东南大学过程控制实验报告四

1、ml凸底s折，oz “回te遍鄢 -5S 涅福皿 身 带 涅福皿 “(帐)盘菅象M箱典知 “篇W眯 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 实验目的3 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 实验内容3 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 实验步骤3 HYPERLINK l bookmark35 o Current Document 实验现象5 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document 思考题

2、9一、实验目的1、熟悉PID参数对控制系通过实验掌握单回路控制系统的构成，构成单回路单容液位 控制系统；2、并应用临界比例度法、经验试凑法和衰减曲线法等整定方法来整定控制系统的PID 参数；3、了解扰动对过程品质指标的影响，用调节器仪表进行PID参数的整定和自动控制的 投运；4、熟练掌握调节器的参数设置和手动、自动的操作方法。二、实验内容1、单回路系统简介：单回路调节系统，一般是指用一个控制器来控制一个被控对象，即SISO(single input single output)系统。其中，控制器只接收一个测量喜好，其输出也只控制一个执行机 构。单回路流量PID控制系统也是一种单回路调节系统，系

3、统框图如上图所示。在此 控制回路中，被控对象的液位是被控量。利用压力型液位感测器和调理电路对测量信号 进行归一化处理，形成420mA的信号；PID控制器作为系统的核心，控制输出，使液 位打到期望的设定值。单回路系统示意图如图4.1所示。给定值 6 懑位口pid控制 *电动阶 f 水箱uk液位检刺口图4.1单回路系统示意图三、实验步骤1、接好实验导线，打开或关闭相应的阀门；2、接通总电源和各仪表电源；3、液位回路整定参数值的计算：选取工程中常用的整定方法（经验试凑法、临界比例 度法、衰减曲线法等）的一种或两种，按照每种整定方法不同的整定步骤，计算和整定 液位回路的P、I、D参数；4、将计算所得的

4、PID参数值置于调节器中，系统投入闭环运行。加入扰动信号观察液 位的变化，直至过渡过程曲线符合要求为止。注意每改变一次整定参数，系统必须处于 稳定状态下再加阶跃信号；5、曲线的分析处理：对液位的过渡曲线进行分析和处理，描绘几组典型的整定曲线， 分别标出得到每组曲线时所设定的PID参数值，计算每条整定曲线的超调量、峰值时 间、调节时间等指标并分析比较哪组曲线整定效果相对最佳并给出合理的解释，总结P、 I或D参数对过渡曲线性能指标的影响；6、记录曲线，运用力控组态软件中的历史趋势曲线，曲线下方操作按钮的作用参看附 录二。配电1B号扳说明：1-粮位变逐W - WLT-3,/ IJ+ / 1-5V 了

5、 -I社癸调节阀W 绐定旧塑4 20mA .篇电孔的插棒连线夷电孔的插棒连蜷出水调节阀卫 始定W-列* 、4 2DrmA尘开关量控制虱牌.水由.磁阀I心3桐护液位控割2捆节垂P9姻J3理节器pg。，】, FV 宜 .肾 L, 22DV#22DV0UT /. V1- J J / rf f .JQUI_ _ 口 n -20mA7i图4.2液位飞升实验仪表配线图三、实验内容1、掌握P909智能调节器的PV值工程转换方法操作前，将力控组态软件打开到运行系 统，选择相应实验，打开到历史趋势曲线；2、了解构成液位单回路调节系统的工作步骤按照实验流程图配管，并完成仪表配线。学会使用力控组态过程控制实验平台记

6、录实验结果和分析数据的方法；3、当液位平衡后，改变进水阀的开度，一般变化10%左右，等待液位再次平衡，并且 记录下改变阀位的时刻。四、实验现象1、实验原理图1液位控制系统结构图SV图2液位控制系统框图PV液位* 控制阀水箱*PID控制液位变送图3电气连接图（1）工作原理当给定液位高度（SV）后，通过压力传感器检测液位，反馈以及控制算法来调节调节 阀的开度，控制液位高度（PV）与给定值一致。水箱有一个进水口，两个出水口。进水口由阀门控制进水量从而控制液位，两个出水口 其中一个是泄流管，防止因为水位过高来不及排放而设置。水箱底部有一个压力传感器，通 过测量水的压力，间接测量液位。实验过程中，改变水

7、泵的频率实质上是增加外部扰动，由 于电磁阀开度不变，水泵频率越高，由旁路出水口流入水槽的流量越大。（2）实验现象增大给定值（SV）后，从参数显示屏可以看到，水箱液位增大，阀门开度变大，此时， 入水口流量也变大，一段时间后，水箱液位变小，阀门开度也减小，基本保持在一个稳定的 范围内波动，水箱液位也不再上升。反应了 PID控制调节液位的过程，调节阀门开度最后 保持在一定范围内稳定。注意到显示屏中显示的水箱液位并不是实际的液位高度，实际液位高度可从控制面板 （PV）读出，这里的水箱液位实际上是P909的OUT 口 4-20mA的输出值。图4液位控制面板图5阀门开度变化过程2、分析获得的响应曲线，计算

8、参数;(1)飞升曲线在实验中，电磁阀的开度由30%增大到50%，平衡点的液位高度由58.4mm增高到64.8mm。飞升曲线如图2.2。图6飞升曲线K由图2.2可以看出水箱的模型为一节惯性系统，其传递函数为Ts+1 ,64.8-58.4其中，K = = 0.32mm/%, T = 4.6min = 276s50-300.32所以水箱的传递函数为276s+1(2)单回路PID调节经过不断的PID参数调整，最终我们获得如下的PID参数：P=8.5, 1=43, D=0。调节效果如图4.4所示。图7单回路PID调节从上图可以看出效果还是不错的，有一个超调，之后就进入稳态，超调量为217 - 20020

9、0X 100% = 8.5%如果忽略扰动(电流波动，液位晃动等)，基本上是没有静差的。五、思考题1、了解调节器手动、自动的作用，以及无扰动切换的意义；答：在手动与自动切换的瞬间，保持控制器的输出信号不发生突变，以免切换给控制系 统带来干扰。在自动状态下，阀位手动给定值要跟随现场调节阀的阀位反馈值的变化而变化; 而在手动状态下，设定值要跟随被调变量（比如：流量、压力、温度、液位等的实时测量值 的变化而变化。本系统我们采用PID调节。增量式PID算法本身具有手动到自动的无扰切换功能，位置 型PID算法实现手动到自动的无扰动切换原理是这样的：手动时，计算机可定时采集手动控制器给出的模拟信号并保存，当

10、系统状态由手动切换 到自动时，计算机设置PID上次输出值为切换前保存的手动控制器采样值，同时上上次误差、 上次误差、本次误差为0，然后按照位置型PID算式的递推算式进行控制计算。由于控制增 量的计算值一般很小，因而可实现无扰切换。在实验过程中，手动调节变自动调节时，给定值会变为PV值，以免产生阶跃变化，引 起控制器输出过大，从而实现手动、自动的无扰切换。2、说明PID调节器正/反作用的含义，举例说明在系统中的应用以及具体电路；答：PID的正/反作用指的是PID的输出与反馈之间的关系，在开环状态下，增加PID 输出导致反馈增加，减少PID输出导致反馈减小的是正作用；相反增加PID输出导致反馈 减

11、小，减少PID输出导致反馈增加的是反作用。比如电加热温控系统，增加加热功率会导致被控对象的温度升高，停止加热会导致被控 对象的温度降低，这就是一个典型的正作用系统。同样是温控系统，制冷则恰恰相反，压缩 机的输出功率增加，导致被控对象温度的降低，压缩机停止工作，会导致被控对象温度的上 升，这就是反作用系统。正作用时PID的增益应取正数，反作用时增益应取负数。又例如：给PID的实时测量值来源为压力变送器；PID输出控制的负载为风机。正作用下，压力上升时，PID控制量使转速上升；反作用下，压力下降时，PID控制量使转速上升。3、说明PID调节器内给定和外给定的作用，举例说明；答：调节器的给定值可由“

12、内给定”或“外给定”两种方式取得。当调节器工作于“内 给定”方式时，给定电压由调节器内部的高精度稳压电源取得。当调节器需要由计算机或另 外的调节器供给给定信号时，由外来420mA电流流过250Q精密电阻，产生1-5V的给定 电压。PID内部给定是PID内部可以设置的给定值，人为可以修改的，外部给定是由外部送入 PID调节器给定输入端的信号，人为不可以修改，随外部信号的变化而变化。本实验由上位机设定的给定信号SV即为内部给定，液位控制器输出作为流量控制器的 外部给定。4、比例带、积分时间、微分时间的特点；答：比例系数Kp：加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。Kp愈大，系统的响应 速度越快，系统的调节精度越高，但容易产生超调，甚至导致系统的不稳定。Kp过小， 则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统的静态动态特性变坏。积分系数Ki：消除系统的稳态误差。Ki越大，系统的静态误差消除越快，但Ki过大，在响应过程的初期会产生积分饱和的现象，从而引起响应过程的较大的超调；若Ki过小，将使系统的静态误差难以消除，影响系统的调节精度。微分系数Kd：改善系统的动态特性，其主要作用是响应过程中抑制偏差向任何方 向的变化，对偏差的变化进行提前预报；但Kd过大，会使响应过程提前制动，从而延 长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。5、临界比例度法整定步骤。