实验三单回路调节系统的投运及整定

一、实验目的1、进一步熟悉单回路控制系统的定义、组成、框图和工作原理2、熟悉简单调节系统的手动/自动投运方法3、掌握PID的调节规律及其对调节过程的影响4、掌握PID控制器参数的整定方法。实验二单回路调节系统的投运和整定

二、实验设备过程控制系统实验装置、连接导线30％65％6.5mA4mA恒流器Ⅰ恒流器Ⅱ干扰PV－SPe＝40％55％三、定义、组成、框图、原理3mA5.5mA－测量值PV+被控量h给定值SP变送器DBC－211e控制器“－”DTL－321干扰1、定义由一台调节器、一台执行器、一个被控对象和一台变送器组成的单闭环负反馈控制系统叫~2、组成由调节器、执行器、被控对象、测量变送器4个部分组成3、框图4、工作过程【若采用气开阀（电开阀）“+”，对象为“+”，则要选调节器为“－”】若干扰导致△h↓→调节阀(+)开度↑→测量值PV↓→e↓→调节器（－）输出↑→进水槽流量↑△h↑控制器Ⅰ记录仪加法器控制器ⅡⅠ

Ⅱ切换开关四、实验接线水泵电动阀水槽mAmA流量计手动阀642351水龙头按下图接好实验接线LT3LT2LT1液位Ⅰ液位Ⅱ液位Ⅲ流量计Ⅰ恒流器Ⅰ伺服放大器Ⅰ伺服放大器Ⅱ恒流器Ⅱ流量计Ⅱ四、实验接线按下图接好实验接线设置U225%35%液位Ⅰ液位Ⅱ液位Ⅲ变频器S500流量计Ⅱ无纸记录仪计算机控制器Ⅰ计算机控制器Ⅱ加法器流量计ⅠIO模块(A/D)I-7024mAmA水泵电动阀流量计流量显示手动阀642351水龙头LT3LT2LT1水槽30％80％8mA3mA恒流器Ⅰ恒流器Ⅱ干扰PV－SPe＝3mA－测量值PV+被控量H给定值SP测量变送器DBC－211e调节器DTL－321干扰●PID模拟控制器●PID可编程控制器●PID数字控制器●PID现场总线控制器PID模拟控制器PID可编程控制器30％80％8mA3mA恒流器Ⅰ恒流器Ⅱ干扰PV－SPe＝3mA－测量值PV+被控量H给定值SP测量变送器DBC－211e调节器DTL－321干扰气动阀30％80％8mA3mA恒流器Ⅰ恒流器Ⅱ干扰PV－SPe＝3mA－测量值PV+被控量H给定值SP测量变送器DBC－211e调节器DTL－321干扰电动调节阀三通阀30％80％8mA3mA恒流器Ⅰ恒流器Ⅱ干扰PV－SPe＝3mA－测量值PV+被控量H给定值SP测量变送器DBC－211e调节器DTL－321干扰30％80％8mA3mA恒流器Ⅰ恒流器Ⅱ干扰PV－SPe＝3mA－测量值PV+被控量H给定值SP测量变送器DBC－211e调节器DTL－321干扰30％80％8mA3mA恒流器Ⅰ恒流器Ⅱ干扰PV－SPe＝3mA－测量值PV+被控量H给定值SP测量变送器DBC－211e调节器DTL－321干扰记录仪XWC-130无纸记录仪有纸记录仪30％80％8mA3mA恒流器Ⅰ恒流器Ⅱ干扰PV－SPe＝3mA－测量值PV+被控量H给定值SP测量变送器DBC－211e调节器DTL－321干扰30％65％8mA3mA恒流器Ⅰ恒流器Ⅱ干扰80％60％3mA6mA－测量值PV+被控量H给定值SP测量变送器DBC－211e干扰PID控制器五、实验步骤实验数据记录

1、将图中水龙头1、2打开（竖），其它关闭（横）。2、开关K搬到Ⅱ位置，调恒流器Ⅱ的输出=3mA。开关K搬到Ⅰ位置，调恒流器Ⅰ的输出=8mA。3、控制器Ⅰ的手动/自动开关搬到手动，调手动拨盘，使控制器输出值=30%（3mA）2、鼠标单击实验界面中的“设置U2”按钮，调U2=25%）3、鼠标“水箱1液位控制器”，调MV(U1)=50%。4、根据液位h2的控制需要，需将控制器的正、反作用开关搬到“反”位置。5、启动两台水泵。6、用下列4∶1衰减曲线法整定控制系统。（1）控制器PID参数按下表设定好。（2）当液位稳定后，调控制器给定值旋钮，使测量值PV红指针与给定值SV黑指针对齐（即偏差e＝0），此时将控制器搬到自动，再将开关K从Ⅰ搬到Ⅱ加入干扰（鼠标单击“自动”按钮，把控制器投入自动控制，再单击“设置U2”按钮，调U2=35%加入干扰）。之后观察记录仪记下的过程曲线是否达到4∶1衰减，若达到了4∶1衰减，说明控制器比例度δ参数整定的比较好了，则记下δS、TS＝?。若没达到，则改变δ值重复第（2）步。（3）把记下的δS、TS值带入下表计算，把算出的δS、TI值设到控制器上，重复第（2）步。控制器PID参数设定实验得到的曲线对实验曲线进行分析1控制器设为P控制做第1次δ＝20%Kc＝1.1TI＝∞

TI＝∞TD＝0TD＝0

做第2次δ＝15%Kc＝1.0TI＝∞TI＝∞TD＝0TD＝0δs＝15%、Ts＝2.5分＝150秒结论：分析曲线可知被控参数衰减比n=3:1≤4:1，所以控制器参数整定得不够合适，适当调整控制器比例度δ参数后，重新做下一次整定，直到n≥4﹕1出现为止。结论：分析曲线可知被控参数衰减比n=4:1≥4:1，可见控制器比例度δ

参数已整定得比较合适了，达到了控制器P控制规律时参数整定要求。Ts控制器PID参数设定实验得到的曲线对实验曲线进行分析2控制器设为PI控制做第1次δ＝1.2δs＝1.2×15%＝18%TI＝0.5TS＝

0.5

×150＝75sTD＝0

Kc＝1.1TI＝62(s)TD＝0做第2次δ＝30%TI＝60(s)TD＝0Kc＝1.0TI＝58(s)TD＝0结论：分析曲线可知被控参数衰减比n=6:1≥4:1，所以控制器比例度δ、积分时间TI

参数整定得比较好了，达到了控制器PI参数整定要求。结论：分析曲线可知被控参数衰减比n=6:1≥4:1，所以控制器比例度δ、积分时间TI

参数整定得比较好了，达到了控制器PI参数整定要求。3.发散振荡过程——曲线③4.等幅振荡过程——曲线④1.衰减振荡过程——曲线①2.衰减非振荡过程—曲线②ty③合理的PID参数会使被控制参数快速、无差地达到设定值

不允许不允许ty②ty④yt①控制器调节阀r(t)e(t)u(t)q(t)y(t)y(t)被控参数给定－被控对象变送器控制系统品质指标计算示列最大偏差D＝1.4—0.2＝1.2cm衰减比n＝＝＝1.4—1.01.1—1.0余差C＝1.0—0.2＝0.8cm控制时间tc＝7.5—0.5＝7（分）0.40.81.20.0h2(cm)t(分)Btc4826C4826t(分)I(mA)246810给定值AD0.40.1410.40.81.20.0h2(cm)t(分)tc48264826t(分)I(mA)246810给定值DAB最大偏差D＝0.8—0.2＝0.6cm衰减比n＝＝＝0.8—0.20.3—0.2余差C＝0cm控制时间tc＝6.25—0.5＝5.8（分）0.60.161控制系统品质指标计算示列七、思考题

1．何谓无扰动切换？如何实现？答：（1）无扰动切换是指：调节器从手动→自动，或从自动→手动切换时，其输出大小保持不变，即它所控制的调节阀开度维持原位不变，亦即不会造成对控制对象的扰动。（2）这样来实现：b.当液位稳定时，调手动拨盘，使调节器手动时的输出值等于自动时的输出值，此时把调节器从自动→手动，即实现了自动→手动的无扰动切换。被控量h+－给定值SVH测量变送器DBC－211水槽测量值PVe调节器DTL321h干扰a.当液位稳定时，调给定值SV＝测量值PV，此时把调节器从手动→自动，即实现了手动→自动的无扰动切换。1、被控对象、执行器、控制器的正、反作用方向各是怎样规定？

⑴被控对象：当操纵变量增加时，被控变量增加的对象是“正作用”对象（+）；反之，被控变量随操纵变量增加而降低的对象是“反作用”对象（-）。⑵执行器：由气开、气关型式来确定。气开阀（电开阀）为“正-”作用；气关阀（电关阀）为“反-”作用。

⑶控制器：把控制器输入偏差信号定义为测量值减去给定值，那么当偏差增加时，其输出也增加的控制器称“正作用”控制器（+）；反之，控制器的输出信号随偏差的增加而减小的称为“反作用”控制器（-）。答：1、根据实验的过程和结果，总结控制器Kc、TI、TD参数对控制系统品质的影响？

⑴控制器Kc越小，比例作用越弱，过渡过程越平稳，但余差也越大；Kc增大，余差将减小，但是不能完全消除余差，只能起到粗调作用。不过Kc过大，过渡过程易振荡，Kc太大时，就可能出现发散振荡。被控量h+－给定值SVH测量变送器DBC－211水槽测量值PVe控制器DTL321h干扰

⑵积分作用能消除余差，但降低了系统的稳定性。积分时间Ti越小，则积分速度越大，积分作用越强，消除余差越快。

⑶在引入微分作用后能全面提高控制质量。微分时间TD越大，微分作用越强，它使调节过程时间缩短，余差减小（但不能消除），具有超前调节的作用。答：2、为何要考虑控制器的正、反作用？如何选择？本实验你是如何确定控制器正反作用的？

答：⑴在控制系统中，要正确选择控制器的“正”、“反”作用方向。选择控制器的正、反作用的目的是使系统中控制器、执行器、对象三个环节组合起来，能在系统中实现负反馈的作用。符号规定：①气开阀（电开阀）为＋，气关阀（电关阀）为－

②阀开大，被控参数增加的对象为＋，降低的对象为－⑵根据公式：(控制器±)×

(阀±)×

(对象±)＝（－）来选择

⑶本实验中：用的是电开阀＋，且阀开大，液位上升，故水槽是正对象＋所以根据公式（控制器—）×（阀＋）×（对象＋）＝－可知，控制器的符号应选“－”，即选择反作用控制器。3、控制器参数整定的任务是什么？工程上常用的控制器参数整定有哪几种方法？

⑵控制器参数整定的方法有理论计算和工程整定两大类。其中常用的是工程整定法。它又分为临界比例度法，衰减曲线法和经验法等。

答：

⑴控制器参数整定的任务是：根据已定的控制方案，来确定控制器的最佳参数（包括比例度δ、积分时间Ti、微分时间TD），以便使系统获得最佳的控制质量。

实验二单回路调节系统的投运和整定1、实验设备：CS4000过程控制系统实验装置2、整定初始条件：干扰通道变频器开度U2=20%调节通道阀门开度MV=55%3、阶跃干扰量：q=20%~30%PID整定参数：TI

=60sTd=0s实验中积分时间TI越小，h2控制过程稳定越差低灵敏区半宽0低低灵敏区增益0输出下限0%输出下限70%滤波时间1sMV变化率限幅=5%4、实验结果实验二单