6,并且每當(dāng)減小一次比例度 6,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6,直到輸出響應(yīng)曲線呈現(xiàn)等幅振蕩為止。 如果響應(yīng)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 7-4 所示的等幅振蕩。圖 7-3 為它的實驗方塊圖。圖7-3、具有比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)2）、在圖 7-3 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 6 就是臨界比例度，用 6k 表示之，相應(yīng)的振蕩周期就是臨界周期 Tko 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) 6、T

32、i 和 Td。表四、用臨界比例度6k整定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)器參數(shù)調(diào)節(jié)器 Qr一一一6kTi(S)Td(S)P26kPI2.26kTk/1.21PID1.66k0.5Tk0.125Tk3）、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)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6、Ti（或 Td）作適當(dāng)調(diào)整。（五）、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不得用于商業(yè)用途?僅供個人參考線（為 4:1）,求得相應(yīng)的比例度 6s 和

33、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)。對于 4:1 衰減曲線法的具體步驟如下：1）、置調(diào)節(jié)器積分時間 Ti 到最大值（Ti=oo）,微分時間 Td 為零（Td=0）,比例度 6為較大值，讓系統(tǒng)投入閉環(huán)運行。2）、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，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 7-5 所示 4:1 的衰減振蕩過程。記下此時的比例度 6s和振蕩周期 Ts 的數(shù)值。3）、利用 6s 和 Ts 值，按表五給出的經(jīng)驗公式，求調(diào)節(jié)器參數(shù) 6、Ti 和 Td 數(shù)值。表五4:1衰減曲線法整定計算

34、公式調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱6TiTdP6sPI:1.2 人0.5TsPID0.8 人0.3Ts0.1Ts五、實驗報告要求1）、繪制單/雙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）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）、P 調(diào)節(jié)時，作出不同 6 值下的階躍響應(yīng)曲線。5）、PI 調(diào)節(jié)時，分別作出 Ti 不變、不同 6 值時的階躍響應(yīng)曲線和 6 不變、不同 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 的作用。7）、比較 P、PI 和

35、PID 三種調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)余差和動態(tài)性能的影響。六、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）、必須在老師的指導(dǎo)下，啟動計算機系統(tǒng)和單片機控制屏。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。七、思考題1）、如何實現(xiàn)減小或消除余差？純比例控制能否消除余差？2）、試定性地分析三種調(diào)節(jié)器的參數(shù) 6、（6、Ti）和（6、Ti 和 Td）。的變化對控制過程各產(chǎn)生什么影響？3）、實驗系統(tǒng)在運行前應(yīng)做好哪些準(zhǔn)備工作？不得用于商業(yè)用途僅供個人參考圖7-54:1衰減響應(yīng)曲線4）、為什么雙容液位控制系統(tǒng)比單容液位控制系統(tǒng)難于穩(wěn)定？5）、有人說：由于積分作用增強，系統(tǒng)會不穩(wěn)定

36、，為此在積分作用增強的同時應(yīng)增大比例度 6,你認(rèn)為對嗎？為什么？6）、試用控制原理的相關(guān)理論分析 PID 調(diào)節(jié)器的微分作用為什么不能太大？7）、為什么微分作用的引入必須緩慢進(jìn)行？這時的比例度 6 是否要改變？為什么？8）、調(diào)節(jié)器參數(shù)（6、Ti 和 Td）的改變對整個控制過程有什么影響？不得用于商業(yè)用途圖 12-1 為一液位用級控制系統(tǒng)的萬框圖（圖12-2 為其結(jié)構(gòu)圖）。這種系統(tǒng)具有 2 個調(diào)節(jié)器，主、副兩個被控對象，2 個調(diào)節(jié)器分別設(shè)置在主、副回路中。設(shè)在主回路的調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，設(shè)在副回路的調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器。兩個調(diào)節(jié)器串聯(lián)連接，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副回路的給定量，副調(diào)節(jié)器的輸出去控制執(zhí)行元

37、件。主對象的輸出為系統(tǒng)的被控制量 h2,副對象的輸出 h1個輔助的被控變量。2、用級系統(tǒng)的抗干擾能力審級系統(tǒng)由于增加了副回路，因向?qū)τ谶M(jìn)入副回路的干擾具有很強的抑制作用，使作用于副不得附于商業(yè)用途進(jìn)水?dāng)_動塔1TF*二上水霸二1斤一1蛤定值叫H心調(diào)節(jié)器1進(jìn)水?dāng)_動“人國,I1,1,+*PID調(diào)節(jié)耨 W女初選一一泉*4：箱僅供個人參考實驗四液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究實驗學(xué)時：2 學(xué)時實驗類型：綜合實驗要求：限選一、實驗?zāi)康?）、熟悉審級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制特點。2）、掌握審級控制系統(tǒng)的投運與參數(shù)整定方法。3）、研究階躍擾動分別作用在副對象和主對象時對系統(tǒng)主被控量的影響二、實驗設(shè)備1）TKGK-1

38、型過程控制實驗裝置：變頻調(diào)速器（GK-07-2）直流調(diào)速器（GK-06）模擬 PID 調(diào)節(jié)器（GK-04）二臺2）萬用電表一只、計算機系統(tǒng)和 GK-03圖12-1、液位串級控制系統(tǒng)的方框圖1、審級控制系統(tǒng)的組成僅供個人參考環(huán)的干擾對主變量的影響大大減小。 主回路是一個定值控制系統(tǒng)， 而副回環(huán)是一個隨動控制。在設(shè)計審級控制系統(tǒng)時，要求系統(tǒng)副對象的時間常數(shù)要遠(yuǎn)小于主對象。此外，為了保證系統(tǒng)的控制精度，一般要求主調(diào)節(jié)器設(shè)計成 PI 或 PID 調(diào)節(jié)器，而副調(diào)節(jié)器則一般設(shè)計為比例 P 控制，以提高副回路的快速響應(yīng)。在搭實驗線路時，要注意到兩個調(diào)節(jié)器的極性（目的是保證主、副回路都是負(fù)反饋控制）。3、審級

39、控制系統(tǒng)與單回路的控制系統(tǒng)相比審級控制系統(tǒng)由于副回路的存在，改善了對象的特性，使等效副對象的時間常數(shù)減小，系統(tǒng)的工作頻率提高，從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能，使系統(tǒng)的響應(yīng)加快。同時，由于用級系統(tǒng)具有主副兩只調(diào)節(jié)器，使它的開環(huán)增益變大，因而使系統(tǒng)的擾干擾能力增強。4、審級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定審級控制系統(tǒng)中兩個控制器的參數(shù)都需要進(jìn)行整定，其中任一個控制器任一參數(shù)值發(fā)生變化，對整個審級系統(tǒng)都有影響。因此，用級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定要比單回路控制系統(tǒng)復(fù)雜一些。常用的整定方法有：逐步逼近法、一步整定法、兩步整定法。四、實驗步驟1）、按圖 12-1 和圖 12-2,連接好實驗線路，并進(jìn)行零位與增益的調(diào)節(jié)。2）、正確設(shè)

40、置 PID 調(diào)節(jié)器的開關(guān)位置：副調(diào)節(jié)器：純比例（P）控制，反作用，自動，KC2（副回路的開環(huán)增益）較大。主調(diào)節(jié)器：比例積分（PI）控制，反作用，自動，KC1KC2（KC1主回路開環(huán)增益）03）、利用一步整定法整定系統(tǒng)：a、先將主、副調(diào)節(jié)器均置于純比例 P 調(diào)節(jié)，并將副調(diào)節(jié)器的比例度 6 調(diào)到 30 流右。b、將主調(diào)節(jié)器置于手動，副調(diào)節(jié)器置于自動，通過改變主調(diào)節(jié)器的手動輸出值使下水箱液位達(dá)到設(shè)定值。c、將主調(diào)節(jié)器置于自動，調(diào)節(jié)比例度 6,使輸出響應(yīng)曲線呈 4:1 衰減，記下 6s和 Ts,據(jù)此查表求出主調(diào)節(jié)器的 6 和 Ti 值。（注）：閥 4 的開度必須小于閥 2 的開度實驗才能成功。五、實驗報告要求1）、記錄實驗過程曲線。2）、擾動作用于主、副對象，觀察對主變量（被控制量）的影響。3）、觀察并分析副調(diào)節(jié)器KP的大小對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。4）、觀察并分析主調(diào)節(jié)的KP與 Ti對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。六、思考題1）、試述審級控制系統(tǒng)為什么對主擾動具有很強的抗擾動能力？如果副對象的時間常數(shù)不是遠(yuǎn)小于主對象的時間常數(shù)時，這時副回路抗擾動的優(yōu)越性還具有嗎？為什么？2）、采用一步整定法的理論依據(jù)是什