过程控制实验6-7-8说课材料.doc

过程控制实验6 7 8

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实验六、单容水箱液位PID控制系统
一、实验目的
1、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。
2、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的阶跃响应。
3、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的抗扰动作用。
4、定性地分析P、PI和PID调节器的参数变化对系统性能的影响。
二、实验设备
1、THKGK-1型过程控制实验装置：
GK-02、 GK-03、 GK-04、 GK-07(2台)
2、万用表一只
3、计算机系统
三、实验原理
1、单容水箱液位控制系统

图7-1、单容水箱液位控制系统的方块图
图7-1为单容水箱液位控制系统。这是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；并减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般生产过程的要求，故它在过程控制中得到广泛地应用。
当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数的选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常工作。因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器的参数是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。

图7-2单容液位控制系统结构图
系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为无扰动，这就要求调节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值，并且在切换时应使测量值与给定值无偏差存在。
一般言之，具有比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti选择合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图7-3中的曲线①、②、③所示。

图7-3、P、PI和PID调节的阶跃响应曲线
四、 验内容与步骤
1、比例（P）调节器控制
1）、按图7-1所示，将系统接成单回路反馈系统（接线参照实验一）。其中被控对象是上水箱，被控制量是该水箱的液位高度h1。
2）、启动工艺流程并开启相关的仪器，调整传感器输出的零点与增益。
3）、在老师的指导下，接通单片机控制屏，并启动计算机监控系统，为记录过渡过程曲线作好准备。
4）、在开环状态下，利用调节器的手动操作开关把被控制量“手动”调到等于给定值（一般把液位高度控制在水箱高度的50%点处）。
5）、观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本达到给定值后，即可将调节器切换到纯比例自动工作状态（积分时间常数设置于最大，积分、微分作用的开关都处于“关”的位置，比例度设置于某一中间值，“正-反”开关拔到“反”的位置，调节器的“手动”开关拨到“自动”位置），让系统投入闭环运行。
6）、待系统稳定后，对系统加扰动信号（在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设定值实现）。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。
7）、减小δ，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。
8）、增大δ，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。
9）、选择合适的δ值就可以得到比较满意的过程控制曲线。
10）、注意：每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。
2、比例积分调节器（PI）控制
1）、在比例调节实验的基础上，加入积分作用（即把积分器“I”由最大处“关” 旋至中间某一位置，并把积分开关置于“开”的位置），观察被控制量是否能回到设定值，以验证在PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。
2）、固定比例度δ值（中等大小），改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti值时的超调量σp。
表二、δ值不变、不同Ti时的超调量σp
积分时间常数Ti
大
中
小
超调量σp

3）、固定积分时间T i于某一中间值，然后改变δ的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，并列表记录不同δ值下的超调量σp。
表三、Ti值不变、不同δ值下的σp
比例度δ
大
中
小
超调量σp

4）、选择合适的δ和Ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。此曲线可通过改变设定值（如设定值由50%变为60%）来获得。
3、比例积分微分调节（PID）控制

1）、在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把D打开。然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线，并与实验步骤（二）所得的曲线相比较，由此可看到微分D对系统性能的影响。
2）、选择合适的δ、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线（阶跃输入可由给定值从50%突变至60%来实现）。
3）、用计算机记录实验时所有的过渡过程实时曲线，并进行分析。
五、注意事项
1、实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后才能接通电源。
2、必须在老师的指导下，启动计算机系统和单片机控制屏。
3、若参数设置不当，可能导致系统失控，不能达到设定值。

六、实验报告要求
1、绘制单容水箱液位控制系统的方块图。
2、用接好线路的单回路系统进行投运练习，并叙述无扰动切换的方法。
3、P调节时，作出不同δ值下的阶跃响应曲线。
4、PI调节时，分别作出Ti不变、不同δ值时的阶跃响应曲线和δ不变、不同Ti值时的阶跃响应曲线。
5、画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D的作用。
6、比较P、PI和PID三种调节器对系统余差和动态性能的影响。

实验七、双容水箱液位PID控制系统
一、实验目的
1、熟悉单回路双容液位控制系统的组成和工作原理。
2、研究分别用P、PI和PID调节器时系统的动态性能。
3、定性地分析P、PI和PID调节器的参数变化对系统性能的影响。
4、掌握临界比例度法整定调节器的参数。
5、掌握4：1衰减曲线法整定调节器的参数。
二、实验设备
1、THKGK-1型过程控制实验装置：
GK-02、 GK-03、 GK-04、 GK-07(2台)
2、万用表一只
3、计算机系统
三、实验原理

图8-1、双容水箱液位控制系统的方框图

图8-1为双容水箱液位控制系统。这是一个单回路控制系统，它与实验六不同的是有两个水箱相串联，控制的目的既要使下水箱的液位高度等于给定值所期望的值，又要具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响。显然，这种反馈控制系统的性能主要取决于调节器GK-04的结构和参数的合理选择。由于双容水箱的数学模型是二阶的，故它的稳定性不如单容液位控制系统。对于阶跃输入（包括阶跃扰动），这种系统用比例（P）调节器去控制，系统有余差，且与比例度近似成正比，若用比例积分（PI）调节器去控制，不仅可实现无余差，而且只要调节器的参数δ和Ti选择得合理，也能使系统具有良好的动态性能。

图8-2、双容水箱液位控制结构图
比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的控制作用从而使系统既无余差存在，又使其动态性能得到进一步改善。
四、实验内容与步骤
1、比例（P）调节器控制
1）、按图8-1所示，将系统接成单回路反馈控制系统（接线参照实验一）。其中被控对象是下水箱，被控制量是下水箱的液位高度h2。
2）、启动工艺流程并开启相关的仪器，调整传感器输出的零点与增益。
3）、在老师的指导下，接通单片机控制屏，并启动计算机监控系统，为记录过渡过程曲线作好准备。
4）、在开环状态下，利用调节器的手动操作开关把被控制量调到等于给定值（一般把液位高度控制在水箱高度的50%点处）。
5）、观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本达到给定值后，即可将调节器切换到纯比例自动工作状态（积分时间常数设置于最大，积分、微分作用的开关都处于“关”的位置，比例度设置于某一中间值，“正-反”开关拔到“反”的位置，调节器的“手动”开关拨到“自动”位置），让系统投入闭环运行。
6）、待系统稳定后，对系统加扰动信号（在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设定值实现）。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。
7）、减小δ，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。
8）、增大δ，重复步骤6，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。
9）、选择合适的δ值就可以得到比较满意的过程控制曲线。
10）、注意：每当做完一次试验后必须待系统稳定后再做另一次试验。
表一、不同δ时的超调量σp
比例度δ
大
中
小
超调量σp

2、比例积分调节器（PI）控制
1）、在比例调节实验的基础上，加入积分作用（即把积分器“I”由最大处旋至中间某一位置，并把积分开关置于“开”的位置），观察被控制量是否能回到设定值，以验证在PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。
2）、固定比例度δ值（中等大小），改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti值时的超调量σp。
表二、δ值不变、不同Ti时的超调量σp
积分时间常数Ti
大
中
小
超调量σp

3）、固定积分时间T i于某一中间值，然后改变δ的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，并列表记录不同δ值下的超调量σp。

表三、Ti值不变、不同δ值下的σp
比例度δ
大
中
小
超调量σp

4）、选择合适的δ和Ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。此曲线可通过增大设定值（如设定值由50%变为60%）来获得。
3、比例积分微分调节器（PID）控制
1）、在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把D打开。然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线，并与实验步骤（二）所得的曲线相比较，由此可看到微分D对系统性能的影响。
2）、选择合适的δ、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线（阶跃输入可由给定值从50%突变至60%来实现）。
3）、用秒表和显示仪表记录一条较满意的过渡过程实时曲线。
4、用临界比例度法整定调节器的参数
在实际应用中，高阶系统PID调节器的参数常用下述临界比例度法来确定。用临界比例度法去整定PID调节器的参数既方便又实用。它的具体做法是：
1）、待系统稳定后，将调节器置于纯比例P控制。逐步减小调节器的比例度δ，并且每当减小一次比例度δ，待被调量回复到平衡状态后，再手动给系统施加一个5%~15%的阶跃扰动，观察被调量变化的动态过程。若被调量为衰减的振荡曲线，则应继续减小比例度δ，直到输出响应曲线呈现等幅振荡为止。如果响应曲线出现发散振荡，则表示比例度调节得过小，应适当增大，使之出现如图8-4所示的等幅振荡。 图8-3为它的实验方块图。

图8-3、具有比例调节器的闭环系统
2）、在图8-3所示的系统中，当被调量作等幅振荡时，此时的比例度δ就是临界比例度，用δk表示之，相应的振荡周期就是临界周期Tk。据此，按下表所列出的经验数据确定PID调节器的三个参数δ、Ti和Td 。

图8-4、具有周期TK的等幅振荡
表四 、用临界比例度δk整定PID调节器的参数

调节器参数
调节器名称
δk
Ti(S)
Td(S)
P
2δk

PI
2.2δk
Tk/1.2

PID
1.6δk
0.5Tk
0.125Tk
3）、必须指出，表格中给出的参数值是对调节器参数的一个初略设计，因为它是根据大量实验而得出的结论。若要获得更满意的动态过程（例如：在阶跃作用下，被调参量作4：1地衰减振荡），则要在表格给出参数的基础上，对δ、Ti（或Td）作适当调整。
5、用衰减曲线法整定调节器的参数：
与临界比例度法类似，不同的是本方法先根据由实验所得的阻尼振荡衰减曲线（为4 :1），求得相应的比例度δs和曲线的振荡周期Ts，然后按表五给出的经验公式，确定调节器的相关参数。获得系统的输出响应曲线按4:1衰减的具体步骤如下：
1）、置调节器积分时间Ti到最大值（Ti=∞），微分时间Td为零(Td=0)，比例度δ为较大值，让系统投入闭环运行。
2）、待系统稳定后，作设定值阶跃扰动，并观察系统的响应。若系统响应衰减太快，则增大比例度；反之，系统响应衰减过慢，应减小比例度。如此反复直到系统出现如图8-5所示4:1的衰减振荡过程。

图8-5、4：1衰减响应曲线
记下此时的比例度δs和振荡周期 Ts的数值。
3）利用δs和Ts值，按表五给出的经验公式，求调节器参数δ、Ti和Td数值。
表五 4:1衰减曲线法整定计算公式
调节器参数
调节器名称
δ
Ti
Td
P
δs

PI
1.2δs
0.5Ts

PID
0.8δs
0.3Ts
0.1Ts

五、注意事项
1、实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后方可接通电源。
2、水泵启动前，出水阀门应关闭，待水泵启动后，再逐渐开启出水阀，直至某一适当开度。
3、在老师的指导下，开启单片机控制屏和计算机系统。
六、实验报告要求
1、画出双容水箱液位控制实验系统的结构图。
2、按图8-2 要求接好实验线路，经老师检查无误后投入运行。
3、用临界比例度法和衰减曲线法分别计算P、PI、PID调节的参数，并分别列出系统在这三种方式下的余差和超调量。
4、作出P调节器控制时，不同δ值下的阶跃响应曲线。
5、作出PI调节器控制时，不同δ和Ti值时的阶跃响应曲线。
6、画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D对系统性能的影响。
7、综合评价P、PI、和PID三种调节器对系统性能的影响。

实验八、水箱压力PID控制系统
一、实验目的
1、了解压力传感器的结构原理及使用方法。
2、研究单回路压力PID控制系统。
3、掌握手动/自动无扰动切换的方法。
4、学会用反应曲线法对PID参数进行整定。
二、实验装置
1、THKGK-1型过程控制实验装置：
GK-02、 GK-03 GK-04、 GK-07(2台)
2、计算机及监控软件
三、实验原理
1、压力传感器变送原理简介
此压力变送器的敏感核心采用了高性能的硅压阻式压力充油芯体，内部的专用集成电路将传感 器毫伏信号转换成标准远距离的传输电流或电压信号，可以直接与计算机接口卡、控制仪表、智能仪表或PLC等方便连接，该系列产品广泛应用于工业过程控制、石油、化工、冶金等行业。
2、单回路压力控制系统方框图

图10-1、单回路压力控制系统

图10-2、单回路压力控制系统结构图
单回路压力控制系统如图10-1所示。系统如要实现无扰动地由手动操作切换到自动运行，则要求调节器能自动地跟踪手动输出，且要在切换时使测量值与给定值无偏差存在。
改变PID调节器参数 δ、Ti和Td都会影响系统的动态特性。整定调节器参数通常有临界比例度法、衰减振荡法。由于本系统的被控对象是一阶惯性环节、且时间滞后很小，所以很难产生振荡曲线，因此我们在这里采用反应曲线法来整定系统的参数。
四、实验内容与步骤
1、按图10-1所示，将系统接成单回路反馈系统（接线参照实验一）。其中被控对象是上水箱，被控制量是上水箱的液体压力。
2、启动工艺流程并开启相关的仪器，调整传感器输出的零点与增益（参考第一部分）。
3、在老师的指导下，接通单片机控制屏，并启动计算机监控系统，为记录过渡过程曲线作好准备。
4、在开环状态下，利用调节器的手动操作开关把被控制量“手动”调到等于给定值（一般把液位高度控制在水箱高度的50%点处）。
5、反复调节手动输出值，使给定值与反馈值基本上保持相等且稳定后，把手动开关拨到自动，实现无扰动切换。
6、用反应曲线法整定系统参数：
1）将调节器置于手动状态，并使调
节器输出一个阶跃信号，记录被控制量压
力的响应曲线如图10-3所示。由该图可确
定て、T和K，其中K按下式确定
K = y(∞)-y(0) / X0 （式中X0为给定值 ）

图 10-3、 阶跃响应曲线
根据所求的K、T和て,利用下表所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为4:1时调节器的相关参数。
反应曲线法整定计算公式
调节器参数
控制规律
δ（%）
Ti
Td
P
Kて/ T

PI
1.1Kて/ T
3.3て

PID
0.85Kて/ T
2て
0.5て
五、注意事项
在老师的指导下接入单片机控制屏并启动计算机监控系统。
六、实验报告要求
1、写出常规的实验报告内容。
2、叙述无扰动切换的方法。

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