一、實驗目的1、進一步熟悉單回路控制系統的定義、組成、框圖和工作原理2、熟悉簡單調節系統的手動/自動投運方法3、掌握PID的調節規律及其對調節過程的影響4、掌握PID控制器參數的整定方法。實驗二單回路調節系統的投運和整定

二、實驗設備過程控制系統實驗裝置、連接導線30％65％6.5mA4mA恒流器Ⅰ恒流器Ⅱ干擾PV－SPe＝40％55％三、定義、組成、框圖、原理3mA5.5mA－測量值PV+被控量h給定值SP變送器DBC－211e控制器“－”DTL－321干擾1、定義由一臺調節器、一臺執行器、一個被控對象和一臺變送器組成的單閉環負反饋控制系統叫~2、組成由調節器、執行器、被控對象、測量變送器4個部分組成3、框圖4、工作過程【若采用氣開閥（電開閥）“+”，對象為“+”，則要選調節器為“－”】若干擾導致△h↓→調節閥(+)開度↑→測量值PV↓→e↓→調節器（－）輸出↑→進水槽流量↑△h↑控制器Ⅰ記錄儀加法器控制器ⅡⅠ

Ⅱ切換開關四、實驗接線水泵電動閥水槽mAmA流量計手動閥642351水龍頭按下圖接好實驗接線LT3LT2LT1液位Ⅰ液位Ⅱ液位Ⅲ流量計Ⅰ恒流器Ⅰ伺服放大器Ⅰ伺服放大器Ⅱ恒流器Ⅱ流量計Ⅱ四、實驗接線按下圖接好實驗接線設置U225%35%液位Ⅰ液位Ⅱ液位Ⅲ變頻器S500流量計Ⅱ無紙記錄儀計算機控制器Ⅰ計算機控制器Ⅱ加法器流量計ⅠIO模塊(A/D)I-7024mAmA水泵電動閥流量計流量顯示手動閥642351水龍頭LT3LT2LT1水槽30％80％8mA3mA恒流器Ⅰ恒流器Ⅱ干擾PV－SPe＝3mA－測量值PV+被控量H給定值SP測量變送器DBC－211e調節器DTL－321干擾●PID模擬控制器●PID可編程控制器●PID數字控制器●PID現場總線控制器PID模擬控制器PID可編程控制器30％80％8mA3mA恒流器Ⅰ恒流器Ⅱ干擾PV－SPe＝3mA－測量值PV+被控量H給定值SP測量變送器DBC－211e調節器DTL－321干擾氣動閥30％80％8mA3mA恒流器Ⅰ恒流器Ⅱ干擾PV－SPe＝3mA－測量值PV+被控量H給定值SP測量變送器DBC－211e調節器DTL－321干擾電動調節閥三通閥30％80％8mA3mA恒流器Ⅰ恒流器Ⅱ干擾PV－SPe＝3mA－測量值PV+被控量H給定值SP測量變送器DBC－211e調節器DTL－321干擾30％80％8mA3mA恒流器Ⅰ恒流器Ⅱ干擾PV－SPe＝3mA－測量值PV+被控量H給定值SP測量變送器DBC－211e調節器DTL－321干擾30％80％8mA3mA恒流器Ⅰ恒流器Ⅱ干擾PV－SPe＝3mA－測量值PV+被控量H給定值SP測量變送器DBC－211e調節器DTL－321干擾記錄儀XWC-130無紙記錄儀有紙記錄儀30％80％8mA3mA恒流器Ⅰ恒流器Ⅱ干擾PV－SPe＝3mA－測量值PV+被控量H給定值SP測量變送器DBC－211e調節器DTL－321干擾30％65％8mA3mA恒流器Ⅰ恒流器Ⅱ干擾80％60％3mA6mA－測量值PV+被控量H給定值SP測量變送器DBC－211e干擾PID控制器五、實驗步驟實驗數據記錄

1、將圖中水龍頭1、2打開（豎），其它關閉（橫）。2、開關K搬到Ⅱ位置，調恒流器Ⅱ的輸出=3mA。開關K搬到Ⅰ位置，調恒流器Ⅰ的輸出=8mA。3、控制器Ⅰ的手動/自動開關搬到手動，調手動撥盤，使控制器輸出值=30%（3mA）2、鼠標單擊實驗界面中的“設置U2”按鈕，調U2=25%）3、鼠標“水箱1液位控制器”，調MV(U1)=50%。4、根據液位h2的控制需要，需將控制器的正、反作用開關搬到“反”位置。5、啟動兩臺水泵。6、用下列4∶1衰減曲線法整定控制系統。（1）控制器PID參數按下表設定好。（2）當液位穩定后，調控制器給定值旋鈕，使測量值PV紅指針與給定值SV黑指針對齊（即偏差e＝0），此時將控制器搬到自動，再將開關K從Ⅰ搬到Ⅱ加入干擾（鼠標單擊“自動”按鈕，把控制器投入自動控制，再單擊“設置U2”按鈕，調U2=35%加入干擾）。之后觀察記錄儀記下的過程曲線是否達到4∶1衰減，若達到了4∶1衰減，說明控制器比例度δ參數整定的比較好了，則記下δS、TS＝?。若沒達到，則改變δ值重復第（2）步。（3）把記下的δS、TS值帶入下表計算，把算出的δS、TI值設到控制器上，重復第（2）步。控制器PID參數設定實驗得到的曲線對實驗曲線進行分析1控制器設為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秒結論：分析曲線可知被控參數衰減比n=3:1≤4:1，所以控制器參數整定得不夠合適，適當調整控制器比例度δ參數后，重新做下一次整定，直到n≥4﹕1出現為止。結論：分析曲線可知被控參數衰減比n=4:1≥4:1，可見控制器比例度δ

參數已整定得比較合適了，達到了控制器P控制規律時參數整定要求。Ts控制器PID參數設定實驗得到的曲線對實驗曲線進行分析2控制器設為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結論：分析曲線可知被控參數衰減比n=6:1≥4:1，所以控制器比例度δ、積分時間TI

參數整定得比較好了，達到了控制器PI參數整定要求。結論：分析曲線可知被控參數衰減比n=6:1≥4:1，所以控制器比例度δ、積分時間TI

參數整定得比較好了，達到了控制器PI參數整定要求。3.發散振蕩過程——曲線③4.等幅振蕩過程——曲線④1.衰減振蕩過程——曲線①2.衰減非振蕩過程—曲線②ty③合理的PID參數會使被控制參數快速、無差地達到設定值

不允許不允許ty②ty④yt①控制器調節閥r(t)e(t)u(t)q(t)y(t)y(t)被控參數給定－被控對象變送器控制系統品質指標計算示列最大偏差D＝1.4—0.2＝1.2cm衰減比n＝＝＝1.4—1.01.1—1.0余差C＝1.0—0.2＝0.8cm控制時間tc＝7.5—0.5＝7（分）0.40.81.20.0h2(cm)t(分)Btc4826C4826t(分)I(mA)246810給定值AD0.40.1410.40.81.20.0h2(cm)t(分)tc48264826t(分)I(mA)246810給定值DAB最大偏差D＝0.8—0.2＝0.6cm衰減比n＝＝＝0.8—0.20.3—0.2余差C＝0cm控制時間tc＝6.25—0.5＝5.8（分）0.60.161控制系統品質指標計算示列七、思考題

1．何謂無擾動切換？如何實現？答：（1）無擾動切換是指：調節器從手動→自動，或從自動→手動切換時，其輸出大小保持不變，即它所控制的調節閥開度維持原位不變，亦即不會造成對控制對象的擾動。（2）這樣來實現：b.當液位穩定時，調手動撥盤，使調節器手動時的輸出值等于自動時的輸出值，此時把調節器從自動→手動，即實現了自動→手動的無擾動切換。被控量h+－給定值SVH測量變送器DBC－211水槽測量值PVe調節器DTL321h干擾a.當液位穩定時，調給定值SV＝測量值PV，此時把調節器從手動→自動，即實現了手動→自動的無擾動切換。1、被控對象、執行器、控制器的正、反作用方向各是怎樣規定？

⑴被控對象：當操縱變量增加時，被控變量增加的對象是“正作用”對象（+）；反之，被控變量隨操縱變量增加而降低的對象是“反作用”對象（-）。⑵執行器：由氣開、氣關型式來確定。氣開閥（電開閥）為“正-”作用；氣關閥（電關閥）為“反-”作用。

⑶控制器：把控制器輸入偏差信號定義為測量值減去給定值，那么當偏差增加時，其輸出也增加的控制器稱“正作用”控制器（+）；反之，控制器的輸出信號隨偏差的增加而減小的稱為“反作用”控制器（-）。答：1、根據實驗的過程和結果，總結控制器Kc、TI、TD參數對控制系統品質的影響？

⑴控制器Kc越小，比例作用越弱，過渡過程越平穩，但余差也越大；Kc增大，余差將減小，但是不能完全消除余差，只能起到粗調作用。不過Kc過大，過渡過程易振蕩，Kc太大時，就可能出現發散振蕩。被控量h+－給定值SVH測量變送器DBC－211水槽測量值PVe控制器DTL321h干擾

⑵積分作用能消除余差，但降低了系統的穩定性。積分時間Ti越小，則積分速度越大，積分作用越強，消除余差越快。

⑶在引入微分作用后能全面提高控制質量。微分時間TD越大，微分作用越強，它使調節過程時間縮短，余差減小（但不能消除），具有超前調節的作用。答：2、為何要考慮控制器的正、反作用？如何選擇？本實驗你是如何確定控制器正反作用的？

答：⑴在控制系統中，要正確選擇控制器的“正”、“反”作用方向。選擇控制器的正、反作用的目的是使系統中控制器、執行器、對象三個環節組合起來，能在系統中實現負反饋的作用。符號規定：①氣開閥（電開閥）為＋，氣關閥（電關閥）為－

②閥開大，被控參數增加的對象為＋，降低的對象為－⑵根據公式：(控制器±)×

(閥±)×

(對象±)＝（－）來選擇

⑶本實驗中：用的是電開閥＋，且閥開大，液位上升，故水槽是正對象＋所以根據公式（控制器—）×（閥＋）×（對象＋）＝－可知，控制器的符號應選“－”，即選擇反作用控制器。3、控制器參數整定的任務是什么？工程上常用的控制器參數整定有哪幾種方法？

⑵控制器參數整定的方法有理論計算和工程整定兩大類。其中常用的是工程整定法。它又分為臨界比例度法，衰減曲線法和經驗法等。

答：

⑴控制器參數整定的任務是：根據已定的控制方案，來確定控制器的最佳參數（包括比例度δ、積分時間Ti、微分時間TD），以便使系統獲得最佳的控制質量。

實驗二單回路調節系統的投運和整定1、實驗設備：CS4000過程控制系統實驗裝置2、整定初始條件：干擾通道變頻器開度U2=20%調節通道閥門開度MV=55%3、階躍干擾量：q=20%~30%PID整定參數：TI

=60sTd=0s實驗中積分時間TI越小，h2控制過程穩定越差低靈敏區半寬0低低靈敏區增益0輸出下限0%輸出下限70%濾波時間1sMV變化率限幅=5%4、實驗結果實驗二單