儀表實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、實(shí)驗(yàn)四溫度控制系統(tǒng)（一）.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1了解溫度控制系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié)和各環(huán)節(jié)的作用2. 觀察比例、積分、微分控制規(guī)律的作用，并比較其余差及穩(wěn)定性。3. 觀察比例度3、積分時(shí)間Ti、微分時(shí)間Td對控制系統(tǒng)（閉環(huán)特性）控制品 質(zhì)的影響。.溫度控制系統(tǒng)的組成:電動溫度控制系統(tǒng)是過程控制系統(tǒng)中常見的一種，其作用是通過一套自 動控制裝置，見圖4-1，使?fàn)t溫自動維持在給定值。電爐電烙鐵可控硅輸出電壓,g于擾幵關(guān)徉擾圖4-1溫度控制系統(tǒng)爐溫的變化由熱電偶測量，并通過電動溫度變送器轉(zhuǎn)化為DDZ-H型表的標(biāo)準(zhǔn)信號010mA直流電流信號，傳送到電子電位差計(jì) XW（進(jìn)行記錄，同時(shí) 傳送給電動控制器DTL控制器按偏差的大

2、小、方向，通過預(yù)定控制規(guī)律的運(yùn) 算后，輸出010mAft流電流信號給可控硅電壓調(diào)整器 ZK-50,通過控制可控 硅的導(dǎo)通角，以調(diào)節(jié)加到電爐（電烙鐵）電熱元件上的交流電壓，消除由于 干擾產(chǎn)生的爐溫變化，穩(wěn)定爐溫，實(shí)現(xiàn)自動控制。三.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟：(一)觀察系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)、型號、電路的連接，熟悉可控硅電壓調(diào)整器 和電動控制器上各開關(guān)、旋鈕的作用。(二)控制系統(tǒng)閉環(huán)特性的測定：在以下實(shí)驗(yàn)中使用以下具體數(shù)值：S 1(50%) , S 2 (80%), Ti i(50s) ,T 2 (40s),TD1(30s) 來觀察比例與積分控制規(guī)律的作用(1) 考察比例作用將S置于某值50%記住S旋鈕在S 1的位

3、置,積分時(shí)間置最大(Ti =maX ,微分開關(guān)切向0,將干擾開關(guān)從“短”切向“干擾”, 產(chǎn)生一個(gè)階躍干擾(此時(shí)為反向干擾) ，同時(shí)在記錄儀的記錄線上 作一記號，以記錄階躍干擾加入的時(shí)刻， 觀察并記錄在純比例作用 下達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間及余差大小。( 2) 考察積分作用保持S = S i不變，置t =T 1，同時(shí)在記錄儀的記錄線上作一記號， 以記錄積分作用加入的時(shí)刻， 注意觀察積分作用如何消除余差， 直 到過程基本穩(wěn)定。2觀測 Pi 控制作用下的過渡過程保持S 1, Ti 1不變，將干擾開關(guān)從“干擾”切向“短”，產(chǎn)生一個(gè)正向階躍 干擾，觀察過渡過程到基本穩(wěn)定。3. 考察S對余差的影響置S =S 2 ,

4、 Ti =max ,將干擾開關(guān)從“短”切向“干擾”，產(chǎn)生一個(gè)反向階 躍干擾，同時(shí)在記錄儀的記錄線上作一記號， 以記錄階躍干擾加入的時(shí)刻， 觀察并記錄在純比例作用下達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間及余差大小。 并與 1(1)中 S =S 1 時(shí)的余差相比較。再加入積分作用 Ti =Ti 1 以消除余差直到過程基本穩(wěn)定。4. 考察 Ti 對過渡過程的影響置S =S 1 , Ti =Ti 2，將干擾開關(guān)從“干擾”切向“短”，產(chǎn)生一個(gè)正向階 躍干擾，同時(shí)在記錄儀的記錄線上作一記號， 以記錄階躍干擾加入的時(shí)刻， 觀察過渡過程到基本穩(wěn)定， 并與 2中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較， 以了解 Ti 對過渡過程的影響。注意：要在同樣條件下

5、才能進(jìn)行比較，即S旋鈕的位置要與2中的位置完全一致，才能保證此時(shí)的S i與2中的S i是相等的5觀測PID控制作用下的過渡過程保持S =S i , Ti =Ti 2不變，置Td=Tdi，微分開關(guān)切向D，將干擾開關(guān)從 “短”切向“干擾” ，等待過程穩(wěn)定后，同時(shí)在記錄儀的記錄線上作一記 號，以記錄階躍干擾加入的時(shí)刻，觀察過渡過程，并與 PI 控制作用下的 過渡過程進(jìn)行比較。6. 考察S對穩(wěn)定性的影響將S減小到1%, Ti =max微分開關(guān)切向0,觀察過渡過程波動曲線。7. 簡單控制系統(tǒng)的參數(shù)整定采用衰減曲線法（4 ： 1）進(jìn)行參數(shù)整定，在純比例（T=max，微分開關(guān)切向 0）作用下，S置于一個(gè)較大

6、的數(shù)值（3060%），用改變給定值（一般為 5 個(gè)小格左右） 額定值的 5%左右，本實(shí)驗(yàn)可改變給定值刻度盤上的五個(gè)小格的 方法加入階躍輸入，觀察記錄曲線（過渡過程） ，并計(jì)算衰減比，此時(shí)衰減比 若大于4 : 1 ,應(yīng)減小S值，再用改變給定值的方法加入階躍輸入，觀察記 錄曲線，并計(jì)算衰減比，直到得到衰減比為 4 : 1的過渡過程，記下此時(shí)的 比例度S s,并通過尺子量出衰減振蕩曲線中一個(gè)周期的長度，根據(jù)記錄儀的 走紙速度計(jì)算出振蕩周期 TS ，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：S =S s ，T i=TD=求出相應(yīng)的S、Ti、Td值，把它們加到控制器中，此時(shí)給定值不要變， 將干擾開關(guān)從“短”切向“干擾” ，觀察

7、記錄的（反向階躍）過渡過程曲線， 再將干擾開關(guān)從 “干擾”切向“短”，觀察記錄的 （正向階躍）過渡過程曲線， 跟各組提供的標(biāo)準(zhǔn)過渡過程曲線（歷屆同學(xué)做得最好的過渡過程曲線）相比較，注意正向的與正向的比較，反向的與反向的比較，若有差距，可以適當(dāng)改變3、T、Td值(每次改變3、T、Td值，均要記錄)，重復(fù)以上過程，直 到控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量接近或超過標(biāo)準(zhǔn)。四問題討論1 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論比例、比例積分、比例積分微分控制規(guī)律的作用，比較余 差及穩(wěn)定性A. 考察純比例作用(3 =50% T =max Td=0),達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間是2' 46'',余差大小是 12mmB. 考察積分作用(

8、3 =50% Ti i=50s, Td=0),比較積分與比例作用的曲線發(fā)現(xiàn) 是相互對稱的，余差的消除時(shí)間與比例積分過渡時(shí)間基本一致。C. 在PI作用下，系統(tǒng)加入干擾后能消除余差，然而振蕩變劇烈，降低了系統(tǒng) 的穩(wěn)定性。D. 對于擾動作用，考察3對余差的影響，由圖比較在(3 =80% Ti =max Td=0) 和在(3 =50% Ti =max Td=0)控制作用下的兩條曲線可知，3 =80%寸應(yīng)的余 差為33mm>12mmi說明3越大，余差越大E. T i對過渡過程的影響通過比較(3 =50% Ti i =50s，Td=0)和(3 =50% Ti2 =40s, Td=0)，發(fā)現(xiàn)積分時(shí)間越

9、小，積分作用越強(qiáng)，消除余差越快，振蕩加 劇，穩(wěn)定性降低。F. PID 作用下(3 =50% Ti 2=40s, Td=30s)，與 PI 下(3 =50% Ti =40s, Td=0)的控制過程比較， PiD 作用下的曲線較平穩(wěn)，穩(wěn)定性較高，回復(fù)時(shí)間短，能較 好地實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)過程。這說明在負(fù)荷變化劇烈、擾動幅度大的系統(tǒng)中，適當(dāng)引入微分作用，可在一 定程度上提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量。這是因?yàn)楫?dāng)控制器在感受到偏差后再進(jìn)行控 制，過程已經(jīng)受到較大幅度擾動的影響，而引入微分作用后，當(dāng)被控變量一 有變化時(shí)，根據(jù)變化趨勢適當(dāng)加大控制器的輸出信號，將有利于克服擾動對 被控變量的影響，抑制偏差的增長，從而提高系統(tǒng)的

10、穩(wěn)定性。3對于過渡過程的影響，綜上分析可知它的值越小，比例控制作用越強(qiáng)，余差小，當(dāng)3減小到 1%，實(shí)現(xiàn)純比例控制時(shí)，將出現(xiàn)發(fā)散振蕩的情況，這是因?yàn)槠湫∮谄渑R界比例度2分析不同的3、T、Td對過渡過程的影響。綜合 1的考察分析，歸納如下：3對過渡過程的影響：a. 在擾動存在時(shí)，最后的被控變量與設(shè)定值總會存在一定的偏差。這是因?yàn)橐坏┫到y(tǒng)的平衡關(guān)系遭到破壞時(shí)，控制器必須有一個(gè)輸出量才 能建立新的平衡關(guān)系，而比例控制器的輸出又是正比于輸入 e 的，因而這時(shí) 控制器的輸入必然不會為 0b. 3越小，衰減比越小，比例控制作用增強(qiáng)，余差減小，回復(fù)時(shí)間縮短，能 較快地將被控變量拉到設(shè)定值，但是另一方面，值越小

11、，穩(wěn)定性會越低，特 別是當(dāng)3減小到小于其臨界比例度3 k 時(shí)，系統(tǒng)發(fā)散振蕩，可能會造成事故。TI 對過渡過程的影響在純比例作用下引入積分作用，若保持控制器的比例度不變，隨著TI 減小，積分作用增強(qiáng)，消除余差快，但另一方面使震蕩加劇，衰減比下降，穩(wěn) 定性下降。Td對過渡過程的影響Td越大，微分作用越強(qiáng)，過大則可能會造成系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈振蕩。3 . 繪制一組你在改進(jìn)控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量的過程中所得到的過渡過程曲線， 并注明各參數(shù)值。衰減比4:1下得到的S s=10%通過尺子量出衰減振蕩曲線中一個(gè)周期的長度為5.5mm 而走紙速度為300mm/h故Ts=300*3600=66s；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式S =S S

12、=TI =T D=把它們加入到控制器中，曲線呈發(fā)散，使曲線發(fā)散的因素包括3、 Ti、Td , 根據(jù)理論可知在Ti越小，Td和3保持不變的情況下，曲線越容易發(fā)散（故后 續(xù)的值均應(yīng)往大調(diào)）經(jīng)過幾組的參數(shù)調(diào)節(jié)，進(jìn)行質(zhì)量的控制，涉及的參數(shù)如下表所示序號123456789103 /%16161313181818161513Ti /s303020303028303030Td / 針對你的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)與結(jié)果，討論為了得到更好的控制質(zhì)量，如何根據(jù)實(shí) 際的過渡過程的具體缺陷，調(diào)整3、 T、Td值。由此次實(shí)驗(yàn)總結(jié)，控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量應(yīng)盡量使最后的溫度變化不會太明 顯，即波動不會太劇烈(本實(shí)驗(yàn)

13、建議在衰減比為 4: 1的情況下調(diào)整)，并且, 另一方面，過渡時(shí)間盡量短為此，大體上遵循以下步驟調(diào)整(1)在參數(shù)值使系統(tǒng)發(fā)生發(fā)散時(shí)，首先得確定三個(gè)參數(shù)中是哪個(gè)參數(shù)對 其造成了最大的影響，可以通過控制變量法來確定(2 )發(fā)現(xiàn)是積分時(shí)間對其發(fā)散影響最大的情況下，在微分時(shí)間一定的情 況下調(diào)節(jié)，可以適當(dāng)?shù)匕逊e分時(shí)間調(diào)大，同時(shí)比例度應(yīng)適當(dāng)調(diào)小(這兩個(gè)參 數(shù)值均在求出的經(jīng)驗(yàn)值的附近值)一方面是為了避免發(fā)散現(xiàn)象，另一方面是 為了盡量使削減比保持在4: 1左右，振蕩不會過度劇烈(3 )在保證溫度不會變化得太大的情況下，再調(diào)整微分時(shí)間來實(shí)現(xiàn)縮短 過渡時(shí)間的控制效果五、心得體會1. 在考察比例、積分、微分控制規(guī)律

14、對系統(tǒng)的作用時(shí)，每調(diào)一次值，必需等 到被控變量不再改變時(shí)再繼續(xù)進(jìn)行下一步，否則會造成偏差的積累，對于最 后的結(jié)果產(chǎn)生影響。2. 干擾開關(guān)從“干擾”切向“短”，或者從“短”切向“干擾”均產(chǎn)生一個(gè)階 躍信號，故每次在調(diào)好參數(shù)后，欲使其對系統(tǒng)施加影響，都必須切換開關(guān)。3. 做實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)認(rèn)真思考調(diào)節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)施加的控制作用的規(guī)律，從而指導(dǎo)下 一個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟，如在考察 TI 對余差的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn) TI 值對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性也 會產(chǎn)生一定的影響，過小則振蕩加劇，故在下一步設(shè)置參數(shù)值時(shí)，應(yīng)該控制 其大小，防止發(fā)散。4. 當(dāng)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)散時(shí)，為使系統(tǒng)能較快地恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)，則根據(jù)在實(shí)驗(yàn)過程中 獲得的最快使系統(tǒng)恢復(fù)的參數(shù)來調(diào)節(jié)，以節(jié)約時(shí)間。5. 在衰減比 4：1的前提下做參數(shù)整定的實(shí)驗(yàn)，是因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)中，定值系統(tǒng) （設(shè)定值不變，通過切換干擾開關(guān)