過程控制系統(tǒng)實驗

1、1第一部分第一部分 產(chǎn)品使用說明產(chǎn)品使用說明一、概述生產(chǎn)與生活的自動化是人類長久以來所夢寐以求的目標(biāo)，在 18 世紀自動控制系統(tǒng)在蒸汽機運行中得到成功的應(yīng)用以后，自動化技術(shù)時代開始了。當(dāng)經(jīng)過20 世紀后半葉的快速發(fā)展，特別是計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，進入 21 世紀的今天，自動控制的應(yīng)用已相當(dāng)普遍，自動化技術(shù)已成為當(dāng)今舉世矚目的高技術(shù)之一，也是今后實現(xiàn)工業(yè)高度自動化重點發(fā)展的一個高科技領(lǐng)域。在石油、化工、制藥、熱工、材料和輕工等行業(yè)領(lǐng)域中，以溫度、流量、液位、壓力和成分為主要被控變量的控制系統(tǒng)都稱為“過程控制” 。過程控制不僅在傳統(tǒng)工業(yè)改造中，起到了提高質(zhì)量，節(jié)約原材料和能源，減少環(huán)境污染等十分重

2、要的作用，而且在成為新建的規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程中不可缺少的組成部分。在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，過程控制技術(shù)正為實現(xiàn)各種最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)、提高經(jīng)濟效益和勞動生產(chǎn)效率、改善勞動條件、保護生態(tài)環(huán)境等方面起越來越大的作用。二、AE2000 系統(tǒng)介紹 AE2000 型過程控制智能儀表控制實驗裝置是根據(jù)自動化專業(yè)及相關(guān)專業(yè)教學(xué)特點，吸取了國外同類實驗裝置的特點和長處，并與目前工業(yè)自動化現(xiàn)場緊密聯(lián)系，采用了工業(yè)廣泛上使用并處于領(lǐng)先的智能控制系統(tǒng)，經(jīng)過精心設(shè)計，多次實驗和反復(fù)論證，推出的一套基于本科，著重于研究生教學(xué)、學(xué)科基地建設(shè)的實驗設(shè)備。該設(shè)備涵蓋了信號和信息處理 、 傳感技術(shù) 、 工程檢測 、模式

3、識別 、 控制理論 、 自動化技術(shù) 、 智能控制 、 過程控制 、 自動化儀表 、 計算機應(yīng)用和控制 、 計算機控制系統(tǒng)等課程的教學(xué)實驗與研究。整個系統(tǒng)美觀實用，功能多樣，使用方便，既能進行驗證性、設(shè)計性實驗，又能提供綜合性實驗，可以滿足不同層次的教學(xué)和研究要求。 本實驗裝置的檢測信號、控制信號及被控信號均采用 ICE 標(biāo)準，即電壓05V 或 15V，電流 010m A 或 420mA。實驗系統(tǒng)供電要求三相交流電：380V，外型尺寸： 重量： AE2000 型過程控制實驗裝置集多參數(shù)閉環(huán)控制為一體，由過程控制對象、智能儀表模塊、智能遠程數(shù)據(jù)采集模塊、執(zhí)行器模塊、信號檢測模塊等組成，各個模塊間可

4、以靈活組合，融合了工業(yè)上的主要控制手段，涉及了溫度、壓力、流量和液位等重要的過程控制參數(shù)。一） 、AE2000 系統(tǒng)主要特點1被調(diào)參數(shù)囊括了流量、壓力、液位、溫度四大熱工參數(shù)。2執(zhí)行器中既有電動調(diào)節(jié)閥（或氣動調(diào)節(jié)閥）儀表類執(zhí)行機構(gòu)，又有變頻器、2三相 SCR 移相調(diào)壓等電力拖動類執(zhí)行器。3調(diào)節(jié)系統(tǒng)除了有調(diào)節(jié)器的設(shè)定值階躍擾動外，還有在對象中通過電磁閥和手操作閥制造各種擾動。4一個被調(diào)參數(shù)可在不同動力源、不同的執(zhí)行器、不同的工藝線路下可演變成多種調(diào)節(jié)回路，以利于討論、比較各種調(diào)節(jié)方案的優(yōu)劣。5某些檢測信號、執(zhí)行器在本對象中存在相互干擾，二者同時進行時要對原獨立調(diào)節(jié)系統(tǒng)的被調(diào)參數(shù)進行重新整定，還可

5、對復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)比較優(yōu)劣。6各種控制算法和調(diào)節(jié)規(guī)律在開放的實驗軟件平臺上都可以控制。7實驗數(shù)據(jù)及圖表在 MCGS 軟件系統(tǒng)中很容易存儲及調(diào)用，以便實驗者進行實驗后的比較和分析。該系統(tǒng)設(shè)計本著工程化、參數(shù)化、現(xiàn)代化、開放性、綜合性人才的培養(yǎng)原則出發(fā)。實驗對象采用了很多工業(yè)現(xiàn)場常用檢測控制裝置，儀表采用具有人工智能算法及通訊接口的智能調(diào)節(jié)儀，上位機監(jiān)控軟件采用 MCGS 工控組態(tài)軟件，基型產(chǎn)品控制系統(tǒng)既有上位監(jiān)控機加智能儀表控制系統(tǒng)，又有上位監(jiān)控機加遠程數(shù)據(jù)采集計算機 DDC 控制系統(tǒng)。擴展信號接口便于控制系統(tǒng)二次開發(fā)。對象系統(tǒng)還留有擴展連接口，以便進行 DCS 控制，計算機 DDC 控制，PLC

6、控制開發(fā)。學(xué)生通過對該系統(tǒng)的了解和使用，進入企業(yè)后能夠很快適應(yīng)環(huán)境進入角色。同時該系統(tǒng)也為教師和研究生提供一個高水平的學(xué)習(xí)和研究開發(fā)平臺。二） 、AE2000 實驗對象組成結(jié)構(gòu) 過程控制實驗對象系統(tǒng)包含有：不銹鋼儲水箱、強制對流換熱系統(tǒng)、上下串接的有機玻璃雙容上下小水箱、三相 4.5KW 電加熱鍋爐（由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加溫筒和封閉式外循環(huán)不銹鋼冷卻鍋爐夾套組成） ，純滯后盤管實驗裝置。系統(tǒng)動力支路分兩路組成：一路由單相丹麥格蘭富循環(huán)水泵、電動調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計、自鎖緊不銹鋼水管及手動切換閥組成；另一路由小流量水泵、變頻調(diào)速器、小流量電磁流量計、自鎖緊不銹鋼水管及手動切換閥組成。如圖所示：3 三）

7、 、AE2000 實驗對象中的各類檢測變送及執(zhí)行裝置 AE2000 實驗對象檢測及執(zhí)行裝置包括：檢測裝置：三個擴散硅壓力液位傳感器分別用來檢測小流量水泵管道壓力、雙容上小水箱、下小水箱液位。一個電磁流量、一個渦輪流量傳感器分別用來檢測小流量泵動力支路流量和單相格蘭富水泵動力支路流量。四個 Pt100 熱電阻溫度傳感器分別用來檢測鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套和對流換熱器冷水出口、熱水出口、純滯后盤管出口水溫。執(zhí)行裝置：一個三相可控硅移相調(diào)壓裝置用來調(diào)節(jié)三相電加熱管工作電壓。一個電動調(diào)節(jié)閥，一個變頻器。1、液位傳感器使用說明工作原理：當(dāng)被測介質(zhì)（液體）的壓力作用于傳感器時，壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號，

8、經(jīng)歸一化差分放大和輸出放大器放大，最后經(jīng) V/A 電壓電流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與被測介質(zhì)（液體）的液位壓力成線性對應(yīng)關(guān)系的 420mA 標(biāo)準電流輸出信號。接線如圖所示：4接線說明：傳感器的端子位于中繼箱內(nèi)，電纜線從中繼箱的引線口接入，采用兩線制接法。零點和量程調(diào)整：零點和量程調(diào)整電位器位于中繼箱內(nèi)。校正時打開中繼箱蓋，即可進行調(diào)整，左邊的（Z）是調(diào)零電位器，右邊的（R）是調(diào)量程電位器。2、溫度傳感器Pt100 熱電阻工作原理：接線說明：連接兩端元件熱電阻采用的是三線制接法。采用三線制接法是為了減少測量誤差。因為在多數(shù)測量中，熱電阻遠離測量電橋，因此與熱電阻相連接的導(dǎo)線長，當(dāng)環(huán)境溫度變化時，連接導(dǎo)線的電

9、阻值將有明顯的變化，為了消除連接導(dǎo)線阻值的變化而產(chǎn)生的測量誤差，就采用了三線制接法。即在兩端元件的兩端分別引出兩條導(dǎo)線，這兩條導(dǎo)線（材料相同、長度、粗細相等）又分別加在電橋相鄰的兩個橋臂上，如上圖所示。3、流量計（渦輪流量計、電磁流量計）1） 、渦輪流量計：00.6m3/h2)、電磁流量計：00.3 m3/h4、壓力表測量范圍：0.25MPa55、電動調(diào)節(jié)閥QSVP-16N 智能電動單座調(diào)節(jié)閥主要技術(shù)參數(shù)：執(zhí)行機構(gòu)型式：智能型直行程執(zhí)行機構(gòu)輸入信號：010mA/420mADC/05VDC/15VDC輸入阻抗：250/500輸出信號：420mADC輸出最大負載：時，h（）=KR0，因而有K=h（

10、）/R0=輸出穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入上式表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖 1-2 所示。當(dāng)由實驗求得圖 1-2 所示的 階躍響應(yīng)曲線后，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的 63%所對應(yīng)時間，就是水箱的時間常數(shù) T，該時間常數(shù) T 也可以通過坐標(biāo)原點對響應(yīng)曲線作切線，切線與穩(wěn)態(tài)值交點 所對應(yīng)的時間就是時間常數(shù) T，其理論依據(jù)是：上式表示 h（t）若以在原點時的速度 h（）/T 恒速變化，即只要花 T 秒時間就可達到穩(wěn)態(tài)值 h（） 。四、實驗內(nèi)容四、實驗內(nèi)容1、設(shè)備的連接和檢查（1）關(guān)閉儲水箱的出水閥 1 和閥 22，將 AE2000 實驗對象的儲水箱灌滿水（至最高高度） 。（2）打開以丹麥泵、

11、電動調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計組成的動力支路至上水箱的出水圖 1-2 階躍響應(yīng)曲線20閥門：閥 1、閥 4、閥 6，關(guān)閉動力支路上通往其他對象的切換閥門:閥 2、閥10、閥 17、閥 20。（3） 、打開上水箱的出水閥-閥 8 至適當(dāng)開度。（4） 、檢查電源開關(guān)是否關(guān)閉2、系統(tǒng)連線圖圖 1-3 實驗接線圖1）如圖 1-3 所示，將 I/O 信號接口板上的上水箱液位的鈕子開關(guān)打到 OFF位置。2）將上水箱液位+（正極）接到任意一個智能調(diào)節(jié)儀的 1 端（即 RSV 的+極），上小水箱液位-（負端）接到智能調(diào)節(jié)儀的 2 端（即 RSV 的-極） 。3）將智能調(diào)節(jié)儀的 420mA 輸出端的 7 端（即+極）接

12、至電動調(diào)節(jié)閥的420mA 輸入端的+端（即正極） ，將智能調(diào)節(jié)儀的 420mA 輸出端的 5 端（即-極）接至電動調(diào)節(jié)閥的 420mA 輸入端的-（即負極） 。4）電源控制與接口面板上的單相泵電源開關(guān)打在關(guān)的位置。5）電動調(diào)節(jié)閥的220V 電源開關(guān)打在關(guān)的位置 。6）智能調(diào)節(jié)儀的220V 輸入的 L 端（即 9 端）和 N 端（即 10 端）也分別接單相（220V/5A）的 2L 端和 2N 端。7）三相電源、單相、單相的空氣開關(guān)打在關(guān)的位置213、啟動實驗裝置1）將實驗裝置電源插頭接到三相 380V 的三相交流電源。2）打開電源三相帶漏電保護空氣開關(guān)和總電源鑰匙開關(guān)。3）按下電源控制屏上的啟

13、動按鈕，即可開啟電源，電壓表指示 380V。4、實驗步驟1）開啟單相空氣開關(guān)，根據(jù)儀表使用說明書和液位傳感器使用說明調(diào)整好儀表各項參數(shù)和液位傳感器的零位、增益，儀表輸出方式設(shè)為手動輸出，初始值為 0。2）啟動計算機 MCGS 組態(tài)軟件，進入實驗系統(tǒng)相應(yīng)的實驗如圖所示：3）雙擊設(shè)定輸出按鈕，設(shè)定輸出值的大小，或者在儀表手動狀態(tài)下，按住儀表的 STOP 鍵將儀表的輸出值上升到所想設(shè)定的值，這個值根據(jù)閥門開度的大小來給定，一般初次設(shè)定值測量值，且當(dāng) e=VS-VPdF(回差)時，調(diào)節(jié)器的繼電器線圈接通，常開觸點變成常閉，電加熱管接通，220V 電源而加熱。隨著水溫 T 的升高，Vp 也不斷增大，e

14、相應(yīng)變小。若 T 高于給定值，即 VsVp，e=Vg-Vi=負值，若 e-dF 時，則兩位調(diào)節(jié)器的繼電器線圈斷開，常閉觸點變成常開，切斷電熱絲的供電。由于這種控制方式具有沖擊性，易損壞元器件，只是在對控制質(zhì)量要求不高的系統(tǒng)才使用。圖 3-2 位式控制系統(tǒng)的方塊圖 31圖 3-2 位式控制系統(tǒng)的原理框圖如圖 3-2 系統(tǒng)的方框圖所示，溫度給定值在智能儀表上通過設(shè)定獲得。被控對象為復(fù)合水箱中的電熱管，被控制量為內(nèi)套水箱的水溫。它由鉑電阻 PT100 測定，輸入到智能調(diào)節(jié)儀上。根據(jù)給定值加上回差 dF 與測量的溫度相比較向繼電器線圈發(fā)出控制信號，從而達到控制水箱溫度的目的。由過程控制原理可知，雙位控

15、制系統(tǒng)的輸出是一個斷續(xù)控制作用下的等幅振蕩過程，如圖 3-3 所示。因此不能用連續(xù)控制作用下的衰減振蕩過程的溫度品質(zhì)指標(biāo)來衡量，而用振幅和周期作為品質(zhì)指標(biāo)。一般要求振幅小，周期長，然而對同一雙位控制系統(tǒng)來說，若要振幅小，則周期必然短；若要周期長，則振幅必然大。因此通過合理選擇中間區(qū)以使振幅在限定范圍內(nèi)，而又盡可能獲得較長的周期。 圖 3-3 位式控系統(tǒng)的過程曲線五、實驗內(nèi)容五、實驗內(nèi)容 1）參照裝置使用說明書，按圖 3-2 所示的方塊圖，利用 AE2000 型實驗裝置組成控制系統(tǒng)。220V 交流電源相線經(jīng)過調(diào)節(jié)儀的繼電器常開觸點一端，引出的另一端接單相電加熱管，零線接單相電加熱管的零線接插座。

16、熱電阻信號接調(diào)節(jié)儀的熱電阻輸入端。2）啟動電源，分別在儀表上調(diào)節(jié)好設(shè)定值和回差 dF 的值。3）在老師的指導(dǎo)下，啟動計算機，進入 MCGS 組態(tài)環(huán)境運行軟件，進入相應(yīng)的實驗。如圖所示： ) .0324）系統(tǒng)運行后， 組態(tài)軟件自動記錄控制過程曲線。待穩(wěn)定振蕩 23 個周期后，觀察位式控制過程曲線的振蕩周期和振幅大小，記錄實驗曲線。實驗數(shù)據(jù)記錄如下：S（秒）T（）5）適量改變給定值的大小，重復(fù)實驗步驟 4） 。6）打開以變頻器、齒輪泵、電磁流量計組成的動力支路，把進水管路切換到復(fù)合小加溫箱上，啟動實驗裝置的供水系統(tǒng)，給復(fù)合小加溫箱的外套水箱加流動冷卻水，重復(fù)上述的實驗步驟。六、注意事項六、注意事項

17、1）溫度給定值必須要大于常溫。332）實驗線路全部接好后，必須經(jīng)指導(dǎo)老師檢查認可后，方可接通電源開始實驗。3）在老師指導(dǎo)下將計算機接入系統(tǒng)，利用計算機顯示屏作記錄儀使用，并保存每次實驗記錄的數(shù)據(jù)和曲線。七、實驗報告七、實驗報告1）畫出不同回差 dF 時的系統(tǒng)被控制量的過渡過程曲線，記錄相應(yīng)的振蕩周期和振蕩幅度大小。2）畫出加冷卻水時，被控量的過程曲線，并比較振蕩周期和振蕩幅度大小。3）綜合分析位式控制特點。八、思考題八、思考題1）為什么縮小回差 dF 值，能改善雙位控制系統(tǒng)的性能？2）為什么實際的雙位控制特性與理想的雙位控制特性有著明顯的差異？34實驗四實驗四 單容小水箱液位單容小水箱液位 P

18、IDPID 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)一、實驗?zāi)康囊?、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）分析分別用 P、PI 和 PID 調(diào)節(jié)時的過程圖形曲線。3）定性地研究 P、PI 和 PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。二、實驗設(shè)備二、實驗設(shè)備1）AE2000 型過程控制實驗裝置、上位機軟件、計算機、RS232-485 轉(zhuǎn)換器 1 只、串口線 1 根。2）萬用表一只三、實驗原理三、實驗原理PID 控制器電動調(diào)節(jié)閥上小水箱液位變送器+給定液位圖 4-1 一階單容上水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖擾動35系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖：圖 4-1 為單回路上小水箱液位控制系統(tǒng)，單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)

19、一般指在一個調(diào)節(jié)對象上用一個調(diào)節(jié)器來保持一個參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個測量信號，其輸出也只控制一個執(zhí)行機構(gòu)。本系統(tǒng)所要保持的恒定參數(shù)是液位的給定高度，即控制的任務(wù)是控制上小水箱液位等于給定值所要求的高度。根據(jù)控制框圖，這是一個閉環(huán)反饋單回路液位控制，采用工業(yè)智能儀表控制。當(dāng)調(diào)節(jié)方案確定之后，接下來就是整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，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)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，則會使控制質(zhì)量變壞，達不到預(yù)期效果。因此，當(dāng)一個單回路系統(tǒng)組成好以后，如何整定好控制器參數(shù)是一個很重要的實際問題。一個控制系統(tǒng)設(shè)

20、計好以后，系統(tǒng)的投運和參數(shù)整定是十分重要的工作。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 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 調(diào)節(jié)合36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 4-2 中的曲線、所示。 圖 4-2 P、PI 和 PID 調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線 四、實驗內(nèi)容

21、和步驟四、實驗內(nèi)容和步驟設(shè)備的連接和檢查：（1）將 AE2000 實驗對象的儲水箱灌滿水（至最高高度） 。（2）打開以丹麥泵、電動調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計組成的動力支路至上水箱的出水閥門：閥 24、閥 8、閥 23，關(guān)閉動力支路上通往其他對象的切換閥門:閥 22、閥 21、閥 20、閥 9、閥 12。（3）打開大水箱的出水閥：閥 7，至適當(dāng)開度。（4）檢查電源開關(guān)是否關(guān)閉系統(tǒng)連線1）將 I/O 信號接口板上的上小水箱液位的鈕子開關(guān)打到 OFF 位置。2）將上小水箱液位+（正極）接到任意一個智能調(diào)節(jié)儀的 1 端（即 RSV 的+極） ，將上小水箱液位-（負端）接到智能調(diào)節(jié)儀的 2 端（即 RSV 的-

22、極） 。3）將智能調(diào)節(jié)儀的 420mA 輸出端的 7 端（即+極）接至電動調(diào)節(jié)閥的 420mA輸入端的+端（即正極） ，將智能調(diào)節(jié)儀的 420mA 輸出端的 5 端（即-極）接至電動調(diào)節(jié)閥的 420mA 輸入端的-（即負極） 。4）單相水泵電動機的 1L 端接 TKJ-2 電源控制屏上對應(yīng)的單相（220V/5A）的1L 端（或單相（220V/5A）的 2L 端） ，將 1N 端接至單相（220V/5A）的 1N端（或單相（220V/5A）的 2N 端） 。 375）電動調(diào)節(jié)閥的220 輸入的 L 端接單相 （220V/5A）的 3L 端，N 端接單相 （220V/5A）的 3N 端 。6）智能

23、調(diào)節(jié)儀的220V 輸入的 L 端（即 9 端）和 N 端（即 10 端）也分別接單相 （220V/5A）的 3L 端和 3N 端。7）三相電源、單相、單相、單相的空氣開關(guān)打在關(guān)的位置啟動實驗裝置1）將實驗裝置電源插頭接到三相 380V 的三相交流電源。2）打開電源三相帶漏電保護空氣開關(guān)和總電源鑰匙開關(guān)。3）按下電源控制屏上的啟動按鈕，即可開啟電源，電壓表指示 380V。4）開啟單相空氣開關(guān)，調(diào)整好儀表各項參數(shù)（儀表初始狀態(tài)為手動且為 0）和液位傳感器的零位。比例調(diào)節(jié)控制1）啟動計算機 MCGS 組態(tài)軟件，進入實驗系統(tǒng)選擇相應(yīng)的實驗，如圖所示：2）啟動智能儀表，設(shè)置各項參數(shù)，將調(diào)節(jié)器置于手動零，

24、啟動動力支路，在上位機軟件上按手動按鈕，即可將調(diào)節(jié)儀的手動控制切換到自動控制。2）打開所有單相空氣開關(guān)，開始實驗。3）觀察計算機顯示屏上的曲線，待被調(diào)參數(shù)基本穩(wěn)定于給定值后，即可將調(diào)節(jié)器的“手動”開關(guān)撥到“自動”狀態(tài)。系統(tǒng)即投入閉環(huán)運行。386）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 P 重復(fù)步驟 5，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。8）增大 P 重復(fù)步驟 5，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。9）選擇合適的 P，可以得到較滿意的過渡過程曲線。改變設(shè)定值（如設(shè)定值由 50

25、變?yōu)?60） ，同樣可以得到一條過渡過程曲線。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“I” （積分器）由最大處（“關(guān)” ） 旋至中間某一位置，觀察被控制量是否能回到設(shè)定值，以驗證 PI 控制下，系統(tǒng)對階躍擾動無余差存在。2）固定比例 P 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。 表一 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）Ti、Td 固定于某一中間值，然后改變 P 的大小，觀

26、察加擾動后被調(diào)量輸出的動態(tài)波形，據(jù)此列表記錄不同值 Ti 下的超調(diào)量 p。 表二 不同 值下的 p比例 P大中小超調(diào)量 p4）選擇合適的 P 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，即把在儀表上設(shè)置 D 參數(shù)，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（二）PI 控制下的曲線相比較，由此可看到微分 D 對系統(tǒng)性能的影響。2）選擇合適的 P、Ti 和 Td，使系統(tǒng)的輸出響

27、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）在歷史曲線中選擇一條較滿意的過渡過程曲線進行記錄。（四）用臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)39 在實現(xiàn)應(yīng)用中，PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)常用下述實驗的方法來確定。用臨界比例度法去整定 PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)是既方便又實用的。它的具體做法是：1）待系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐步減小調(diào)節(jié)器的比例度 （即 1/P） ，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)曲線出現(xiàn)發(fā)散

28、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)等幅振蕩。圖 4-3 為它的實驗方塊圖。圖 4-3 具有比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)2）在圖 4-3 所示的系統(tǒng)中，當(dāng)被調(diào)量作等幅蕩時，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，按下表可確定 PID 調(diào)節(jié)器的三個參數(shù) 、Ti 和 Td。 圖 4-4 具有周期 TK的等幅振蕩 表三 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)P2kPI2.2kTk/1.2PID1.6k0.5Tk0.125Tk3） 、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 ) -

29、 e 40是根據(jù)大量實驗而得出的結(jié)論。若要就得更滿意的動態(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。實驗報告要求實驗報告要求1）畫出單容水箱液位控制系統(tǒng)的方框圖。2）用接好線路的單回路系統(tǒng)進行投運練習(xí)，并敘述無擾動切換的方法。3）用臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，寫出三種調(diào)節(jié)器的余差和超調(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 的作用。7）比較 P、PI 和 PID 三種調(diào)節(jié)器對

30、系統(tǒng)無差度和動態(tài)性能的影響。注意事項注意事項1）實驗線路接好后，必須經(jīng)指導(dǎo)老師檢查認可后方可接通電源。思考題思考題1）實驗系統(tǒng)在運行前應(yīng)做好哪能些準備工作？2）為什么要強調(diào)無擾動切換？3）試定性地分析三種調(diào)節(jié)器的參數(shù) 、 （、Ti）和（、Ti 和 Td） 。的變化對控制過程各產(chǎn)生什么影響？4）如何實現(xiàn)減小或消除余差？純比例控制能否消除余差？41實驗五實驗五 雙容下小水箱液位控制實驗雙容下小水箱液位控制實驗一、實驗?zāi)康囊?、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）研究系統(tǒng)分別用 P、PI 和 PID 調(diào)節(jié)器時的控制性能。3）定性地分析 P、PI 和 PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)對系統(tǒng)性

31、能的影響。二、實驗設(shè)備二、實驗設(shè)備1）AE2000 型過程控制實驗裝置、上位機軟件、計算機、RS232-485 轉(zhuǎn)換器 1 只、串口線 1 根。2）萬用表一只3)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖42三、實驗原理三、實驗原理圖 5-1 雙容水箱液位控制系統(tǒng)的方框圖圖 5-1 為雙容水箱液位控制系統(tǒng)。這也是一個單回路控制系統(tǒng)，它與實驗四不同的是有兩個水箱相串聯(lián)，控制的目的是使下水箱的液位高度等于給定值所期望的高度；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)的性能完全取決于調(diào)節(jié)器 Gc（S）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（

32、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 調(diào)節(jié)得合理，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)性能得到進一步改善。四、實驗內(nèi)容四、實驗內(nèi)容（一）比例（P）調(diào)節(jié)器控制1）按圖 5-1 所示的結(jié)構(gòu)接成單回路的實驗系統(tǒng)。其中被控對象是下水箱，被控制量是下水箱的液位高度。2）把調(diào)節(jié)器置于“手動”狀態(tài)，其智能儀表的積分時間常數(shù)置于 0，微分時間常數(shù)置于 0，比例設(shè)置于最大值處，即

33、此時的調(diào)節(jié)器為比例調(diào)節(jié)（P） 。3）開啟相關(guān)儀器和計算機軟件，進入相應(yīng)的實驗，如圖所示：智能調(diào)節(jié)儀電動閥下小水箱液位變送器+給定液位上小水箱擾動擾動434)在開環(huán)狀態(tài)下，利用調(diào)節(jié)器的手動操作開關(guān)把被調(diào)量調(diào)到給定值（一般把液面高度控制在水箱高度的 50%處） 。5）觀察計算機顯示屏的曲線，待被調(diào)量基本穩(wěn)定于給定值后，即可將調(diào)節(jié)器由“手動”位置切換到到“自動”狀態(tài)，使系統(tǒng)變?yōu)殚]環(huán)控制運行。6）待系統(tǒng)的輸出趨于平衡不變后，加入階躍擾動信號（一般可通過改變設(shè)定值的大小來實現(xiàn)） ，經(jīng)過一段時間運行后，系統(tǒng)進入了新的平衡狀態(tài)。利用秒表和LT2 液位指示儀表記錄整個過渡過程曲線。7）觀測由計算機歷史記錄曲線

34、的不同比例 P 下的過渡過程曲線，記錄系統(tǒng)的余差 ess和超調(diào)量 p 的大小 。 表 1 不同 值下的余差 ess和超調(diào)量 p 大 中 小ess p（二）比例積分調(diào)節(jié)器（PI）控制1）在比例調(diào)節(jié)器控制實驗的基礎(chǔ)上，加上積分作用，觀察被控制量是否能回到原設(shè)定值的位置，以驗證系統(tǒng)在 PI 調(diào)節(jié)器控制下，系統(tǒng)對階躍擾動無余差存在。 44 2）固定比例 P 值（中等大?。?，然后改變調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù) I 值。觀察加上階躍擾動后被調(diào)量的輸出波形，并記錄不同值時的超調(diào)量 p。 表 2 不同 T 時的超調(diào)量 p 積分時間常數(shù) I大中小 超調(diào)量 p 3）固定 I 于某一中等大小的值，然后改變比例 P 的大

35、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 P 值下超調(diào)量。必須指出過小的 P 和過小的 I 都有會導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 表 3 不同 值時的超調(diào)量 p 比例度 P大中小超調(diào)量 p 4） 、選擇合適的 P 和 I 值，使系統(tǒng)對階躍輸入（包括擾動）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（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，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（二）PI 控制下的曲線相比較，以看出微分 D 對系統(tǒng)性能的影響。2）

36、選擇合適的 P、I 和 D ，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%增至 60%來實現(xiàn)） 。（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)常用下述實驗的方法來確定，具體的做法是：1)待系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐步減小調(diào)節(jié)器的比例度 （1/P） ，并且每減小一次比例度，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，然后觀察被調(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)曲線是等幅振蕩為止，如應(yīng)曲線出現(xiàn)發(fā)散振蕩，則表示比例度 調(diào)得過小，應(yīng)適當(dāng)增大，使之變?yōu)榈确袷?。圖 6-2 為該系統(tǒng)的實

37、驗方塊圖。45圖 5-2 具有比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)的系統(tǒng) 2）在圖 5-2 所示的系統(tǒng)中，當(dāng)被調(diào)量作等幅蕩時，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，根據(jù)圖 5-3 所示的振蕩曲線，按下表可確定 PID 調(diào)節(jié)器的三個參數(shù) 和 Ti 、Td 。圖 5-3 具有周期 Tk 的等幅振蕩 表 4 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Ti(S)Td (S)P2kPI2.2kTk/1.2PID1.6k0.5Tk0.125Tk 3）必須指出，表格中給出的參數(shù)僅是對調(diào)節(jié)器參數(shù)的一個初步調(diào)整，有可能系統(tǒng)的動態(tài)性能不夠理想。因為表中數(shù)據(jù)是建立在大量實

38、驗基礎(chǔ)上得出的結(jié)論。若要獲得更滿意的動態(tài)過程（例如在階躍作用下，輸出作 4：1 地衰減振蕩） ，則應(yīng)對表格中給出的參數(shù)稍作適當(dāng)調(diào)整。五、實驗報告要求五、實驗報告要求 - e 0K461）畫出雙容水箱液位控制實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。2）按圖 5-2 要求接好實驗線路，經(jīng)老師檢查無誤后投入運行。3）用臨界比例度法整定三種調(diào)節(jié)器的參數(shù)，并分別列出系統(tǒng)在這三種調(diào)節(jié)器控制下的余差和超調(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 P

39、ID 三種調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)性能的影響。六、注意事項六、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，直至適當(dāng)開度。3）在老師的指導(dǎo)下，開啟單片機控制屏和計算機系統(tǒng)。七、思考題七、思考題1）實驗系統(tǒng)在運行前應(yīng)做好哪些準備工作？2）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？3）有人說：由于積分作用增強，系統(tǒng)會不穩(wěn)定，為此在積分作用增強的同時應(yīng)增大比例度 ，你認為對嗎？為什么？4）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？5）為什么微分作用的引入必須緩慢進行？這時的比例度 是否要改變？為

40、什么？6）調(diào)節(jié)器參數(shù)（、Ti 和 Td）的改變對整個控制過程有什么影響？47實驗六、鍋爐溫度連續(xù)控制實驗實驗六、鍋爐溫度連續(xù)控制實驗一、實驗?zāi)康囊?、實驗?zāi)康?）了解單回路溫度控制系統(tǒng)的組成與工作原理。2）研究 P、PI、PD 和 PID 四種調(diào)節(jié)器分別對溫度系統(tǒng)的控制作用。3）改變 P、PI、PD 和 PID 的相關(guān)參數(shù)，觀察它們對系統(tǒng)性能的影響。4）了解 PID 參數(shù)自整定的方法及參數(shù)整定在整個系統(tǒng)中的重要性。二、實驗設(shè)備二、實驗設(shè)備1） 、AE2000 型過程控制實驗裝置，配置：計算機、RS232-485 轉(zhuǎn)換器 1 只、串口線 1 根2） 、計算機軟件系統(tǒng) 3）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖 6-1 系

41、統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 48三、實驗原理三、實驗原理 +給定值 - e T T 溫度 圖 6-2 溫度控制系統(tǒng)圖 6-1 為一個閉環(huán)單回路的鍋爐內(nèi)膽溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，鍋爐內(nèi)膽為靜態(tài)水，變頻器、齒輪泵供水系統(tǒng)在實驗之前通過閥 10 將鍋爐內(nèi)膽的水裝至適當(dāng)高度，閥 13 關(guān)閉。本系統(tǒng)所要保持的恒定參數(shù)是鍋爐內(nèi)膽溫度給定值，即控制的任務(wù)是控制鍋爐內(nèi)膽溫度等于給定值。根據(jù)控制框圖，采用工業(yè)智能 PID 調(diào)節(jié)。四、實驗內(nèi)容四、實驗內(nèi)容（一）比例調(diào)節(jié)器（P）控制1）按圖 6-2 所示方框圖的要求接成實驗系統(tǒng)。2）打開閥 2、閥 10，關(guān)閉閥 9、閥 13，啟動變頻器、齒輪泵往鍋爐進水，約經(jīng)1-2 分鐘后，關(guān)閉變

42、頻器。3）開啟相關(guān)儀器和計算機軟件，進入相應(yīng)的實驗，如圖所示：調(diào)節(jié)儀電加熱管溫度傳感器494)把智能調(diào)節(jié)器置于“手動” ，輸出值為小于等于 10，把溫度設(shè)定于某給定值（如：將水溫控制在 40。C） ，設(shè)置各項參數(shù)，使調(diào)節(jié)器工作在比例（P）調(diào)節(jié)器狀態(tài)，此時系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)。5）運行 MCGS 組態(tài)軟件，進入相應(yīng)的實驗，觀察實時或歷史曲線，待水溫（由智能調(diào)節(jié)器的溫度顯示器指示）基本穩(wěn)定于給定值后，將調(diào)節(jié)器的開關(guān)由“手動”位置拔至“自動”位置，使系統(tǒng)變?yōu)殚]環(huán)控制運行。待基本不再變化時，加入階躍擾動（可通過改變智能調(diào)節(jié)器的設(shè)定值來實現(xiàn)） 。觀察并記錄在當(dāng)前比例 P 時的余差和超調(diào)量。每當(dāng)改變值 P 后

43、，再加同樣大小的階躍信號，比較不同 P 時的 ess 和 p，并把數(shù)據(jù)填入表 1 中。 表 1 不同比例度 時的余差和超調(diào)量P 大 中 小ess p6） 記錄實驗過程各項數(shù)據(jù)繪成過渡過程曲線。 （數(shù)據(jù)可在軟件上獲得）（二）比例積分（PI）調(diào)節(jié)器控制1）在比例調(diào)節(jié)器控制實驗的基礎(chǔ)上，待被調(diào)量平穩(wěn)后，加入積分（“I” ）作用，觀察被控制量能否回到原設(shè)定值的位置，以驗證系統(tǒng)在 PI 調(diào)節(jié)器控制下沒有余差。 2）固定比例 P 值（中等大?。?，然后改變積分時間常數(shù) I 值，觀察加入擾動后被調(diào)量的動態(tài)曲線，并記錄不同 I 值時的超調(diào)量 p。 表 2 不同 Ti 值時的超調(diào)量 pP大中小超調(diào)量 p3）固定

44、 I 于某一中間值，然后改變比例 P 的大小，觀察加擾動后被調(diào)量的動態(tài)曲線，并記下相應(yīng)的超調(diào)量 p。 表 3 不同 值時的超調(diào)量 p比例 P大中小超調(diào)量 p4）選擇合適的 P 和 I 值，使系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)曲線為一條令人滿意的曲線。此曲線可通過改變設(shè)定值(如把設(shè)定值由 50%增加到 60%)來實現(xiàn)。（三）比例微分調(diào)節(jié)器（PD）控制1）在比例調(diào)節(jié)器控制實驗的基礎(chǔ)上，待被調(diào)量平穩(wěn)后，引入微分作用“D” 。固定比例 P 值（中間值） ，改變微分時間常數(shù) D 的大小，觀察系統(tǒng)在階躍輸入作用下相應(yīng)的動態(tài)響應(yīng)曲線。50 表 4、不同 D 時的超調(diào)量和余差D 大 中 小essp2）選擇合適的 P 和 D 值 ，

45、使系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)為一條令人滿意的動態(tài)曲線。 （四）比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器控制1）在比例調(diào)節(jié)器控制實驗的基礎(chǔ)上，待被調(diào)量平穩(wěn)后，引入積分（“I” ）作用，使被調(diào)量回復(fù)到原設(shè)定值。減小 P，并同時增大 I，觀察加擾動信號后的被調(diào)量的動態(tài)曲線，驗證在 PI 調(diào)節(jié)器作用下，系統(tǒng)的余差為零。2）在 PI 控制的基礎(chǔ)上加上適量的微分作用“D” ，然后再對系統(tǒng)加擾動（擾動幅值與前面的實驗相同） ，比較所得的動態(tài)曲線與用 PI 控制時的不同處。3）選擇合適的 P、I 和 D ，以獲得一條較滿意的動態(tài)曲線。（五）用臨界比例度法整定 PID 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)常用下述實驗的方法來

46、確定，這種方法既簡單又較實用，它的具體做法是：圖 6-3 具有比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)1)按圖 6-3 所示接好實驗系統(tǒng)，逐步減小調(diào)節(jié)器的比例度 （1/P） ，直到系統(tǒng)的被調(diào)量出現(xiàn)等到幅振蕩為止。如果響應(yīng)曲線發(fā)散，則表示比例度 調(diào)得過小，應(yīng)適當(dāng)增大之，使曲線出現(xiàn)等幅振蕩為止。2）圖 6-4 為被調(diào)量作等幅振蕩時的曲線。此時對應(yīng)的比例度 就是臨界比例度，用 K表示；相應(yīng)的振蕩 圖 6-4 具有周期 TK 等幅振蕩 + e 51周期就是臨界振蕩周期 TK。 據(jù)此按下表確定 PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 表 5 用臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱Ti(S)Td (S)P2KPI2.2KTK/1

47、.2PID1.6K0.5TK0.125TK3）必須指出，表格中給出的參數(shù)僅是對調(diào)節(jié)器參數(shù)的一個初步整定。使用上述參數(shù)的調(diào)節(jié)器很可能使系統(tǒng)在階躍信號作用下，達不到 4：1 的衰減振蕩。因此若獲得理想的動態(tài)過程，應(yīng)在此基礎(chǔ)上，對表中給出的參數(shù)稍作調(diào)整，并記下此時的 、Ti 和 Td。（六）PID 參數(shù)自整定的連續(xù)溫度控制 當(dāng)發(fā)現(xiàn) AI 人工智能調(diào)節(jié)效果不佳時可啟動自整定功能（具體操作參考 AI人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器使用說明書） 。當(dāng)自整定結(jié)束后，以前所設(shè)的 PID 參數(shù)會被整定出來的參數(shù)所代替，并自動將 CTRL 參數(shù)設(shè)為 3，這樣就無法再次從面板上啟動自整定功能，可以避免人為的誤操作再次啟動自整定。

48、之后系統(tǒng)直接將整定出來的參數(shù)投入運行。根據(jù)自整定得出的參數(shù)去控制被控對象，若對此效果不是很滿意，可根據(jù)輸出特性，在自整定參數(shù)的基礎(chǔ)上適當(dāng)修改一下參數(shù)，即可達到滿意的效果。 一般通過自整定得出的 P、I、D 參數(shù)，效果都比較好。超調(diào)量小，過渡過程時間縮短。但如果一開始，溫控對象的溫度不是最低，也就是說自整定尋求的最大斜率并不一定是真正的。此時自整定得出的 P、I、D 參數(shù)并不一定很理想。五、實驗報告要求。五、實驗報告要求。1）畫出溫度控制系統(tǒng)的方塊圖。2）用臨界比例度法整定三種調(diào)節(jié)器的參數(shù)，并分別作出系統(tǒng)在這三種調(diào)節(jié)器控制下的階躍響應(yīng)曲線。3）作出比例調(diào)節(jié)器控制時，不同 值時的階躍響應(yīng)曲線？得到

49、結(jié)論是什么？4）分析 PI 調(diào)節(jié)器控制時，不同 P 和 I 值對系統(tǒng)性能的影響？5）繪制用 PD 調(diào)節(jié)器控制時系統(tǒng)的動態(tài)波形。6）繪制用 PID 調(diào)節(jié)器控制時系統(tǒng)的動態(tài)波形。7）繪制用 PID 自整定控制時系統(tǒng)的動態(tài)波形。 六、注意事項六、注意事項1）實驗線路接好后，必須經(jīng)指導(dǎo)老師檢查認可后方可接通電源。523）系統(tǒng)連接好以后，在老師的指導(dǎo)下，運行溫度控制實驗。七、思考題七、思考題1）在階躍擾動作用下，用 PD 調(diào)節(jié)器控制時，系統(tǒng)有沒有余差存在？為什么？2）在溫度控制系統(tǒng)中，為什么用 PD 和 PID 控制，系統(tǒng)的性能并不比用 PI 控制有明顯地改善？3）為什么要整定 P、I、D 參數(shù)？4）連

50、續(xù)溫控與斷續(xù)溫控有何區(qū)別？為什么？53實驗七實驗七 電磁流量計流量控制系統(tǒng)電磁流量計流量控制系統(tǒng)一、實驗?zāi)康囊?、實驗?zāi)康?）了解流量計的結(jié)構(gòu)及其使用方法。2）熟悉單回路流量控制系統(tǒng)的組成。3）研究 P、PI 和 PID 調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)的控制效果。4）改變 P、PI 和 PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)，觀察它們對系統(tǒng)性能所產(chǎn)生的影響。二、實驗設(shè)備二、實驗設(shè)備1）AE2000 型過程控制實驗裝置：上位機軟件、計算機、RS232-485 轉(zhuǎn)換器 1 只、串口線 1 根。2）萬用表一只三、實驗原理三、實驗原理 1、電磁流量計的工作原理簡介電磁流量計由電磁流量傳感器和電磁流量轉(zhuǎn)換器組成，如圖 7-1 所示。傳感器能

51、將流量這個非電量變成極微弱的電信號，而轉(zhuǎn)換器能將這個電信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準統(tǒng)一的連絡(luò)信號：010mADC 或 420mADC 以及 01000Hz 的標(biāo)準頻率脈沖信號供后位儀表使用，達到流量測量的目的。 圖 7-1 電磁流量計的組成1）傳感器的工作原理電磁流量傳感器是基于法拉第電磁感應(yīng)定律而制成的，只是其中切割磁力線的導(dǎo)體不是一般的金屬，而是具有一定電導(dǎo)率的液體或液固兩相流體。在圖 7-2中，當(dāng)導(dǎo)電流體在磁場中的導(dǎo)管內(nèi)作切割磁力線運動時，則在運動的流體內(nèi)產(chǎn) yxIsx B E54生感應(yīng)電動勢 E，此感應(yīng)電動勢的方向與流速 V 垂直，也與磁通密度 B 垂直，其大小與流速及磁通密度的乘積成正比。電動勢由

52、一對金屬電極檢測，電動勢E 的大小可用（1）式表示。 B磁通密度（T） ；D導(dǎo)管內(nèi)徑（m） ； K比例常數(shù)；圖 7-2 傳感器的工作原理 式中 K、D 為常數(shù)，由于采用恒流勵磁，故 B 也是常數(shù)。由上式可知，體積流量 Q 與 E 成正比，因此，只要測出 E 就可確定流量 Q，這就是電磁流量傳感器的工作原理。2）轉(zhuǎn)換器的工作原理 圖 7-3 是轉(zhuǎn)換器的原理框圖。圖 7-3 轉(zhuǎn)換器原理框圖(1) VKBDE(3) 4 :(2)(1)(2) 4 : )2()/Q( , 23mEKBDQVDQS式可得式和由式表示可用量通過導(dǎo)管的瞬時體積流另一方面 S2 Is -ffU BED x；（通過導(dǎo)管的平均流速

53、)/smV55由圖 7-3 可知，V/F 轉(zhuǎn)換的頻率信號 f 與勵磁電流信號 Is 通過乘法器相乘后得到整機負反饋信號 uf與前置放大器的輸出信號 u 相比較，其差值信號 經(jīng)主放大器、采樣保持電路、直流放大、V/F 轉(zhuǎn)換器變成頻率信號 f，使輸出頻率與流體感應(yīng)電動勢成正比，而與磁勵電流變化、勵磁線圈阻抗變化、供電電源電壓變化及頻率變化、開環(huán)電路傳遞系數(shù)的變化均無關(guān)系，大大降低了對元器件的要求， 實現(xiàn)了對感應(yīng)電動勢的高精度、高穩(wěn)定、高可靠性的測量。光電隔離后的頻率信號經(jīng)分頻后得到 01000Hz 的頻率脈沖信號輸出，同時經(jīng)F/I 轉(zhuǎn)換單元之后變成模擬量輸出：010mA 或 420mA 或 020

54、mA。另外，頻率信號進入顯示電路，可實現(xiàn)對瞬時流量和累積總量的數(shù)字顯示。時序脈沖發(fā)生器是產(chǎn)生各種脈沖波形，完成采樣保持和三值波恒流勵磁的作用，使整個轉(zhuǎn)換器和傳感器在各個脈沖的控制下同步地進行工作。轉(zhuǎn)換器中所有電子器件均焊接在印制電路板上，而印制板則固定于鋁合金制成的外殼內(nèi)。3）電磁流量計型號與技術(shù)指標(biāo) 型號：LDB-10LM1F0-0.16 技術(shù)指標(biāo)：（1）流量范圍：0.16m3/h （2）流速范圍：0.5 m/s （3）額定工作壓力：1.6MPa （4）電導(dǎo)率范圍：被測介質(zhì)電導(dǎo)率應(yīng)不小于 10us/cm （5）精確度等級：1.0 （6）輸出信號：010mA.DC （7）供電電源：220VAC

55、，50Hz2、流量單回路控制系統(tǒng) 圖 7-4 流量控制系統(tǒng) 由上述實驗可知，負反饋控制系統(tǒng)的一個主要優(yōu)點是輸出量（被控制量）經(jīng)檢測元件檢測后反饋到系統(tǒng)的輸入端與給定值相比較，所得的偏差信號經(jīng)調(diào)節(jié)器處理后變成一個對被控過程的控制信號，從而實現(xiàn)被控制量排除系統(tǒng)內(nèi)外擾動的影響而基本保持不變的目的。圖 7-4 所示的流量控制系統(tǒng)就是這樣一種系統(tǒng)。該系統(tǒng)的輸出跟著給定量的大小而變化。 C12 56 流量控制系統(tǒng)與液位控制系統(tǒng)一樣，它的控制質(zhì)量完全取決于所用調(diào)節(jié)器的形式及其參數(shù)的大小 。比例調(diào)節(jié) P 是調(diào)節(jié)比例度 來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制作用。一般言之， 越小，系統(tǒng)的余差也越小，但超調(diào)量等動態(tài)性能指標(biāo)變差。反之

56、， 越大，系統(tǒng)的余差也越大，系統(tǒng)的動態(tài)過程緩慢，超調(diào)量變小。比例積分（PI）調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的控制作用有 2 個部分：與偏差成比例部分和偏差的積分部分。由于積分的作用，可使系統(tǒng)無余差產(chǎn)生，但積分時間常數(shù)不能太小，不然系統(tǒng)會變成不穩(wěn)定。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器既可以實現(xiàn)系統(tǒng)無余差，又能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定度和響應(yīng)的快速性，其可調(diào)參數(shù)有 3 個：、Ti 和 Td。四、實驗內(nèi)容與步驟四、實驗內(nèi)容與步驟1）利用實驗裝置,信號接口面板上電磁流量計的測量信號組成圖 7-4 所示的單回路流量控制系統(tǒng)。2）把調(diào)節(jié)器置于“手動”狀態(tài)，積分時間常數(shù)為零，微分時間常數(shù)為零，根據(jù)儀表使用說明設(shè)定比例 P，設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，使調(diào)

57、節(jié)器工作在比例調(diào)節(jié)上。3）開啟相關(guān)儀器和計算機，運行軟件，進入相應(yīng)的實驗，如圖所示：4)、在開環(huán)狀態(tài)下，利用調(diào)節(jié)器的手動操作按鈕把被調(diào)量管道的流量調(diào)到給定值（一般把流量控制在流量量程的 50%處） 。4）運行 MCGS 組態(tài)軟件，進入實驗系統(tǒng)相關(guān)的實驗。574）觀察計算機顯示屏上實時的響應(yīng)曲線，待流量基本穩(wěn)定于給定值后，即可將調(diào)節(jié)器由“手動”狀態(tài)切換到“自動”狀態(tài)，使系統(tǒng)變?yōu)殚]環(huán)控制運行。待系統(tǒng)的流量趨于平衡不變后，加入階躍信號（一般可通過改變設(shè)定值的大小來實現(xiàn)） 。經(jīng)過一段時間運行后，系統(tǒng)進入新的平穩(wěn)狀態(tài)。由記錄曲線觀察并記錄在不同的比例 P 下系統(tǒng)的余差和超調(diào)量。表 1 不同值時的余差和超

58、調(diào)量 P大中小 essp 5）記錄軟件中的實時曲線的過程數(shù)據(jù)作出一條完整的過渡過程曲線，記錄表格自擬。（二）比例積分調(diào)節(jié)器（PI）控制1）在比例調(diào)節(jié)控制實驗的基礎(chǔ)上，加上積分作用“I” ，即把“I” （積分）設(shè)置為一參數(shù)，根據(jù)不同的情況，設(shè)置不同的大小。觀察被控制量能否回到原設(shè)定值的位置，以驗證系統(tǒng)在 PI 調(diào)節(jié)器控制下，系統(tǒng)的階躍擾動無余差產(chǎn)生。 2）固定比例 P 值（中等大?。?，然后改變調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù) I 值，觀察加入階躍擾動后被調(diào)量的輸出波形，并記錄不同 I 值時的超調(diào)量 p。 表 2 不同 Ti 值時的超調(diào)量 p積分時間常數(shù)I大中小 超調(diào)量 p 3）固定 I 于某一中等大小的值

59、，然后改變比例 P 的大小，觀察加階躍擾動后被調(diào)量的動態(tài)波形，并列表記錄不同值的超調(diào)量。 表 3 不同 P 值下的超調(diào)量 p 比例 P大中小 超調(diào)量 p 4）選擇合適的 P 和 I 值，使系統(tǒng)對階躍輸入（包括階躍擾動）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(如把設(shè)定值由 50%變?yōu)?60%)來獲得。（三）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)常用下述實驗的方法來確定，具體的做法是：1）待系統(tǒng)穩(wěn)定后，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，58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，然后觀察被調(diào)量變化的動態(tài)

60、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)曲線呈等幅振蕩為止，如果響應(yīng)曲線出現(xiàn)發(fā)散，則表示比例度調(diào)得過小，應(yīng)適當(dāng)增大，使被調(diào)量變?yōu)榈确袷?。如圖 7-5 所示。圖 7-5 具有周期 TK 的等幅振蕩 圖 7-6 具有比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)2）使系統(tǒng)作等幅振蕩的比例度 稱為臨界比例度，用 k 表示之，相應(yīng)的振蕩周期就是臨界振蕩周期 Tk。按下表可確定 PID 調(diào)節(jié)器的三個參數(shù) 、Ti 和Td。表 4 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Ti(S)Td(S) P 2k PI 2.2k Tk/1.2 PID 1.6k 0.5Tk 0.125Tk3）必