实验四基本控制规律认识实验

1、实验四基本控制规律认识实验一、实验目的及要求1. 了解几种基本控制规律，掌握各个控制规律的特点和联系；2. 了解PID温度控制试验装置的构造及工作原理；3. 掌握PID调节实验的具体方法和操作。二、实验原理基本控制规律有位式控制（其中以双位控制比较常用X比例控制）、积分控制（I）、微分控制（D） 及它们的组合形式，如比例积分控制（PI）、比例微分控制（PD）、比例积分微分控制（PID）。它们的基本 性质见表3-2-。数学表达式控制特性应用场合度泣控制PZ对（或岸顷P L疽（或叫IF培构摘单.n 有两个辅出值最K （flit 廉小.相南的控制机 构只有开翔关两个技圈 位在*貌荷变ft不太、也不剧烈. 充许被棒变量等膺版海的场 合比倒控制（P）P = K/1t克皿扰劫能力强，控制 股时，过皿时向短.过 戒过程绣了时存在金董.控制通道沼后较小，g交 化不大,充iTf误芝的据蜿+和分控制（Dp = K J edtF厂i可鼠消除余菸控制逑 作携甑控制不及时。一艘不单独瓯川.徵分控制（D）P、w割前控制，不林喇B 差，脸酬止被控变戒 化，撩制振跖不单触梗用。比例枳分控制J edf L. LJP匕1

2、过渡过秆1建了时无余明，应用歌普控制通道耐-敞小,员荷变 化不大，工合1.不允许有谩 苦的系统，比辨微分控制p = Z（5也、Pt控削昨用尚存压金牌. 拟制振踢，改善挂鄢质 量.遣用于纯滑侑小容量滞后 大、时间常政大的系统，成 用较少.比例积分撤分控制Pfj一一二I控制作用快，无至差， 系毓樗定性赦标控制 照吊i高.容洛计后绞心也荷变化人:， 拽嗣质量要求较高的系统.表3-2-1基本控制规律及其适用场合上述基本控制规律的控制器就是将被控变量测量值与给定值进行比较，然后对比较后得到的偏差进行比例、积分、微分等运算，并将运算结果以一定的信号形式送往执行器，以实现对被控变量的自动控制。 一般控制器由比较环节、放大器和反馈环节三大部分组成，如图3-2-1所示。其中，反馈环节的作用是通 过正、负反馈来实现比例、积分、微分等控制规律。图3-2-1控制器基本构成本实验上述几种控制规律由PID温度控制实验装置完成，对其调节相应参数，来进行各个控制规律的 演示。该实验装置由PR521-095型PID调节试验温度源、计算机、通讯接口及温度PID调节试验软件组成。 温度源主要由热元件、惯性金属块、测温热电偶

3、、智能PID调节器及机壳等组成。智能PID调节器依据设 定温度SV、当前温度PV不断进行PID调节计算并输出调节信号，驱动执行机构（固态继电器SSR）以 调节供给加热元件的功率大小。智能PID调节器通过RS-485通讯口，与计算机通讯。在实验过程中，分 别采用P、PI、PID等不同的控制策略，通过观察过渡过程的控制曲线来观察不同的P、I、D参数值的控 制效果，认识相应的控制规律。三、实验装置（一）实验所需仪器、设备PR521-095型PID调节试验温度源；计算机；通讯接口；温度PID调节试验软件。（二）实验装置流程图图3-2-2 PID温度控制实验装置图1- PR521-095型PID调节试验温度源；2-计算机计算机通讯接I I图3-2-3 PID温度控制实验原理图四、实验内容及步骤（一）实验内容1. 认识PID温度控制实验装置，掌握PID调节器的操作方法。2. 了解PID调节试验软件。3. 学会通过调节P、I、D参数值来认识相应的控制规律。（二）实验步骤1. 将温度源和计算机按实验装置图连接，温度源、计算机接通电源，开启设备。2. 进入Windows后，从“开始-程序”菜单选择“精密

4、温度控制仪-温度控制”或者双击桌面上的“温度控制”图标，进入精密控温仪程序，如图3-2-3所示。启动后，软件首先对连接在RS-485通讯线上的各正常使 用的智能仪表逐一进行自诊断，如图3-2-4所示。图3-2-4自诊断对话框当“自诊断对话框”的通讯状态栏显示“正常”，工作状态栏显示“待命”或“运行中”，确认温度源 PID调节器已与计算机连通，点“返回”按钮进入主界面，显示的温度当前值与PID调节器的PV指示同 步，如图3-2-5所示。以下的步骤均为针对该程序（软件）的操作，无需通过温度源上PID调节器按钮操 作。籍密控温仪程序模拟仪表盘Man图3-2-5精密控温仪程序主界面3.在仪表盘界面中在此仪表模型上点击鼠标右键，选择相应的菜单项进行更改某个仪表的相关参数，如图 3-2-6所示。该仪表操作(右键菜单)可进行以下菜单项操作： 更改当前仪表设定温度(SV)：更改仪表设定温度； 更改当前仪表PV偏移值(PV_BIAS):更改仪表PV偏移值; 启动自整定(AT ON): 停止自整定(AT OFF):图3-2-7区域PID参数对于PR521-095型PID调节试验温度源，由于温度范围限制在（

5、100300）C，属于较窄的范围，因 此可不必考虑温区划分。5,输入设定温度SV：设定温度SV设为250C,观察PID调节器的SV指示，应随之变为250C,如图3-2-8 所示。 下载“SV PID参数”：弹出“区域PID参数表”，根据当前仪表设定温度下传PID参数； 上传“SV PID参数”：读出当前仪表的PID参数，并对当前仪表“区域PID参数表”进行更新。4,输入（或确认）PID参数：点击右键，选择下载“SV PID参数”选项，调入PID参数列表，与下表所列 参数逐一比较，有不同的，按下表参数修改，保证所有PID参数与下表一致。，冗明：乞埒白再*刨21区十：-门F9矛姒下恃至沱#取砺定Ik点吕称区域-1%|lVIAC2|3dI问F枳分Tli粉TALlllt LLmt MM王篁%5.s结%1000.3015001002W030130;01.003006.16O跖210100图3-2-8设定温度对话框设定沮度；250 p清琳人谀定溶度，C/U-KHW2试验组件016.启动升温：按“启动”按钮，温度源开始升温，同时记录过程调节参数曲线，如图3-2-9所示。图3-2-9仪表控温记录曲线图

6、中：温度曲线为红色；功率曲线为蓝色。8. 比例调节（P）实验：选择下载SV PID参数”选项，调入PID参数列表，将I值改为6000, D值改为 0,作为纯比例状态。在此状态下边观察调节波形边调整比例带P,若调节输出波形的震荡发散，则增大P 的值继续试验；若调节输出波形的震荡收敛，则减小P的值继续试验。必要时需进行扰动，扰动的方法：方法1：关闭温度源加热开关25秒（时间长，扰动大），立即再接通，如图A点所示。方法2：将设定温度适当增加（或减小）1C5C。500475450425400375350325300275250225200175150125100755025图3-2-11比例调节实验控温曲线9. 保持I、D不变的前提下，大幅度减小比例带P的试验：将比例带P改为原正常值的1/10，稍加扰动， 原本恒定的温度曲线和功率曲线变为震荡波形，且发散，说明P减小后反馈加深，引起强烈震荡，系统不 稳定。若将P改为原正常值的1/31/5，则从温度曲线和功率调节曲线上反映出波动（振铃）如图3-2-12 所示。图3-2-12减小P的试验控温曲线10. 保持I、D不变的前提下，大幅度增加P的试验将比

7、例带P改为原正常值的10倍，稍加扰动，原本 恒定的温度曲线会产生漂移失控，系统失去自动调节功能，调节量的跟踪变化能力太差，说明P增大后反 馈变弱，以至于失控，系统同样也不稳定。图3-2-13增大P的试验控温曲线11. PI调节实验：从PID参数表中，将微分时间D改为0.0,观察后续的记录曲线。在稳态情况下，影响 不明显，可用扰动试验并比较PID调节和PI调节在调节曲线上的差异。图3-2-14 PI调节实验控温曲线12, 保持P、D不变的前提下，改变积分时间I的试验：分别在正常PID参数、I改为原正常值的1/10及I 改为原正常值的10倍三种条件下，通过关闭温度源加热开关3秒再接通的方式加入扰动，观察控温曲线（特 别是功率曲线）的走势。积分时间I越小，消除净差的能力越强，反之亦然。过小的I也能引起系统的震 荡。13. 实验结束，实验数据及控温曲线变化经指导教师检查合格后，将当前曲线数据导出到Excel，关闭计算 机和温度源电源，整理实验室，离开。五、实验数据记录及处理（一）原始数据记录表3-2-2原始数据记录参考表基本控制规律认识实验实验日期：年月日指导教师：同组成员：实验条件：室 C；相对湿度%温度源型号;原始数据记录试验次数温度C比例带P %积分Tj微分td曲线趋势12345678910（二）实验数据处理1. 列出实验过程中记录的数据和对应的控温曲线。2. 根据实验记录，分析各控制规律和不同控制参数下控温曲线。六、思考题及讨论1. 结合各个实验控温曲线变化，讨论几种控制规律的特点及作用。2. 为什么采用功率变化作为输出信号，而不是温度。3. 分别讨论什么是比例带P、积分时间Tj、微分时间TD，试分析其对过程的影响。

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