1、工業自動化儀表與過程控制實驗指導書授課學時：8課時 授課班級：芙蓉自動化0901、0902 授課學期：2012年上學期授課教師：敖章洪工業自動化儀表與過程控制實驗項目一覽表序號實驗項目實驗學時實驗類型實驗要求1實驗裝置的基本操作與儀表調試2驗證必做2單容/雙容水箱對象特性的測試2驗證必做3單容/雙容水箱液位PID控制系統2驗證必做4液位串級控制系統的設計與研究2綜合限選（2選1）5PLC單容/雙容水箱液位PID控制系統2綜合實驗參考書：1. TKGK-1型操作說明書.實驗指導書實驗一 實驗裝置的基本操作與儀表調試實驗學時：2學時實驗類型：驗證實驗要求：必做一、 實驗目的 1）、了解本實驗裝置的

2、結構與組成。2）、掌握液位、壓力傳感器的使用方法。3）、掌握實驗裝置的基本操作與變送器儀表的調整方法。二、實驗設備1) TKGK-1型過程控制實驗裝置：交流變頻器GK-07-2直流調速器GK-06PID調節器GK-042)萬用表三、實驗裝置的結構框圖圖1-1、液位、壓力 、流量控制系統的結構框圖四、實驗內容1、設備組裝與檢查：1）、將GK-07-2、GK-06、GK-04掛件由左至右依次掛于實驗屏上。并將掛件的三芯藍插頭插于相應的插座中。2）、檢查掛件的電源開關是否關閉。3）、用萬用表檢查掛件的電源保險絲是否完好。2、系統接線1）、直流部分：將一臺GK04的PID調節器的自動/手動切換開關撥到

3、“手動”位置，并將其“輸出”接GK06的控制電壓“輸入”；GK06的“電樞電壓”和“勵磁電壓”輸出端分別接GK01的直流他勵電動機的“電樞電壓” 和“勵磁電壓”輸入端 。 2）、交流部分：將另一臺GK04的PID調節器的自動/手動切換開關撥到“手動”位置，并將其“輸出”端接GK-07-2變頻器的“2”與“5”接線端； 將GK-07-2變頻器的輸出“A、B、C”接GK-01上三相異步電機的“A、B、C”輸入端；將三相異步電機接成三角形，即“A”接“Z” 、“B”接“X” 、“C”接“Y”；GK-07-2 的“SD”接“STR”使電機正轉打水，（若此時電機為反轉則“SD”接“STF” ）。3、啟動

4、實驗裝置：1）、將實驗裝置電源插頭接到220V市電電源。2）、打開電源空氣開關與電源總鑰匙開關。3）、按下電源控制屏上的啟動按鈕，即可開啟電源，交流電壓表指示220V。4、儀表調整：（儀表的零位與增益調節 ）在GK-02裝置結構展示屏的左側，有五組傳感器檢測信號輸出：LT1、PT、LT2、FT、TT（輸出標準信號DC05V），它們旁邊分別設有數字顯示器，以顯示相應的輸出值。在LT1、PT、LT2數字顯示器的右邊各有二個電位器，可通過這些電位器調整相應傳感器的零位和增益，在每次實驗進行之前，必須作好這些準備工作。調試步驟如下：1)、將三根ø6的橡皮導氣管（約0.6m長）的一端分別豎直地

5、插入上、下水箱底部（上水箱兩根，下水箱一根），再將它們的另一端接到三個差壓傳感器（MPX2010DP）的正壓室。2）、打開閥1、閥3，關閉閥7、閥8，（或者打開閥7、閥8，關閉閥1、閥3）關閉閥2、閥4、閥5、閥6，然后開啟變頻器（或直流調速器），啟動一個齒輪泵，給上、下水箱供水，使其液面均上升至10cm高度，關閉變頻器（或直流調速器）。3）、將各增益調節電位器置于中間位置，然后調節零位調節電位器，使LT1兩端的輸出電壓為3.33V(顯示器顯示10.00)，LT2兩端的輸出電壓為3.33V(顯示器顯示10.00)，PT兩端的輸出電壓為3.33V（顯示器顯示980）。4）、零位調節 a、打開閥2

6、、閥4，排空上、下水箱中的水，關閉閥2、閥4。 b、調節“零位調節”電位器，使LT1、LT2和PT輸出為零伏，顯示器顯示為00.00cm。注：穩定幾分鐘后進入下一步。5）、開始增益調節： a、啟動齒輪泵，使上、下水箱水位上升至于10cm高度，然后再關閉齒輪泵。 b、調節“增益調節”電位器，使LT1、LT2顯示器顯示10.00cm，Pa顯示器顯示980Pa。6）、重復實驗步驟4、5，反復調整零位和增益，使上、下水箱水位為零時，LT1、LT2、PT輸出都為0V（顯示器顯示00.00）；上、下水箱水位上升至于10cm高度時，LT1兩端的輸出電壓為3.33V(顯示器顯示10.00)，LT2兩端的輸出電

7、壓為3.33V(顯示器顯示10.00)，PT兩端的輸出電壓為3.33V（顯示器顯示980）。實驗二 單容/雙容水箱對象特性的測試實驗學時：2學時實驗類型：驗證實驗要求：必做一、 實驗目的1）、了解單/雙容水箱的自衡特性。2）、掌握單容/雙容水箱的數學模型及其階躍響應曲線。3）、由實測單容/雙容水箱液位的階躍響應曲線，用相關的方法分別確定它們的參數。二、實驗設備1）、TKGK-1型過程控制實驗裝置： PID調節器：GK-04 變頻器：GK-07-22）、萬用表一只3）、計算機一臺三、實驗原理 階躍響應測試法是系統在開環運行狀況下，待工況穩定后，通過調節器手動改變對象的輸入信號（階躍信號）。同時，

8、記錄對象的輸出數據和階躍響應曲線，然后根據給定對象模型的結構形式，對實驗數據進行合理的處理，確定模型中的相關參數。 圖解法是確定模型參數的一種實用方法，不同的模型結構，有不同的圖解方法。（一）、單容水箱 其數學模型可用一階慣性環節來近似描述，且用下述方法求取對象的特征參數。 單容水箱液位開環控制結構圖如圖3-1所示：圖3-1、 單容水箱液位開環控制結構圖設水箱的進水量為Q1，出水量為Q2，水箱的液面高度為h，出水閥V2固定于某一開度值。根據物料動態平衡的關系，求得：在零初始條件下，對上式求拉氏變換，得： Page: 6（1）式中，T=R2*C為水箱的時間常數（注意：閥V2的開度大小會影響到水箱

9、的時間常數），K=R2為過程的放大倍數，也是閥V2的液阻，C 為水箱的底面積。令輸入流量Q1（S）=RO/S，RO為常量，則輸出液位的高度為： 3-2 3-3 3-4式（3-3）表示一階慣性環節的響應曲線是一單調上升的指數函數，如圖3-2所示。由式（3-4）可知該曲線上升到穩態值的63.2%所對應的時間，就是水箱的時間常數T。該時間常數T也可以通過坐標原點對響應曲線作切線，此切線與穩態值的交點所對應的時間就是時間常數T， 其理論依據是：圖3-2 階躍響應曲線上式表示h（t）若以在原點時的速度h（）/T 恒速變化，即只要花T秒時間就可達到穩態值h（）。式（3-2）中的K值由下式求?。?K = h

10、()/R0 = 輸入穩態值/階躍輸入（二）、雙容水箱 雙容水箱液位控制結構圖如圖3-3所示： 圖3-3、雙容水箱液位控制結構圖設流量Q1為雙容水箱的輸入量，下水箱的液位高度H2為輸出量，根據物料動態平衡關系，并考慮到液體傳輸過程中的時延，其傳遞函數為式中 K=R4，T1=R2C1，T2=R4C2，R2、R4分別為閥V2和V4的液阻，C1 和C2分別為上水箱和下水箱的容量系數。式中的K、T1和T2可由實驗求得的階躍響應曲線求出。具體的做法是在圖3-4所示的階躍響應曲線上取：1）、h2（t）穩態值的漸近線h2()；2）、h2（t）|t=t1=0.4 h2()時曲線上的點A和對應的時間t1；3）、h

11、2（t）|t=t2=0.8 h2()時曲線上的點B和對應的時間t2。 然后，利用下面的近似公式計算式 3-5中的參數K、T1和T2。其中： 圖3-4、階躍響應曲線對于式（3-5）所示的二階過程，0.32<t1/t2<0.46。當t1/t2=0.32時 ，為一階環節；當t1/t2=0.46時，過程的傳遞函數G(S)=K/(TS+1)2（此時T1=T2=T=(t1+t2)/2*2.18 ）過曲線的拐點做一條切線，它與橫軸交于A點，OA即為滯后時間常數。四、實驗內容與步驟1)、對上、下水箱液位傳感器進行零點與增益的調整。2）、按照圖3-1的結構框圖，完成系統的接線 （接線參照實驗1），并

12、把PID調節器的“手動/自動”開關置于“手動”位置，此時系統處于開環狀態。3）、將單片機控制屏GK-03的輸入信號端“LT1、LT2”分別接GK-02的傳感器輸出端“LT1、LT2”；用配套通訊線 將GK-03的“串行通信口”與計算機的COM1連接；啟動單片機控制屏GK-03，用單片機控制屏GK-03的鍵盤設置回路1和回路3的采樣時間St=2，標尺上限CH=150（詳見本書第一部分單片機控制屏GK-03使用說明第10頁）；然后用上位機控制監控軟件對液位進行監視并記錄過程曲線。4）、利用PID調節器的手動旋鈕調節輸出，將被控參數液位控制在4cm左右。5）、觀察系統的被調量水箱的水位是否趨于平衡狀

13、態。若已平衡，記錄此時調節器手動輸出值VO 以及水箱水位的高度h1和顯示儀表LT1的讀數值并填入下表。變頻器輸出頻率f手動輸出Vo水箱水位高度h1LT1顯示值HZvcmcm6）、迅速增調“手動調節”電位器，使PID的輸出突加10%，利用上位機監控軟件記下由此引起的階躍響應的過程曲線，并根據所得曲線填寫下表。t（s）水箱水位h1(cm)LT1讀數(cm)等到進入新的平衡狀態后，再記錄測量數據，并填入下表：變頻器輸出頻率fPID輸出Vo水箱水位高度h1LT1顯示值HZvcmcm7）、將“手動調節”電位器回調到步驟5）前的位置，再用秒表和數字表記錄由此引起的階躍響應過程參數與曲線。填入下表：t（s）

14、水箱水位h1(cm)LT1讀數(cm)8）、重復上述實驗步驟。9）、上述實驗步驟同樣適用于雙容水箱的下水箱液位h2的控制，系統的結構框圖如圖3-3所示，實驗步驟自擬。五、注意事項1）、做本實驗過程中，閥V1和V2不得任意改變開度大??；且閥2開度必須大于閥4的開度，以保證實驗效果。2）、階躍信號不能取得太大，以免影響系統正常運行；但也不能過小，以防止對象特性的不真實性。一般階躍信號取正常輸入信號的5%15%。3）、在輸入階躍信號前，過程必須處于平衡狀態。4）、在老師的幫助下，啟動計算機系統和單片機控制屏。六、實驗報告要求1）、作出一階和二階環節的階躍響應曲線。2）、根據實驗原理中所述的方法，求出

15、一階和二階環節的相關參數。七、思考題1）、在做本實驗時，為什么不能任意變化閥V1或V2的開度大??？2）、用兩點法和用切線對同一對象進行參數測試，它們各有什么特點？實驗三 單容/雙容水箱液位PID控制系統實驗學時：2學時實驗類型：驗證實驗要求：必做 一、 實驗目的1）、通過實驗熟悉單回路反饋控制系統的組成和工作原理。2）、研究系統分別用P、PI和PID調節器時的階躍響應。3）、研究系統分別用P、PI和PID調節器時的抗擾動作用。4）、定性地分析P、PI和PID調節器的參數變化對系統性能的影響。5）、掌握臨界比例度法整定調節器的參數。6）、掌握4：1衰減曲線法整定調節器的參數。二、 實驗設備1）、

16、THGK-1型過程控制實驗裝置： GK-03、GK-04 GK-06 GK-07-22）、萬用表一只3）、秒表一只4）、計算機系統三、實驗原理1、單容水箱液位控制系統圖6-1、單容水箱液位控制系統的方塊圖 圖6-1為單容水箱液位控制系統。這是一個單回路反饋控制系統，它的控制任務是使水箱液位等于給定值所要求的高度；減小或消除來自系統內部或外部擾動的影響。單回路控制系統由于結構簡單、投資省、操作方便、且能滿足一般生產過程的要求，故它在過程控制中得到廣泛地應用。 當一個單回路系統設計安裝就緒之后，控制質量的好壞與控制器參數的選擇有著很大的關系。合適的控制參數，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器參數

17、選擇得不合適，則會導致控制質量變壞，甚至使系統不能正常工作。因此，當一個單回路系統組成以后，如何整定好控制器的參數是一個很重要的實際問題。一個控制系統設計好以后，系統的投運和參數整定是十分重要的工作。系統由原來的手動操作切換到自動操作時，必須為無擾動，這就要求調節器的輸出量能及時地跟蹤手動的輸出值，并且在切換時應使測量值與給定值無偏差存在。一般言之，用比例（P）調節器的系統是一個有差系統，比例度的大小不僅會影響到余差的大小，而且也與系統的動態性能密切相關。比例積分（PI）調節器，由于積分的作用，不僅能實現系統無余差，而且只要參數，Ti選擇合理，也能使系統具有良好的動態性能。比例積分微分（PID

18、）調節器是在PI調節器的基礎上再引入微分D的作用，從而使系統既無余差存在，又能改善 圖6-3、P、PI和PID調節的階躍響應曲線系統的動態性能（快速性、穩定性等）。在單位階躍作用下，P、PI、PID調節系統的階躍響應分別如圖6-3中的曲線、所示。2、雙容水箱液位控制系統圖7-1、雙容水箱液位控制系統的方框圖圖7-1為雙容水箱液位控制系統。這是一個單回路控制系統，有兩個水箱相串聯，控制的目的是既要使下水箱的液位高度等于給定值所期望的值，又要具有減少或消除來自系統內部或外部擾動的影響。顯然，這種反饋控制系統的性能主要取決于調節器GK-04的結構和參數的合理選擇。由于雙容水箱的數學模型是二階的，故它

19、的穩定性不如單容液位控制系統。 對于階躍輸入（包括階躍擾動），這種系統用比例（P）調節器去控制，系統有余差，且與比例度近似成正比，若用比例積分（PI）調節器去控制，不僅可實現無余差，而且只要調節器的參數和Ti選擇的合理，也能使系統具有良好的動態性能。比例積分微分（PID）調節器是在PI調節器的基礎上再引入微分D的控制作用，從而使系統既無余差存在，又使其動態性能得到進一步改善。四、實驗內容與步驟1、單容水箱液位控制系統（一）、比例（P）調節器控制1）、按圖6-1所示，將系統接成單回路反饋系統（接線參照實驗一）。其中被控對象是上水箱，被控制量是該水箱的液位高度h1。 2）、啟動工藝流程并開啟相關的

20、儀器，調整傳感器輸出的零點與增益。3）、在老師的指導下，接通單片機控制屏，并啟動計算機監控系統，為記錄過渡過程曲線作好準備。4）、在開環狀態下，利用調節器的手動操作開關把被控制量“手動”調到等于給定值（一般把液位高度控制在水箱高度的50%點處）。5）、觀察計算機顯示屏上的曲線，待被調參數基本達到給定值后，即可將調節器切換到純比例自動工作狀態（積分時間常數設置于最大，積分、微分作用的開關都處于“關”的位置，比例度設置于某一中間值，“正-反”開關拔到“反”的位置，調節器的“手動”開關撥到“自動”位置），讓系統投入閉環運行。6）、待系統穩定后，對系統加擾動信號（在純比例的基礎上加擾動，一般可通過改變

21、設定值實現）。記錄曲線在經過幾次波動穩定下來后，系統有穩態誤差，并記錄余差大小。7）、減小，重復步驟6，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。8）、增大，重復步驟6，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。9）、選擇合適的值就可以得到比較滿意的過程控制曲線。10）、注意：每當做完一次試驗后，必須待系統穩定后再做另一次試驗。（二）、比例積分調節器（PI）控制1）、在比例調節實驗的基礎上，加入積分作用（即把積分器“I”由最大處“關” 旋至中間某一位置，并把積分開關置于“開”的位置），觀察被控制量是否能回到設定值，以驗證在PI控制下，系統對階躍擾動無余差存在。2）、固定比例度值（中等大小），改變PI調節器的積

22、分時間常數值Ti，然后觀察加階躍擾動后被調量的輸出波形，并記錄不同Ti值時的超調量p。 表二、值不變、不同Ti時的超調量p積分時間常數Ti大中小超調量p3）、固定積分時間T i于某一中間值，然后改變的大小，觀察加擾動后被調量輸出的動態波形，并列表記錄不同值下的超調量p。 表三、Ti值不變、不同值下的p比例度大中小超調量p4）、選擇合適的和Ti值，使系統對階躍輸入擾動的輸出響應為一條較滿意的過渡過程曲線。此曲線可通過改變設定值（如設定值由50%變為60%）來獲得。（三）、比例積分微分調節（PID）控制1）、在PI調節器控制實驗的基礎上，再引入適量的微分作用，即把D打開。然后加上與前面實驗幅值完全

23、相等的擾動，記錄系統被控制量響應的動態曲線，并與實驗步驟（二）所得的曲線相比較，由此可看到微分D對系統性能的影響。2）、選擇合適的、Ti和Td，使系統的輸出響應為一條較滿意的過渡過程曲線（階躍輸入可由給定值從50%突變至60%來實現）。3）、用計算機記錄實驗時所有的過渡過程實時曲線，并進行分析。2、雙容水箱液位控制系統（一）、比例（P）調節器控制1）、按圖7-1所示，將系統接成單回路反饋控制系統（接線參照實驗一）。其中被控對象是下水箱，被控制量是下水箱的液位高度h2。 2）、啟動工藝流程并開啟相關的儀器，調整傳感器輸出的零點與增益。3）、在老師的指導下，接通單片機控制屏，并啟動計算機監控系統，

24、為記錄過渡過程曲線作好準備。4）、在開環狀態下，利用調節器的手動操作開關把被控制量調到等于給定值（一般把液位高度控制在水箱高度的50%點處）。5）、觀察計算機顯示屏上的曲線，待被調參數基本達到給定值后，即可將調節器切換到純比例自動工作狀態（積分時間常數設置于最大，積分、微分作用的開關都處于“關”的位置，比例度設置于某一中間值，“正-反”開關拔到“反”的位置，調節器的“手動”開關撥到“自動”位置），讓系統投入閉環運行。6）、待系統穩定后，對系統加擾動信號（在純比例的基礎上加擾動，一般可通過改變設定值實現）。記錄曲線在經過幾次波動穩定下來后，系統有穩態誤差，并記錄余差大小。7）、減小，重復步驟6，

25、觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。8）、增大，重復步驟6，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。9）、選擇合適的值就可以得到比較滿意的過程控制曲線。10）、注意：每當做完一次試驗后，必須待系統穩定后再做另一次試驗。（二）、比例積分調節器（PI）控制1）、在比例調節實驗的基礎上，加入積分作用（即把積分器“I”由最大處旋至中間某一位置，并把積分開關置于“開”的位置），觀察被控制量是否能回到設定值，以驗證在PI控制下，系統對階躍擾動無余差存在。2）、固定比例度值（中等大小），改變PI調節器的積分時間常數值Ti，然后觀察加階躍擾動后被調量的輸出波形，并記錄不同Ti值時的超調量p。 表二、值不變、不同Ti時

26、的超調量p積分時間常數Ti大中小超調量p3）、固定積分時間T i于某一中間值，然后改變的大小，觀察加擾動后被調量輸出的動態波形，并列表記錄不同值下的超調量p。 表三、Ti值不變、不同值下的p比例度大中小超調量p4）、選擇合適的和Ti值，使系統對階躍輸入擾動的輸出響應為一條較滿意的過渡過程曲線。此曲線可通過改變設定值（如設定值由50%變為60%）來獲得。（三）、比例積分微分調節器（PID）控制1）、在PI調節器控制實驗的基礎上，再引入適量的微分作用，即把D打開。然后加上與前面實驗幅值完全相等的擾動，記錄系統被控制量響應的動態曲線，并與實驗步驟（二）所得的曲線相比較，由此可看到微分D對系統性能的影

27、響。2）、選擇合適的、Ti和Td，使系統的輸出響應為一條較滿意的過渡過程曲線（階躍輸入可由給定值從50%突變至60%來實現）。3）、用秒表和顯示儀表記錄一條較滿意的過渡過程實時曲線。（四）、用臨界比例度法整定調節器的參數 在實際應用中，PID調節器的參數常用下述臨界比例度法來確定。用臨界比例度法去整定PID調節器的參數既方便又實用。它的具體做法是：1）、待系統穩定后，將調節器置于純比例P控制。逐步減小調節器的比例度，并且每當減小一次比例度，待被調量回復到平衡狀態后，再手動給系統施加一個5%15%的階躍擾動，觀察被調量變化的動態過程。若被調量為衰減的振蕩曲線，則應繼續減小比例度，直到輸出響應曲線

28、呈現等幅振蕩為止。如果響應曲線出現發散振蕩，則表示比例度調節得過小，應適當增大，使之出現如圖7-4所示的等幅振蕩。 圖7-3為它的實驗方塊圖。圖7-3、具有比例調節器的閉環系統2）、在圖7-3所示的系統中，當被調量作等幅振蕩時，此時的比例度就是臨界比例度，用k表示之，相應的振蕩周期就是臨界周期Tk。據此，按下表所列出的經驗數據確定PID調節器的三個參數、Ti和Td 。圖7-4、具有周期TK的等幅振蕩 表四 、用臨界比例度k整定PID調節器的參數調節器參數調節器名稱kTi(S)Td(S)P2kPI2.2kTk/1.2PID1.6k0.5Tk0.125Tk3）、必須指出，表格中給出的參數值是對調節

29、器參數的一個初略設計，因為它是根據大量實驗而得出的結論。若要獲得更滿意的動態過程（例如：在階躍作用下，被調參量作4：1地衰減振蕩），則要在表格給出參數的基礎上，對、Ti（或Td）作適當調整。（五）、用衰減曲線法整定調節器的參數：與臨界比例度法類似，不同的是本方法先根據由實驗所得的阻尼振蕩衰減曲線（為4 :1），求得相應的比例度s和曲線的振蕩周期Ts，然后按表五給出的經驗公式，確定調節器的相關參數。對于4:1衰減曲線法的具體步驟如下：1）、置調節器積分時間Ti到最大值（Ti=），微分時間Td為零(Td=0)，比例度為較大值，讓系統投入閉環運行。2）、待系統穩定后，作設定值階躍擾動，并觀察系統的響

30、應。若系統響應衰減太快，則增大比例度；反之，系統響應衰減過慢，應減小比例度。如此反復直到系統出現如圖7-5所示4:1的衰減振蕩過程。記下此時的比例度s和振蕩周期 Ts的數值。 圖7-5 4:1衰減響應曲線 3）、利用s和Ts值，按表五給出的經驗公式，求調節器參數、Ti和Td數值。表五 4:1衰減曲線法整定計算公式調節器參數調節器名稱TiTdPsPI1.2s 0.5TsPID0.8s0.3Ts0.1Ts五、實驗報告要求1）、繪制單/雙容水箱液位控制系統的方塊圖。2）、用接好線路的單回路系統進行投運練習，并敘述無擾動切換的方法。3）用臨界比例度法和衰減曲線法分別計算P、PI、PID調節的參數，并分

31、別列出系統在這三種方式下的余差和超調量。4）、P調節時，作出不同值下的階躍響應曲線。5）、PI調節時，分別作出Ti不變、不同值時的階躍響應曲線和不變、不同Ti值時的階躍響應曲線。6）、畫出PID控制時的階躍響應曲線，并分析微分D的作用。7）、比較P、PI和PID三種調節器對系統余差和動態性能的影響。六、注意事項1）、實驗線路接好后，必須經指導老師檢查認可后方可接通電源。2）、必須在老師的指導下，啟動計算機系統和單片機控制屏。3）、若參數設置不當，可能導致系統失控，不能達到設定值。七、思考題1）、如何實現減小或消除余差？純比例控制能否消除余差？2）、試定性地分析三種調節器的參數、（、Ti）和（、

32、Ti和Td）。的變化對控制過程各產生什么影響？3）、實驗系統在運行前應做好哪些準備工作？4）、為什么雙容液位控制系統比單容液位控制系統難于穩定？5）、有人說：由于積分作用增強，系統會不穩定，為此在積分作用增強的同時應增大比例度，你認為對嗎？為什么？6）、試用控制原理的相關理論分析PID調節器的微分作用為什么不能太大？7）、為什么微分作用的引入必須緩慢進行？這時的比例度是否要改變？為什么？8）、調節器參數（、Ti和Td）的改變對整個控制過程有什么影響？實驗四 液位串級控制系統的設計與研究實驗學時：2學時實驗類型：綜合實驗要求：限選一、 實驗目的1）、熟悉串級控制系統的結構與控制特點。2）、掌握串

33、級控制系統的投運與參數整定方法。3）、研究階躍擾動分別作用在副對象和主對象時對系統主被控量的影響。二、 實驗設備1）TKGK-1型過程控制實驗裝置：變頻調速器(GK-07-2)直流調速器(GK-06) 模擬PID調節器（GK-04）二臺 2）萬用電表一只、計算機系統和GK-03三、 實驗原理 圖12-1、液位串級控制系統的方框圖1、串級控制系統的組成圖12-1為一液位串級控制系統的方框圖（圖12-2為其結構圖）。這種系統具有2個調節器，主、副兩個被控對象，2個調節器分別設置在主、副回路中。設在主回路的調節器稱為主調節器，設在副回路的調節器稱為副調節器。兩個調節器串聯連接，主調節器的輸出作為副回

34、路的給定量，副調節器的輸出去控制執行元件。主對象的輸出為系統的被控制量h2，副對象的輸出h1是一個輔助的被控變量。2、串級系統的抗干擾能力串級系統由于增加了副回路，因而對于進入副回路的干擾具有很強的抑制作用，使作用于副環的干擾對主變量的影響大大減小。主回路是一個定值控制系統，而副回環是一個隨動控制。在設計串級控制系統時，要求系統副對象的時間常數要遠小于主對象。此外，為了保證系統的控制精度，一般要求主調節器設計成PI或PID調節器，而副調節器則一般設計為比例P控制，以提高副回路的快速響應。在搭實驗線路時，要注意到兩個調節器的極性（目的是保證主、副回路都是負反饋控制）。 3、串級控制系統與單回路的

35、控制系統相比 串級控制系統由于副回路的存在，改善了對象的特性，使等效副對象的時間常數減小，系統的工作頻率提高，從而改善了系統的動態性能，使系統的響應加快。同時，由于串級系統具有主副兩只調節器，使它的開環增益變大，因而使系統的擾干擾能力增強。4、串級控制系統的參數整定串級控制系統中兩個控制器的參數都需要進行整定，其中任一個控制器任一參數值發生變化，對整個串級系統都有影響。因此，串級控制系統的參數整定要比單回路控制系統復雜一些。常用的整定方法有：逐步逼近法、一步整定法、兩步整定法。四、 實驗步驟1）、按圖12-1和圖12-2，連接好實驗線路，并進行零位與增益的調節。2）、正確設置PID調節器的開關

36、位置： 副調節器：純比例（P）控制，反作用，自動，KC2（副回路的開環增益）較大。 主調節器：比例積分（PI）控制，反作用，自動，KC1 KC2（KC1主回路開環增益）。3）、利用一步整定法整定系統： a、先將主、副調節器均置于純比例P調節，并將副調節器的比例度調到30%左右。 b、將主調節器置于手動，副調節器置于自動，通過改變主調節器的手動輸出值使下水箱液位達到設定值。 c、將主調節器置于自動，調節比例度，使輸出響應曲線呈4:1衰減，記下s和Ts，據此查表求出主調節器的和Ti值。（注）：閥4的開度必須小于閥2的開度實驗才能成功。五、 實驗報告要求1）、記錄實驗過程曲線。2）、擾動作用于主、副對象，觀察對主變量（被控制量）的影響。3）、觀察并分析副調節器KP的大小對系統動態性能的影響。4）、觀察并分析主調節的KP與Ti對系統動態性能的影響。六、思考題1）、試述串級控制系統為什么對主擾動具有很強的抗擾動能力？如果副對象的時間常數不是遠小于主對象的時間常數時，這時副回路抗擾動的優越性還具有嗎？為什么？2）、采用一步整定法的理論依據是什么？3）、串級控制系統投運前需要做好那些準備工作？ 主、副調節器的內、外給定如何確定？正、反作用如何確定？