儀表實(shí)驗(yàn)報(bào)告——溫度控制系統(tǒng)

1、實(shí)驗(yàn)四溫度控制系統(tǒng)（一）一實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?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 、積分時(shí)間 TI、微分時(shí)間 TD 對(duì)控制系統(tǒng)（閉環(huán)特性）控制品質(zhì)的影響。二溫度控制系統(tǒng)的組成：電動(dòng)溫度控制系統(tǒng)是過(guò)程控制系統(tǒng)中常見(jiàn)的一種，其作用是通過(guò)一套自動(dòng)控制裝置，見(jiàn)圖 4-1，使?fàn)t溫自動(dòng)維持在給定值。圖 4-1溫度控制系統(tǒng)爐溫的變化由熱電偶測(cè)量， 并通過(guò)電動(dòng)溫度變送器轉(zhuǎn)化為 DDZ- 型表的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) 010mA 直流電流信號(hào)，傳送到電子電位差計(jì) XWC 進(jìn)行記錄，同時(shí)傳送給電動(dòng)控制器 DTL ，控制器按偏差的大小、方向，通過(guò)預(yù)定控制規(guī)律

2、的運(yùn)算后，輸出 010mA 直流電流信號(hào)給可控硅電壓調(diào)整器 ZK-50 ，通過(guò)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(dòng)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(hào)、電路的連接，熟悉可控硅電壓調(diào)整器和電動(dòng)控制器上各開(kāi)關(guān)、旋鈕的作用。（二）控制系統(tǒng)閉環(huán)特性的測(cè)定：在以下實(shí)驗(yàn)中使用以下具體數(shù)值： 1，2(80%)，TI 1I 2(40s)，(50%)(50s)，TTD1(30s)來(lái)觀察比例與積分控制規(guī)律的作用（1） 考察比例作用將置于某值50%，記住 旋鈕在 1 的位置 ， 積分時(shí)間置最大（TI =max），微分開(kāi)關(guān)

3、切向 0，將干擾開(kāi)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(hào)，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 = 1 不變，置 TI =TI 1，同時(shí)在記錄儀的記錄線上作一記號(hào)，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(guò)程基本穩(wěn)定。2觀測(cè) PI 控制作用下的過(guò)渡過(guò)程保持 1，TI1 不變，將干擾開(kāi)關(guān)從“干擾”切向“短”，產(chǎn)生一個(gè)正向階躍干擾，觀察過(guò)渡過(guò)程到基本穩(wěn)定。3考察 對(duì)余差的影響置=2 ，TI =max ， 將干擾開(kāi)關(guān)從“短”切向“干擾” ，產(chǎn)生一個(gè)反向階躍

4、干擾，同時(shí)在記錄儀的記錄線上作一記號(hào)， 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 = 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(guò)程基本穩(wěn)定。4考察 TI 對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響置=1 ，TI =TI 2 ，將干擾開(kāi)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(hào)， 以記錄階躍干擾加入的時(shí)刻，觀察過(guò)渡過(guò)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(duì)1過(guò)渡過(guò)程的影響。注意：要在同樣條件下才能進(jìn)行比較，即 旋鈕的位置要與 2 中的位置完全一致，才能保證此時(shí)的 1 與 2 中的 1

5、是相等的5觀測(cè) PID 控制作用下的過(guò)渡過(guò)程保持 =1 ， TI =TI 2 不變，置 TD =TD1 ，微分開(kāi)關(guān)切向D ，將干擾開(kāi)關(guān)從“短”切向“干擾” ，等待過(guò)程穩(wěn)定后，同時(shí)在記錄儀的記錄線上作一記號(hào)，以記錄階躍干擾加入的時(shí)刻，觀察過(guò)渡過(guò)程，并與 PI 控制作用下的過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行比較。6考察 對(duì)穩(wěn)定性的影響將減小到 1， TI =max，微分開(kāi)關(guān)切向0，觀察過(guò)渡過(guò)程波動(dòng)曲線。7.簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的參數(shù)整定采用衰減曲線法（ 41）進(jìn)行參數(shù)整定，在純比例（ TI =max ，微分開(kāi)關(guān)切向0）作用下， 置于一個(gè)較大的數(shù)值（ 30 60），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

6、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(guò)渡過(guò)程） ，并計(jì)算衰減比，此時(shí)衰減比若大于 41 ，應(yīng)減小 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 41 的過(guò)渡過(guò)程，記下此時(shí)的比例度 S，并通過(guò)尺子量出衰減振蕩曲線中一個(gè)周期的長(zhǎng)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： =1.6 S ，TI=0.4T STD =0.2T S求出相應(yīng)的 、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(kāi)關(guān)從“短”切向“干擾” ，觀察記錄的（反向階躍）過(guò)渡過(guò)程曲線，再將干擾開(kāi)關(guān)從 “干擾” 切向“短”，觀察記錄的（

7、正向階躍）過(guò)渡過(guò)程曲線，跟各組提供的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)渡過(guò)程曲線（歷屆同學(xué)做得最好的過(guò)渡過(guò)程曲線）相比2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 、 TI 、TD 值（每次改變 、TI 、TD 值，均要記錄），重復(fù)以上過(guò)程，直到控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量接近或超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)。四問(wèn)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（ =50%， TI =max，TD=0），達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間是 246，余差大小是 12mmB.考察積分作用（ =50%，TI 1 =50s，TD =0），比較積分與比例作用的曲線發(fā)現(xiàn)是相互對(duì)稱的，余差的消除時(shí)間與

8、比例積分過(guò)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(duì)于擾動(dòng)作用，考察 對(duì)余差的影響，由圖比較在（=80%，TI =max，TD=0）和在（ =50%， TI =max，TD =0）控制作用下的兩條曲線可知， =80%對(duì)應(yīng)的余差為 33mm>12mm，說(shuō)明 越大，余差越大E. TI 對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響通過(guò)比較（ =50%， TI 1 =50s，TD =0）和（ =50%，TI2 =40s，TD =0），發(fā)現(xiàn)積分時(shí)間越小，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（ =50%，TI 2 =40s， TD

9、=30s），與 PI 下（ =50%，TI =40s，TD =0）的控制過(guò)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(guò)程。這說(shuō)明在負(fù)荷變化劇烈、擾動(dòng)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(guò)程已經(jīng)受到較大幅度擾動(dòng)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(shì)適當(dāng)加大控制器的輸出信號(hào)，將有利于克服擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響，抑制偏差的增長(zhǎng)，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對(duì)于過(guò)渡過(guò)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) 減小到 1%，實(shí)現(xiàn)純比例控制時(shí)，將出現(xiàn)發(fā)散振蕩

10、的情況，這是因3為其小于其臨界比例度2 分析不同的 、 TI 、TD 對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響。綜合 1 的考察分析，歸納如下：對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響：a. 在擾動(dòng)存在時(shí)，最后的被控變量與設(shè)定值總會(huì)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(huì)為0b. 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，穩(wěn)定性會(huì)越低，特別是當(dāng) 減小到小于其臨界比例度 k 時(shí)，系統(tǒng)發(fā)散振蕩，可能會(huì)造成事故。TI 對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響在純比例作用下引入積

11、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(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響TD越大，微分作用越強(qiáng)，過(guò)大則可能會(huì)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(guò)程中所得到的過(guò)渡過(guò)程曲線，并注明各參數(shù)值。衰減比 4：1 下得到的 s=10%，通過(guò)尺子量出衰減振蕩曲線中一個(gè)周期的長(zhǎng)度為 5.5mm，而走紙速度為 300mm/h，故 Ts=5.5/300*3600=66s ；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式 =1.6 S =0.16 TI=0.4T S=26.4sTD =0.2T S=13.2s把它們加入到控制器中，曲線呈發(fā)散，使曲

12、線發(fā)散的因素包括 、 TI 、TD ，根據(jù)理論可知在 TI 越小，TD 和保持不變的情況下， 曲線越容易發(fā)散（故后續(xù)的值均應(yīng)往大調(diào)）經(jīng)過(guò)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4序號(hào)12345678910/%16161313181818161513TI/s26.4303020303028303030TD/s13.213.213.213.213.215151515154. 針對(duì)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(guò)渡過(guò)程的具體缺陷，調(diào)整 、TI 、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(huì)太明顯，即波動(dòng)不會(huì)太劇烈（本實(shí)驗(yàn)建議

13、在衰減比為4：1 的情況下調(diào)整），并且，另一方面，過(guò)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(duì)其造成了最大的影響，可以通過(guò)控制變量法來(lái)確定（2）發(fā)現(xiàn)是積分時(shí)間對(duì)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)?。ㄟ@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(huì)過(guò)度劇烈（3）在保證溫度不會(huì)變化得太大的情況下，再調(diào)整微分時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)縮短過(guò)渡時(shí)間的控制效果五、心得體會(huì)1.在考察比例、積分、微分控制規(guī)律對(duì)系統(tǒng)的作用時(shí)，每調(diào)

14、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(huì)造成偏差的積累，對(duì)于最后的結(jié)果產(chǎn)生影響。2.干擾開(kāi)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(hào)，故每次在調(diào)好參數(shù)后，欲使其對(duì)系統(tǒng)施加影響，都必須切換開(kāi)關(guān)。53.做實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)認(rèn)真思考調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)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(duì)余差的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn) TI 值對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定性也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，過(guò)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(guò)程中獲得的最快使系統(tǒng)恢復(fù)的參數(shù)來(lái)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(guò)切換干